（机械制造及其自动化专业论文）磨削液性能评价专家支持系统的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 ( 在对磨削液性能进行分析和评价的基础上，本文研究和丌发了一套磨削液性 能评价号家支持系统，建立了知识库的基本结构，运用专家的经验和推理机制， 选择恰当的评价方案，对磨削液的性能进行模糊综合评价，对该系统的试用表明， 该系统的评价结果比较真实地反映了磨削液的实际性能。该系统主要由五个子系 统组成，即基本信息子系统、评分统计予系统、查询服务子系统、打印服务子 系统和权重维护子系统。其中基本信息子系统的功能是为磨削液的性能评价提供 信息支持；评分统计子系统的功能是通过计算机对参与评判的磨削液的基本信 息，按照我们构造的数学模型进行加工处理，计算出每种参与评判的磨削液的评 分值以及排序结果：查询服务子系统的功能是为使用者提供对磨削液信息处理结 果的查询服务，查询的方式包括个体信息查询和分类信息查询。打印服务子系统 的主要功能是为使用者提供打印服务；权重维护子系统的功能是提供权重系数的 维护，【“此可以调整数学模型中的参数，以适应不同加工要求的特点。其中的评 分统计子系统又包含五个模块，即数据输入调用模块、对比分析模块、综合评判 模块和结果输出模块。在数据输入调用模块，我们以填写表格的方式输入加工状 况数据包括磨削深度、进给量、砂轮速度、砂轮直径、工件宽度等并且从数据库 中蜩用实验数据；在实验结果及对比模块，我们记录下在前面参数输入模块下的 。实验测试结果，其中主要包括加工性能参数如：磨削力、磨削温度、表面粗糙度、 砂轮磨损量和工件去除率以及磨削液自身性能参数如：毒性、皮肤刺激性、防腐 性、火灾危险性和设备安全性和废液等，其中对于磨削温度的对比采用了自己编 数采用层次分析法，第二级评判中运用了可信度较高的三对模糊算子，另外，还 提出了一种非常简单、实用的评价模糊算子可信度的方法：在结果输出模块完成 对评判结果( 评价值和排序) 的打印输出。该系统用v b 开发，有限元程序的编写 运用了f o r t r a n 语言。最后本文讨论了磨削液的物理性能指标( 表面张力、摩擦 系数、添加剂) 和化学性能指标( 电化学作用) 与其使用性能之间的关系。 关键词：磨削液性能评价专家支持系统模糊综合评判有限元分析绿色度 山东大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fa ne x p e r ts u p p p o r t i n gs y s t e m t oe v a l u a t eg r i n d i n gf l u i d s p e r f o r m a n c e a b s t r a c t o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gg r i n d i n gf l u i d s p e r f o r m a n c e ， a ne x p e r ts u p p o r t i n gs y s t e mt oe v a l u a t eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo fg r i n d i n g f l u jd sh a sb e e np r o p o s e d t h eb a s i cs t r u c t u r eo fk n o w l e d g ed a t a b a s eh a s b e e ne s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ee x p e r t s e x p e r i m e n t a la n dr e a s o n i n g m e c h a n is m ，a na p p r o p r i a t ee v a l u a t i n gp r o j e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e g r i n d i n g f 1 u i d sh a sb e e ns e l e c t e da n dw eh a v ee v a l u a t e dt h eg r i n d i n g f l u i d s p e r f o r m a n c eb yu s i n gf u z z y s y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n gm e t h o d s b y t e s t i n go nt h es y s t e m ，w ef i n dt h a tt h er e s u l tr e f l e c t st h er e a lp e r f o r m a n c e t h is s y s t e m c o n s is t so ff i v e s u b s y s t e m ，t h e y a r eb a s i ci n f o r m a t i o n s u b s y s t e m ，g r a d i n g a n d s t a t i n gs u b s y s t e m ，q u e r y i n gs e r v i c es u b s y s t e m ， p r in t i n gs e r v i c es u b s y s t e ma n dw e i g h tm a i n t a i n i n gs u b s y s t e m t h ef u n c t i o n 0 ft h eb a s icin f o r m a t i o n s u b s y s t e m i st oo f f e ri n f o r m a t i o nf o r t h e e v a lu a t io no ft h e g r i n d in g f l u i d s p e r f o r m a n c e t h ef u n c t i o n o ft h e g r a d in ga n ds t a t in gs u b s y s t e mi st ow o r ko u tt h eg r i n d i n gf l u i d s s c o r e a n ds e q u e n c er e s u lt b yp r o c e s s i n gt h eg r i n d i n gf l u i d s b a s i ci n f o r m a t i o n a c c o r din gt ot h em a t h e m a ti c a lm o d e lw eh a v ec o n s t r u c t e db yt h ec o m p u t e r t h ef u n c t i o no ft h eq u e r y i n gs e r v i c es u b s y s t e mi st oo f f e rq u e r ys e r v i c e a b o u tt h ep r o c e s s i n gr e s u l to ft h eg r i n d i n gf l u i d s i n f o r m a t i o nf o rt h e u s e r s t h e q u e r y m a n n e rc o n s i s t so fi n d i v i d u a li n f o r m a t i o n q u e r y a n d c l a s s i f i e di n f o r m a t i o nq u e r y t h em a i nf u n c t i o no ft h ep r i n t i n gs e r v i c e s u b s y s t e mi s t oo f f e rp r i n t i n ss e r v i c ef o rt h eu s e r s t h ef u n c t i o no ft h e w e i g h tm a in t a i n i n gs u b s y s t e mi st oo f f e rm a i n t e n a n c eo ft h ew e i g h t ，s ow e c a na d j u s tt h ep a r a m e t e ro ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li no r d e rt o a d a p tt o d if f e r e n tp r o c e s s i n gc o m m a n d t h eg r a d i n ga n ds t a t i n gs u b s y s t e mc o n s i s t s o ff i v em o d u e s ，t h e ya r ed a t ai n p u t t i n ga n dt r a n s f e r r i n gm o d u l e ，a n a l y z i n g a n d c o n t r a s t i n gm o d u l e ，s y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n gm o d u l ea n dr e s u l t i i 山东大学硕士学位论文 ! ! g s e ! _ ! ! _ _ ! ! 鳞_ _ 目_ _ _ _ _ _ e _ 鼎e 目目目2 号2 号紫i i 。“t p u t t i n g m o d u l e w e i n p u t t h e p r o c e s s i n g c o n d i t i o nd a t ai n c l u d i n g g f i n d i n gd e p t h ，m o v i n gq u a n t i t y ，w h e e lv e l o c i t y ，w h e e ld i a m e t e r ，w o r k p l e c e # i d t ha n ds oo na n dt r a n s f e re x p e r i m e n td a t af r o md a t a b a s e i nt h ew a yo f f i i l i n gi nt h ef o r m si nt h ed a t ai n p u t t i n ga n dt r a n s f e r r i n gm o d u l e w en o t e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n c l u d i n gp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha s g r in d i n gf o r c e ，g r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，w h e e l w e a rr a t e 8 n dw 。r kd i e c e r e m o v i n g r a t ea sw e l la s t h e g r i n d i n g f l u i d s s e l f d e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha st o x i c i t y ，s k i n t h r i11 ，a n t i s e p s i s ，f i r e f a t a l n e s s ，e q u i p m e n ts e c u r i t y ，w a s t ew a t e ra n ds o o n t h ef i n i t ee l e m e n t p r o g r a mc n m p i l e db y m y s e l f i sa p p l l e di n t h e c o n t r a s t i n go ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r e 。f u z z y s y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n g o nt h ef i r s tp e r f o r m a n c e ( p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ) o ft h eg r i n d i n gf l u i d s a n dit ss e c o n dp e r f o r m a n c e ( m a i n l yi t sg r e e nd e g r e e ) a r ea c c o m p l i s h e di n t h e s y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n g m o d u l e an e wm a t h e m a t i c a l m o d e lf o r e v a l u a t i n gp e r f o r m a n c eo fg r i n d i n gf l u i d sb yu s i n gf u z z y s y n t h e t i c a l l y e v a l u a t i n gm e t h o dh a sb e e ns e tu p 5c o u p l e so ff u z z ya l g o r i t h m sa r eu s e d int h ef ir s ts t e pe v a l u a t i o n t h ew e i g h to ft h ef i r s ts t e pe v a l u a t i o ni s d e t e r m i n e db ys t r a t i f i c a t i o na n a l y s i sm e t h o d 3c o u p l e so ff u z z ya l g o r i t h m s w h i c ha r er e g a r d e dm o r et e l i a b l ea r eu s e di nt h es e c o n ds t e pe v a l u a t i o n as i m p l ea n dp r a c t i c a lm e t h o do ne v a l u a t i n gr e l i a b i l i t yo ff u z z ya l g o r i t h m s is p r o p o s e d i na d d i t i o n t h ee v a l u a t i n gr e s u l t s ( e v a l u a t i n gv a l u ea n d s e q u e n c er e s u lt ) a r ep r i n t e da n do u t p u t t e di nt h er e s u l t so u t p u t t i n gm o d u l e 。 t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e db yv ba n dt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mc o m p i l e sb y f o r t r a n t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c eg u i d e lin e ( s u r f a c e t e n s i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n da d d i t i v e ) o ft h eg r i n d i n gf l u i d sa n dt h e c h e m i c a lp e r f o r m a n c eg u i d e ti n e e l e c t r o e h e 魏i e a le f f e c t ) a n di t sp r o p e r t y h a v eb e e nd is o lj s s e djnt h ee n d k e y w o r d s ：g r i n d i n gf l u i d s p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n e x p e r ts u p p o r t i n gs y s t e m f i n i t e f u z z y s y n t h e t i c a l t ye v a l u a t i n g g r e e nd e g r e e e l e m e n ta n a l y s i s 棚 山东大学硕士学位论文 1 1 磨削液的作用 第一章绪论 磨削时，在磨削区形成高温，使砂轮磨损、零件表面完整性恶化、零件加工精度 不易控制等，因此必须把磨削液注入磨削区，降低磨削温度。由于磨削液不仅有 润滑及冷却作用，而且有洗涤作用，因而对改善砂轮堵塞是十分有益的。随着工 业的发展，新材料广泛应用，对零件表面完整性也提出了较高的要求，因此对磨 削液的研究r 益重视，磨削液的种类增多，磨削液的性能不断改善“1 。 磨削液的作用有以下四方面”1 ： 1 润滑作用 所谓润滑作用，是指磨削液渗入磨粒一工件及磨粒一切屑之间形成润滑膜，使得 这些界面的摩擦减轻，防止磨粒切削刃摩擦磨耗( 磨平变钝) 和粘附切屑。其结 果是磨削力、磨削热、砂轮磨耗量减小，防止工件的表面状态特别是已加工表面 卡h 糙度恶化。润滑膜是由于吸附现象形成的，分为物理吸附和化学吸附。物理吸 附是由于分子叫吸引力的作用形成的；化学吸附则是由于化学键力作用形成的。 动物油脂、植物油、脂肪酸( 如油酸等) 、环烷酸、脂肪酸皂及环烷酸皂等在金属 表面形成的润滑膜就是由于物理吸附作用形成的，它比矿物油形成的润滑膜要坚 固些。由于磨削速度很高，通过磨削接触弧的时间极短，因此要使磨削液浸入到 磨粒与切屑、磨粒与工件问形成可靠的坚固润滑膜，这是比较困难的。为此，在 磨削液中加入含硫、氯、磷等化学元素的极压添加剂，与金属表面起化学反应， 生成化学吸附膜，其熔点高，摩擦系数低，润滑性强。 2 冷却作用 所谓冷却作用，首先是迅速地吸收磨削加工时产生的热，使工件温度下降，维持 工件的尺寸精度；其次是使磨削点处加热的磨粒急冷，给予热冲击的效果，促进 磨粒的自锐作用。冷却性能的好坏取决于磨削液的导热系数、比热、汽化热、汽 化速度、流量、速度等。由表1 1 可知水的导热系数、比热及汽化热均比油高， 山东大学硕士学位论文 所以水溶性磨削液的冷却性能最好。 冷却性能的好坏还与泡沫有关。由于泡沫内部是空气，空气的导热性比水差，所 以多泡沫磨削液的冷却作用降低。 表1 一l 水与油的物理性质 类别比热导热系数汽化热 ( j k g k )( w m k )( c a l g ) 水4 1 8 6 80 6 2 8 05 4 0 汽油1 6 7 4 7 20 1 2 5 6 o 2 0 9 34 0 7 5 3 清沈作用 所谓的清沈和渗透作用是指磨削液渗透到磨粒一工件、磨粒一切屑的界面问，助 k 这些界面上的润滑作用，特别是冲洗掉堆积在气孔中的切屑和脱落的磨粒，防 l l 砂轮被堵塞“。 清洗性能的好坏与磨削液的渗透性、 大剂量的表面活性剂和少量矿物油， 高清洗性能。 4 防锈作用 流动性和供液压力有关。在磨削液中加入较 用大的稀释比的乳化液或水溶液均可大大提 为了使磨削后的零件和磨床不被锈蚀，磨削液应具有防锈作用。油类磨削液一般 不会引起锈蚀。 磨削液除具有以上功能外，还应对人无害、无刺激性、不发臭、不发霉、易消泡、 不影响磨床油漆、便于贮存、原料来源丰富、使用方便及价格便宜等。 表1 2 示出磨削液对砂轮与工件的影响。1 1 2 磨削液的种类和组成 磨削液分为油性磨削液( 非水溶性磨削液) 和水溶性磨削液。水溶性磨削液又分为 山东大学硕士学位论文 乳化液、化学合成液及无机盐磨削液。磨削液的分类见表卜3 。一般说来，油性磨 削液的润滑性好，冷却性较差，磨屑容易形成和流出，可获得较高的金属去除率、 较小的磨削比能耗和较好的加工表面质量。由此一般在特别重视加工面形状和尺 寸精度的齿轮、螺纹等成型磨削，某些难加工材料的磨削及c b n 砂轮磨削中使用。 而水溶性磨削液的润滑性较差，冷却效果好，成本低，操作环境安全、干净，不 会像油基磨削液那样，由于飞溅和高强度磨削时的烟雾产生对环境的污染和着火 的危险。特别是近年来其主要添加剂的性能不断改进，陆续研制出一些高效能水 基磨削液，其使用范围不断扩大“、7 、“”。在水溶性磨削液中，化学合成磨削液的 润滑性与乳化液相近，冷却效果比乳化液好；无机盐磨削液也有较好的冷却性， 润滑性最差。 表1 2 磨削液对砂轮与工件的影响 崩粒 结台剂 气孔 减少温升 抑制磨损r 1 1 抑制塑性流动 抑制磨粒与丁件问的化学反心 由于热应力白锐 竺竺! 兰 _ t _ 1 ；赢 防止粘附 由于表面能的变化调节破碎强度 调节结合剂桥的断裂 防止切屑和破碎磨粒的堵塞 降低磨削温度 划瓦赢 防止零件锈蚀 山东大学硕士学位论文 1 3 现代切磨削液的特点及发展趋势 随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新对切削液的性 能提出了更高要求。尤其是近年来环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦 点，切削液的使用和废液处理已受到环保法规日益严格的制约。在工业发达国家， 使用切削液加工时产生的烟雾量也受到严格限制，对某些切削液废液及带有切削 液的切屑要求必须作为有毒材料加以处理，其处理成本不断提高。为了适应社会发 展的要求。现代切削液技术的发展出现了一些新的特点“。 表1 - 3 磨削液分类 种类成分 矿物油低粘度及中粘度轻质矿物油+ 油溶性防锈添加剂+ 极性 添加剂 油性 极压油低粘度及中粘度轻质矿物油+ 极压添加剂 磨削液 乳化液( 1 ) 水+ 矿物油+ 乳化剂+ 防锈添加剂 极乐乳化液( 2 ) 乳化油+ 极压添加剂 水溶性化学合成液( 3 ) 水+ 表面活性荆( 非离子型、阴离子型或皂类) 磨削液( 4 ) 水+ 表面活性剂+ 防锈添加剂+ 极压添加剂 无机盐磨削液( 1 ) 水+ 无机盐类 ( 2 ) 水+ 无机盐类+ 表面活性剂 1 高性能、长寿命、低污染切削液的开发及废液处理技术研究 近年来，我国进口数控机床、加工中心等先进制造设备越来越多，所需切削液若 长期依赖进口，因价格昂贵，将使生产成本大幅度上升。因此，研制高性能切削 液用以替代进口产品已成当务之急。目前，我国水基切削液的使用范围越来越广， 山东大学硕士学位论文 且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家， 微乳化液已普遍使用，并正在全力研究环保型切削液。 纠前，凼内外切自0 液研究的重点内容包括：研制高性能切削液，研究延长切削液 使用寿命的供液方法以减少废液排放量；研究更有效和更经济的废液处理方法， 除使其达到排放标准之外，还应尽可能减少有害污染物在环境中的积累。 2 切 0 液的适当用量 传统切削液的供液方法常采用浇注法，尤其是对于水基切削液，通常是将一定压 力、较大流量的切削液喷射到刃切区，起到润滑、冷却的作用。在加工条件发生 变化时，如在更换工件材料或更换刀具类型及几何参数的情况下，通常也不会( 或 很少) 调整切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用 量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少、与切削 液有关的费用也降至最低。他们在福特公司对所做的试验都进行了切削力分析， 通过试验，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与 研究，并对工件表面粗糙度积屑和切削力等作分析，通过试验得出了最适当的切 削液用量。美国t h y s e e n 制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液 流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由c n c 程序控制，效果十分理 想。 3 丌发传统切削液的替代品 在这方面研究最多的是液氮冷却，以液氮作为切削液，使用后直接挥发成气体返 回大气中，不会产生任何污染物，从环保角度看，是一种极有前途的切削液替代 品。液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区，另一种利 用方法是间接利用，即不将液氮直接喷射到切削区。喷气冷却也是液氮的利用方 式之一，直接用于冷却的不是氮气本身，而是被液氮冷却过的气液氮，冷却过的 超低温( 一5 0 。c 以下) 气体直接喷吹于磨削部位，砂轮为经固体润滑处理或添加 了极少量超精植物油的c b n 砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压力比使用 磨削液时要大且残余应力的分布域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿 命。 山东大学硕士学位论文 d 准于切削 目自d ，国外已有严格的法规限制某些切削液的使用，且废液处理费用极高，如德 国每年废液处理约耗资1 0 亿马克。因此，美国、德国等工业发达国家均大力倡导 采用干式切削工艺，目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题。另外，对铝、钢、 镁等材料的干式切削工艺也在研究之中。 5 现代切削液发展趋势 1 前，国内外学者：i f 在努力探讨减少或消除环境污染的切削加工方法，但研究目 标大多集中在不使用传统切削液的加工上。从目前的发展情况看，无论液氮冷却， 喷气冷却或干切削，虽然各有特点和优势，但也有其局限性，如上述三种方法都 存在切屑形成过程中润滑性差的问题，因而不得不使用一些润滑剂，另外，目前 的机床主体多为铸铁材料，而工件切削后新生的金属表面具有极强的化学活性， 暴露在空气中均会很快生锈，如用液氮，喷气冷或干式切削，则后续工序中必须 增加机床和工件的防锈处理，而防锈液、清洗液等同样会污染环境。由此可见， 在切r 0 加工领域，离全面取代采用传统切削液的湿式加工还相当遥远，而现代切 削液的研究丌发就显得更为迫切，目前研究丌发的重点是： 1 ) 大力丌发剥生念环境和人类健康负作用小、加工性能优越的切削液，朝着对人 和明i 境完全无害的绿色切削液方向发展；同时，努力改进供液方法，优化供液参 数和加强使用管理，以延长切削液的使用寿命，减少废液排放量；此外，还应进 一步研究废液的回收利用和无害化处理技术。 2 ) 丌发传统切削液的替代品，并加强实用化技术、经济性评价和适用范围等方面 的研究。 3 ) 研究准干式切削方法，寻求准干式切削工具、工件和机床及其参数的最佳配合 方式，大力推广准于式切削应用技术，减少切削液使用量。 1 4 磨削液性能评价的意义、历史及现状 1 4 1 磨削液性能评价的意义 6 山东大学硕士学位论文 1 切磨削液是一种量大面广的产品，它几乎被用于机械加工的每一个角落，作用 e 闶小可。就其经济性而言，具有很大诱惑力，因此各先进国家都特别重视切磨 h i 液的研究丌发工作。在这一方面多下一些功夫，若能将切磨削液性能略微提高 一点，也会给整个国民经济带来巨大的好处。 2 随着我国机械工业的发展，磨削液的使用量不断增加“，且在磨削加工中，砂 轮和加工对象的种类、性状往往各不相同，磨削条件千变万化，磨削液种类繁多， 如何使磨削液的选择与使用做到系统化、科学化，减少不必要的浪费，是个不可 回避的问题。由于磨削技术和磨削工艺的快速发展，对磨削液提出了更高的性能 要求，需要对磨削液不断改进、创新。这就从磨削液的研究、生产和选择使用两 个方面要求我们找到一条科学的、实用的磨削液评价方法“2 “1 。 3 由于历史的原因，切磨削液的性能评价长期沿用评定润滑油品性能的一套方法， 停留在某些理化性能指标的检测上。我们认为，润滑油与磨削液虽同属于油脂化 l 产品，在使用目的上亦存在某些相似之处，然而却有根本区别。例如，使用润 滑油于运动副中的主要目的是减少摩擦和磨损，要尽量避免摩擦表面直接接触和 已接触表面向微切削转化：而某些加工中使用磨削液的目的恰恰是促使砂轮上的 磨粒对工件表面的微切削作用不断发生和顺利进行。二者工况大不相同，用同样 的方法去评价当然难以得出有意义的结果。 4 我国目前尚未建立系统的切磨削液国家标准，现在只有两个部颁标准( 硫化切 削油s y l 3 7 3 7 7 ，现改为s h 0 3 6 6 9 2 ，乳化油s y l 3 7 4 7 7 ，现改为s h 0 3 6 5 - 9 2 ，均系五 _ 卜年代从苏联引进) 和一个国家标准( 合成切削液g b 6 1 4 4 8 5 “”，现改为 g b t 6 1 4 4 8 5 ) ，都规定了理化指标，未规定使用性能指标，在这方面缺乏指导意 义。因此，难免出现混乱一就使用性能而言，符合标准的不一定好，不符合的未 必差。 5 我国目前切磨削液产品的生产、销售和使用方面存在不少问题。一些地区的集 体或个体生产厂利用本地石油资源生产切磨削液本来是好事，但有的缺乏检测手 段，其使用效果和安全性令人担忧。我们搜集了近十种市售的磨削液样品进行检 验，质量问题相当严重。 7 山东大学硕士学位论文 6 我图在切磨削液的生产和研究方面还很落后。改革开放以来从国外引进了成套 设备和生产线后，因国产切磨削液性能不过关还得从国外不断进口的事例屡有所 i 闻。 要解决上述问题，切磨削液评价体系的建立是首当其冲的关键技术问题，因为解 决一l 述所用问题的关键是丌发研制新型高性能磨削液和合理选择使用磨削液。 1 4 2 磨削液性能评价的历史和现状 关于磨削液的性能评价应当包括这样几个方面： 首先是它的社会效益。随着工业化程度的不断提高，生态环境问题也变得日趋突 出。因而大量的切磨削液对大气和水资源的污染危害已不能再等闲视之，与此有 关的切磨削液的腐败变质、使用寿命及废液处理等问题就显得非常重要并为人们 所关注。但使人倍感不足的是有些这方面的文献资料太少了，在目前能看到的文 章中唯有”“1 论及此事并提供了一些处理方法。 其次是磨削液的理化性能试验。这部分工作也很重要，它是研究评价磨削液必 不可少的一部分内容。一般说来，有关磨削液自身品质方面的试验可在实验室中 进行，并且捌此就能给出一个充分的判断“。 第二三是关j 二评价磨削液磨削性能的问题。如何评价磨削液磨削效能问题，有两种 不同的观点：一种是着眼于磨肖i 液的物理性质，如磨削液润滑性，冷却性，浸润 性等等；另一种是着眼于磨削液的磨削效果，如已加工表面质量、生产效率、工 具损耗等等。着眼于自身物理性质的人还有两种主张：一种是以切磨削液的润滑 性、冷却性以及它的浸润性为起始点来评价磨削液的性能。过去人们常常直接采 用评定润滑油的指标和方法来评定切磨削液的性能，如评定其表面张力、粘度、 p h 值、p b 值、腐蚀性、防锈能力等，这些切磨削液的理化性能指标虽然可对产品 的生产过程和用户验收起到一定的监控作用，并且某些理化指标，如表面张力、 摩擦系数，确实能在很大程度上影响磨削液使用性能，因此我们在后面将讨论磨 削液表面张力和摩擦系数与其使用性能的关系，进行一些磨削液使用机理的探讨。 但大量的实际结果表明，只靠这些指标尚不能全面地反映磨削液产品的内在质量 和性能，尤其难于反映产品的实际使用性能。在使用中，常常是牌号众多的磨削 3 山东大学硕士学位论文 液，尽管其理化指标相近，而其使用性能和效果却迥然不同。可见，仅靠这些理 化指标评价磨削液是远远不够的。 有的学者采用理化性质的某些综合性指标，如磨削液的润滑性、冷却性、浸润性 等来评价磨削液的性能。具有代表性的一种是建立了考虑冷却性和润滑性的综合 评价模型： g ? = 征，增 式中：g ，评价磨削效果 h + 冷却系数， ( 口口 o )( 式1 1 ) u + 一润滑系数 a 、b 一影响度系数 另一种主张是直接采用评定润滑油的方法来评定磨削液的磨削性能，这种做法既 缺乏自己的特色又不能保证试验结果与实际使用情况相符合“”。我们认为直接采 用评定润滑油脂的方法评定磨削液产品是不合适的也是没有充分依据的。因为同 属于油脂化学产品的润滑油脂和切磨削液在使用目的上存在着根本的区别。使用 润滑油脂于运动副巾的主要目的是减少摩擦和磨损，尽量避免摩擦表面向微切削 转化，而磨削加工中使用磨削液的目的恰恰是要促进这种微切削过程的顺利发生 和进行。 后来，人们又j r 发出图l 一1 所示的更接近于加工状态的润滑测定方法和几种冷却 评定方法，如磨粒淬火法、电热静冷法，电热动冷法等，并用上式进行评价。这 种评价方法的主要优点是它以磨削液的两大作用一润滑作用和冷却作用为着眼 点，比用其理化指标更切合实际，在一定程度上更能反映磨削液的效能。另一方 面，这类评价方法比用磨削实验得出的评价结果更具有一般性，因为它不涉及或 很少涉及具体的加工条件。也正因为如此，此类方法的可靠性又不如着眼于磨削 效果的评定方法。我们采用的评定方法的基本思想在于把磨削液看成是磨削过程 中多种输入参数之一，通过实机磨削实验考察磨削液对磨削过程和输出结果的影 响，从而做出对磨削液性能的评价。这种评价方法一般可分为三步：( 1 ) 选择评 价指标；( 2 ) 设计实验方法；( 3 ) 确定评价模型。一些学者对此进行了一些初步 研究，如吉林工业大学张孟湘用金属切除率、砂轮磨损量、工件表面光洁度、磨 9 山东大学硕士学位论文 削力，磨削温度作为评价指标，采用连续切入机动进给的磨削方式进行试验，最 后的试验数据采用单因子方差分析法进行处理得出评价结果。还有一些文献用加 权评分法或模糊综合识别的方法来建立评价模型。在这里，我们也主张用模糊评 判法去识别磨削液，因为磨削液的好与坏本身就是一个模糊的，相对而言的概念， 这是我们一丌始就确定的一种指导思想。 近2 0 多年来，磨削工具一砂轮的制造技术取得了很大的进步：高强度砂轮，大气 孔率砂轮，各种结合剂的超硬磨料砂轮等相继出现和质量的不断提高，推动了磨 削工艺的发展。从常规磨削到高速磨削、强力磨削、深切缓进给磨削、高速快进 给磨削等不断出现。磨床的结构也因此不断改善，刚性、功率、适应能力不断提 高。在这种形势下，磨削液的进步似乎显得跟不上时代的要求。 其实，各先进工业国家早已注目于切磨削液的研究。日本在5 0 年代就成立了切削 汕技术研究会和切削油工业组合这样的全国性团体，协调有关的技术和生产问题， 每年定期召丌学术报告会，美国的许多公司都有自己的切磨削液产品系列，如辛 辛那提米拉克隆公司曾于1 9 8 0 年来华宣传他们的磨削液产品。各先进工业国家 都早就制定了有关标准。同本在1 9 6 2 年制定了正式的切磨削液国家标准并于1 9 7 0 和1 9 8 0 年进行过两次大的修订。此外，国外还很重视切磨削液现场使用管理技术 的研究以及废油、废液再生处理技术的开发。我国在切磨削液的研究和应用技术 方面与国外差距不小。主要表现在以下几个方面“1 ： 1 从组织上讲，建国以来一直没有一个专门机构( 包括学术性组织) 负责主持和 协调这方面的科技工作。下面虽有不少同志进行钻研，但大都立足于解决本部门 的生产技术问题，就事论事而已。深入系统研究者可谓风毛麟角； 2 建国4 0 多年来，我国的石油化学工业和机械工业都有了很大的发展，但至今尚 末建立系统的切磨削液国家标准。过去的石油化工部部颁标准中也只有5 0 年代从 苏联引进的硫化切削油和乳化油两个品牌，被当成“万金油”一直沿用至今。唯 制定了国家标准的一个品种是合成切削液( g b 6 1 4 4 8 5 ) “： 3 实行对外丌放以来，引进了大批成套工艺技术装备。但因国产切磨削液品种不 全或性能不过硬，满足不了工艺要求，还得不断从国外进口切磨削液产品的事例 l o 山东大学硕士学位论文 屡有所闻； 4 从使用寿命来看，目前国内磨床厂广为使用的乳化液平均只有约l 一2 个月。即 使像洛阳轴承厂这样的大企业采用大液池集中供液，细心管理，也只能维持3 5 个月，而国外可达一年以上”： 5 油基切磨削液方面的问题也不少。如第二汽车厂引进的八十年代先进水平的格 罩森齿轮加工机床，却一直使用着五十年代的硫化切削油，不仅加工质量和刀具 耐用度的进一步提高要受影响，而且因发臭和废液处理等问题也颇为苦恼。类似 的例子还可以举出很多。 从学科范围来看，切磨削液是一个交叉学科，它涉及到了切磨削加工学、油脂化 学、表面活性剂工学、摩擦磨损与润滑科学、劳动卫生与环境科学等许多学科领 域，其中的问题涉及面广，难度较大。深入系统的研究有赖于多学科合作。可以 认为在切磨削液方面尚有许多问题有待于我们去探索。 切磨削液是一种量大面广的产品，它几乎被用于机械加工的每一个角落，作用非 同小可。就其经济性而言，也是具有很大诱惑力的。据同本的一家杂志推算，仅 1 9 8 5 年f j 本国内的切磨削液的供给量就达1 3 1 2 0 0 k l ，销售额高达2 9 0 亿同元。我 国人均石油占有量不算多，但如果大家都省一点的话，每年仍有大量的原油可以 出口。我们不妨算一笔细帐：原油价格按1 8 美元桶计算，则原油单价为0 i1 2 5 关元儿，而切磨油的单价为1 7 0 美元l ，其单价差竞达1 5 倍! 或许正是这个原 因作用的结果吧，各先进国家都特别重视磨削液的研究开发工作。我国在这方面 起步较晚，比较落后，但落后不等于没有希望，在这一方面再下一些工夫，若能将 其使用性能再略微提高一点，也将会给整个国民经济带来巨大的好处。 从上面的论述中我们就可以看出在切磨削液方面尚有许多问题有待于我们去探 索、去解决。在这些问题中，我们感到尤为迫切的是磨削液效能评价的问题，因 为它是丌发新型磨削液与合理选用磨削液时经常遇到的急待解决问题。但我们还 应认识到切磨削液的评价工作是个十分复杂的研究课题，尽管已有不少研究者付 出了极大的努力，取得了许多研究成果，但仍然远不能说已经很好的解决了，还 有待于进一步的充实和完善。 山东大学硕士学位论文 关r 磨削液性能评价，在以往的毕业论文中曾有过论述，主要采用模糊综合评判 法，也有运用加权评分法的；其中模糊评判法的程序是用f o r t r a n 语言编写的， 计锋比较繁琐，且不直观，并且对磨削液性能的评价也只是对于其加工性能的评 价，很少涉及其理化性能和环境适应性，随着对环境质量要求的日益提高，磨削 液的环境适应性越来越成为人们关注的焦点，人们所追求的是既能提高加工性能 又能减少环境污染的高性能磨削液，或者是能够找到两者比较折衷的磨削液，这 就对磨削液的选择使用提出了更高的要求，同时，原先的只注重加工性能的磨削 液评价方法也就越来越不适应社会的发展了：在软件开发领域，随着可视化编程 的同益发展，人们对编程的要求越来越高，原先的过程编程法已经远远不能不能 满足软件大众化的需求，因此，急需要界面宜人性的软件的进一步提高。有鉴于 此，本课题主要完成以下工作： 图1 1 润滑性能测定装置 1 5 本课题所进行的主要工作 关于磨削液的性能评价已有一定的工作基础，他们选取了评价指标，确定了模糊 评判的评判方法，建立了评判的数学模型。本课题在立足于前人工作的基础上， 主要完成以下内容： 1 。开发磨削液性能评价专家支持系统，设计出专家支持系统的五个子系统，主要是 评分统计子系统： 1 2 山东大学硕士学位论文 2 在原有对磨削液第一性能评价的基础上，注重对磨削液第二性能的评价； 3 基于生命周期分析法的磨削液性能评价； 4 磨削力及磨削温度的理论计算与实验对比； 5 试验验证： 6 进步探讨磨削液的作用机理。 1 3 山东大学硕士学位论文 ! 女自! _ ! ! # ! s i 一 i i l l i l l i i i 第二章磨削液第二性能及其评价 磨削液的第二性能涉及的范围很广，包括与磨削液自身品质有关的问题，如安定 性、抗氧化性、抗腐败性等，与环境及生态有关的问题，如对机床、工件的腐蚀 性，对大气的污染，对人体健康的危害性等。与求基磨削液褶院，油基磨削液第 二性能方面的问题要少些。本章仪讨论油基磨削液劣化变质和对入体健康的危害 憔这两个与其使用性关系较密切的问邋8 。 2 1 癃削滚的劣纯变矮 2 1 1 氧化变质 随着存放或使用期豹廷缓，油基壤剀渡会因氧化及应飚变质。其主要危害是： 1 因氧化丽使其酸性增加，导致金属产品和梳床象锈； 2 因氧化而产生沉淀油泥，易沉着于机床运动部件表面增加阻力，或使过滤器堵 塞； 3 因氧化聪发泡，引越泡汰所致的那些危害( 发泡现象的主疆危害是降低磨削液 蚋导热性和破坏其连续性，造成黪削区内供液不充分甚至局部中断，因而会降低 磨削液的润滑和冷却效能，易引起烧伤或其他磨削缺陷。除此之外，泡沫的存在 还会使泵的效率下降，产生噪声，破坏供液系统的正常工作。有时还会因含有大 量泡沫的磨削液体积增大而造成泄漏。还有，被空气饱和的磨削液会加速氧化交 质，从而降低磨削液的使用效能和寿命。) ； 4 。因氧化嬲使其黻度不适当黝增懑，会产生某些不剥豹影响( 增加数度会使油泵 负萄增大，滚量减少，以及受坯境温度影响大等缺点) 。 彩稍酒基蘑翻液戴纯交质的主要因素及解决播蕊： 1 与空气的接触机会越多越容易氧化，故应尽量少与空气接触； 2 光线照魅能诱发氧化，所以要尽量避光保存和使用； l 聿 山东大学硕士学位论文 3 某些会属( 特别是t e 、c u 、p b 等) 对氧化有促进作用，油品中的金属盐类对氧 化的促进作用更大，故应及时清除切屑、沉渣等； 4 磨削液基油的组分与氧化变质有关。一般说来，石蜡烃和芳香烃氧化安全性较 好，环烷烃特别是多支链的烷烃较差，烯烃最差；此外，在石油精制时残留下来 的非烃类物质会使油品的抗氧化性能变坏。因此，在选择基油时就要考虑其成分 和精制深度； 5 温度愈高，氧化愈烈。所以，在运输贮存时应保持阴凉。但油品往往要求在高 温下使用，所以，还必须用其他办法解决。 防止氧化最有效的方法是使用抗氧化添加剂。抗氧化添加剂的主要类型有酚型、 胺型