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毕业设计最终吴丹综述

毕业设计（论文）

题目

切削液的制备与性能研究

专业

材料化学

班级

材化072

学生

吴丹

指导教师

冯拉俊教授

2011年

切削液的制备与性能研究

学科：

材料物理与化学

作者：

吴丹

（签名）

指导教师：

冯拉俊

（签名）

摘要

金属切削液是金属切削加工中不可缺少的辅助材料，是保证产品加工质量和提高切削加工效率的关键因素。

但另一方面，切削液对人类环境造成了极大的危害。

目前国内使用的水基切削液以乳化液为主，此类产品不仅使用寿命短，且对人体健康带来危害，对周围环境造成严重污染，加之其成本较高，因此迫切需要研制一种环保型的切削液取而代之。

本文以20#机械油做基础油，采用油酸、三乙醇胺、吐温-80、OP-10混合反应后形成的混合皂作乳化剂，并采用Na2CO3和NaOH来调节切削液的pH值。

本实验通过单因素实验法和正交实验的方法确定出了油酸、三乙醇胺、吐温-80、OP-10的最佳用量。

结果表明：

油酸与三乙醇胺的最佳反应比为1：

2；吐温-80不仅会增加切削液的成本，而且使加水后的切削液黏性增大并有油性物质漂浮，故去掉吐温-80。

因此实验的配方为：

三份的三乙醇胺、6份的油酸和2份OP-10以及适量的Na2CO3和NaOH。

所制的切削液的pH为8，粘度为1.056×10-3μ/Pa·s，电导率为3.90ms/cm。

与现有切削液的试样相比，新型切削液的pH和粘度均达到标准水平，而电导率稍低。

通过在线切割机床上试用，所制得的切削液切削液具有良好的润滑性、防锈性、冷却性、清洗性，具有良好的发展前景。

关键词：

切削液，环保型，电导率，绿色，健康

Title:

Studyonperparationandperformanceof

Cuttingfluid

Specialty:

MaterialPhysics&Chemistry

Undergaduate:

DanWu

（Signature）:

Supervisor:

LajunFeng

（Signature）:

Abstract

Metal-cuttingfluidisanobbligatoaccessorymaterialinthemachiningofmetals,andisakeyfactorforensuringthemachiningqualityofproductsandimprovingtheefficiencyofthemachiningofmetals.Butthen,cuttingfluidcausedgreatharmonhumanenvironment.Atpresent,domesticusingwater-basedcuttingfluidismainlyemulsion,whichnotonlyhasshortworkinglife,butalsowillbringharmonhumanhealthyandcausegreatpollutiononenvironmentaround,inaddition,whichcostishigher,thereforeitispressedfordevelopingakindofenvironmentprotectioncuttingfluidinsteadoftheaboveone.Inthistest,20#motoroilisusedasbaseoil,oleicacid,triethanolamine,twain-80andOP-10weremixedtoformemulsifier,atthesametime,Na2CO3andNaOHwereusedforadjustingpHofcuttingfluid.

Inthisexperiment,Singlefactorexperimentmethodandtheorthogonalexperimentwereusedtoconfirmthebestdosageofoleicacid,triethanolamine,twain-80andOP-10.Theresultsshowthattheoptimumresponseratioofoleicacidandtriethanolamineis1:

2;theuseoftwain-80wouldincreasethecostofcuttingfluids,butalsowouldmakecuttingfluidviscosityincreaseafteraddingwaterandfloatoilysubstance,sotwain-80wasgotridof.So,theprescriptionoftheexperimentis:

threeparttriethanolamine,sixpartoleicacid,twopartOP-10andmoderateNa2CO3andNaOHwereaddedintotenpartmotoroil,thenthepH,viscosityandconductivityofthegainedcuttingfluidsrespectivelyis7,1.056×10-3μ/Pa·s,3.90ms/cm.Comparedwiththeexamplethatprovided,thenewcuttingfluid’spHandviscosityhavereachedstandardlevelbutlowerconductivity.

Theobtainedcuttingfluidshavegoodlubricity,anti-corrosive,coolingeffectandwashingeffect,butalsohaveapromisedfuture.

Keywords：

Cuttingfluid,pH,viscosity,conductivity

第一章前言

1.1引言

金属切削加工是金属加工中最常见、应用最广泛的一种。

金属切削过程是指由机床提供必要的运动和动力的条件下，用刀具（或磨具）切除（或磨削）坯件上多余的金属，从而获得形状、精度和表面质量均符合要求的工件的过程。

根据工件的形状、精度和表面质量的不同，切削加工可分为车、铣、钻、刨、镗、绞、拉及磨削等[1]。

金属材料按预定规格进行切削（或磨削）加工时，为了减轻刀具和工件之间的摩擦，增加润滑性，带走因摩擦而产生的热量和提高生产率，在工具与被切削、磨削的金属材料之间注入液体，称为金属切削液。

金属切削液是金属切削加工中不可缺少的佐料。

合理的使用切削液，则可提高磨削速度30%左右，降低切削温度100-150℃，减少切削力10%-30%，延长刀具寿命4-5倍。

提高工件表面加工质量，并能降低加工成本[2]。

金属切削液广泛用于机械加工行业，给人类创造巨大效益的同时，也对人的身体健康构成危害，对环境造成严重污染[3]。

首先，切削加工中使用过的废液若不经有效处理直接排放或焚烧会对水资源、大气及土壤造成污染，如切削液中防锈剂磷酸钠的积累会使河流、湖泊因富营养化而出现赤湖；防腐杀菌剂苯酚生物降解性差，对鱼类等水生物有毒性[4]。

其次，切削液中的矿物油、表面活性剂等脱脂作用，防腐杀菌剂的刺激性，会使人体皮肤干燥、脱脂，甚至引起开裂、红肿、化脓等。

此外，切削液腐败产生的恶臭对呼吸的影响和油基切削液形成的油雾，易引起火灾等不安全因素[5]。

随着21世纪金属切削加工向高速、强力和高精度的方向发展，现代苛刻的加工条件对切削液的质量提出了越来越高的要求。

数控机床、机械加工中心和柔性制造系统等先进制造技术已逐渐推广应用，而先进制造技术和难加工材料的切削加工均离不开冷却润滑技术，因而，切削液越来越重要。

再者，随着全球人类环境保护意识的不断增强和国际社会对生态环境的日益重视，人们越来越重视切削液对环境的污染问题。

尽管对环境无污染的干切削技术得到成功的应用，但其应用范围非常有限。

因此，在不影响切削液使用性能的前提下，在对切削液的配制过程中应多考虑其对环境和人体的影响[6]。

1.2切削液的概述

1.2.1切削液的发展

人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。

人们在磨制石器、铜器、铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量。

在古罗马时代，车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油，16世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。

从1775年英国的约翰·威尔金森（J.wilkinson）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。

到1860年经历了漫长发展后，车、刨、铣、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的使用。

19世纪80年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。

F·W·Taylor[7]发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高30℅~40℅的现象和机理。

针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂：

一词。

从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。

随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。

最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动植物油容易变质，使用周期短。

20世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各种性能优异的润滑添加剂。

在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和植物油合成的复合油。

1924年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于中切削、拉削、螺纹和齿轮加工。

刀具材料的发展推动了切削液的发展，1848年发明了高速钢，切削速度较前提高了2~4倍。

1927年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高2~5倍。

随着切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能满足切削要求，这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。

1915年生产出水包油型乳化液，并与1920年成为优先选用的切削液用于重切削。

1948年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在20世纪70年代由于油价冲击而应用提高[8]。

近几十年来，由于切削技术的不断提高，切削机床的不断涌现，刀具和工件材料的发展，推动了切削液的发展。

随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它将推动切削技术向更高领域发展。

1.2.2切削液的分类

目前，切削液的品种繁多，作用各异，但归纳起来分为两大类，即油基切削液和水基切削液[9]。

1）油基切削液

油基切削液是以矿物油为主要成分，根据加工工艺和加工材料的不同，可以用纯矿物油，也可以加入各类油性添加剂和极压添加剂以提高其润滑效果。

（1）纯矿物物油主要采用用煤油、柴油等轻质油。

轻质油主要用于铸铁的切削及研磨加工，有利于铁粉的沆降。

纯矿物油成本低、稳定性好，对金属不腐蚀，使用周期长。

在使用过程中，即使有少量切削液漏入齿箱、轴承和液压系统中或部分润滑油漏入切削油中，都不致影响机床的使用性能。

但矿物油由于不含润滑添加剂，润滑效果较差，承载能力较低，一般只适用于轻负荷切削及易切削钢材和有色金属的加工。

对于要求低温流动性能好的切削油，可用聚烯烃等合成油，凝点可达-30℃以下，但价格昂贵。

（2）脂肪油（或油性添加剂）+矿油脂肪油曾被广泛用作切削油，一般用于精车丝杠、滚齿、剃齿等精密切削加工，常用的有菜籽油、豆油、猪油等。

脂肪油主要由脂肪酸组成，对金属表面有较强的吸附性能，具有良好的润滑性能，其缺点是易氧化变质，并在机床表面形成难于清洗的粘膜（即“黄袍”）。

（3）非活性极压切削油由矿物油+非活性极压添加剂组成。

所谓非流活性极压切削油是指切削油在100℃，3h的腐蚀试验中，铜片腐蚀在2级以下（中等程度均匀变色）。

氯化石蜡、磷酸酯、高温合成的硫化脂肪油等属非活性极压添加剂。

这类切削油的极压润滑性能好，对有色金属不腐蚀，使用方便，被广泛用于多种切削加工。

（4）活性极压切削油由矿物油+反应性强的硫系极压添加剂配制而成。

这类切削油对铜片的腐蚀为3-4级，对有色金属有严重腐蚀。

它有良好的抗烧结性能和极压润滑性，可以提高高温条件下刀具使用寿命，对刀具积屑瘤有强的控制能力，多用于容易啃刀的材料和难加工材料的切削。

（5）复合切削油由矿物油+油性和极压添加剂配制而成。

油性添加剂，如高级脂肪酸、脂肪油等，这些化合物在表面产生物理吸附和化学吸附，形成一个分子膜吸附层，可降低切削时的摩擦阻力，但这类添加剂只在较低的温度时才有效，当温度高于200℃，极性化合物产生解吸和分解而失去润滑作用，这时，需要极压添加剂发挥作用。

同时，含有油性剂和硫、磷、氯极压添加剂的复合切削液，可以在很宽的范围内保持良好的润滑状态，适合于多工切削及多种材料的加工。

2）水基切削液

水基切削液由于具有导热系数打，冷却、润滑和防锈性能好等优点，因而发展迅速，在机械加工工业中已被广泛使用[10]。

水基切削液分为三类，即乳化液、合成切削液和半合成切削液。

（1）合成切削液：

它的浓缩液不含矿物油，由水溶性防锈剂、油性剂、极压剂、表面活性剂和消泡剂等组成、稀释液呈透明状或半透明状。

主要优点是：

使用寿命长；优良的冷却和清洗性能；适合高速切削；溶液透明，具有良好的可见性，特别适合数控机床、加工中心等现代加工设备上使用。

但合成切削液容易洗刷掉机床滑动部件上的润滑油，造成滑动不灵活，润滑性能相对差些。

（2）半合成切削液：

也称微乳化切削液。

它的浓缩液由少量矿物油（含量为5%~30%），油性剂、极压剂、防锈剂、表面活性剂和防腐剂等组成。

稀释液油滴直径小于1μm，稀释液呈透明状或半透明状。

它具备乳化液和合成切削液的有点，有弥补了两者的不足，是切削液的发展趋势。

1.2.3切削液的作用

在金属加工过程中，使用切削液，有以下几种目的：

（1）延长工具（或砂轮）的使用寿命；

（2）降低工件表面粗糙度和提高工件精度；

（3）是切削和灰末从切削区域冲走；

（4）降低切削力和提高切削效率。

因此，良好的切削液必须具有润滑、冷却、清洗、防锈四个主要作用[11]。

（1）润滑作用：

当代的切削机床，向着程控化、自动化、加工中心的方向发展。

机械加工要求高精度、高生产率。

生产过程中更换刀卡具和机床调整是保证加工质量的关键，要求很高，占用的工时很多，因之提高生产率的一个切实可行的重要途径，是尽量延长刀具的使用寿命，减少机床调整时间。

切削液的润滑作用是通过切削液渗入到切屑，工件与刀具的接触表面以后，粘附在金属表面上，形成润滑膜而产生的，这种润滑膜减少了切削与前面刀和工件与厚刀面之间的摩擦系数，减轻粘结现象和抑制切屑瘤，从而降低表面粗糙度和提高刀具耐用度。

所以润滑作用的好坏，直接关系到刀具的使用寿命和工件的表面粗糙度和精度。

（2）冷却作用：

在切削加工过称中所消耗的功，绝大部分都转变成切削热。

在任何情况下，热量对切削刀具和加工表面都是有害的，刀具抵抗作用于刀具上力的能力，随着温度的上升而很快降低。

切削液通过热传导、对流、汽化热而起到冷却作用，它能有效改善散热条件，将已产生的切削热迅速地从切削区带走，使切削区域的温度下降，从而减少工件的热变形，提高刀具的耐用度和产品的加工精度。

（3）清洗作用：

在金属切削过程中，切削、铁粉、磨屑、油污等物易粘附在工件表面和刀具、砂轮上，影响切削效果，同时使工件和机床变脏，不易清洗所以切削液必须具有良好的清洗作用，对于油基切削液，粘度越低，清洗能力越强，特别是含有柴油、煤油等轻组分的切削液，渗透和清晰性能就更好。

含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥，并在工件表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、刀具和砂轮上，另一方面能渗入到粒子和油污粘附的界面上把粒子和油污从界面上分离，随切削液带走，从而起到清洗作用。

切削液的清洗作用还应表现在对切屑、铁粉、油污等有良好的分离和沉降作用。

循环使用的切削液在回流到冷却槽后能迅速是切屑、铁粉、磨屑、微粒等沉降于容器的底部油污等物悬浮与液面上，这样便可保证切削液反复使用后仍能保持清洁，保证加工质量和延长使用周期。

（4）防锈作用：

为了使加工件、机床和刀具不受周围介质（如空气、水分、手汗等）腐蚀，要求切削液具有良好的防锈作用。

防锈作用的好坏，取决与切削液本身的性能和加入防锈添加剂的作用。

切削液防锈性能好坏，在我国对于很多行业（如轴承和仪表等）和一些地区（潮湿地区）来说，是一项十分重要的指标。

切削液的作用机理比较复杂，润滑、冷却、清洗、防锈四个作用并不是孤立的，它们有统一的一面，又有对立的一面，而且各类切削液的作用，均有它的侧重性和针对性。

所以要具体情况具体分析。

1.2.4切削液的研究现状和趋势

机械工业年耗电量300多亿度，其中60%以上均消耗在各种切削机床上，这些消耗很大程度上取决于切削液的质量和使用技术水平[12]。

然而，随着金属切削液的广泛使用，人们发现切削液是金属切削加工的主要污染源，除了使用时会对操作人员的身体健康构成危害外，废液的排放也会对环境造成严重污染。

随着现在机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新，对机械加工的配套材料金属切削液提出了更苛刻的要求。

由于油基切削液的冷却性能已不能完全满足苛刻要求，且“低能耗，低成本，低公害”的要求日渐严格，金属切削液逐渐向水基切削液过渡成为了新的发展方向[13]。

在日本，水基切削液产品的份额增长趋势更为明显。

在美国和欧洲发达国家，水基切削液已成为最重要的金属切削液，并且微乳化液得到了广泛的应用，目前正大力研究和开发环保型水基切削液[14]。

我国目前非常重视水基金属切削液的研究和推广应用工作，在“六五”、“七五”、和“八五”期间均安排了攻关任务，并取得了一定的成果[15-16]。

目前，我国水基切削液的使用范围越来越广，但是水基切削液的研究情况仍相对落后，市场销售的水基切削液仍以乳化液为主[17]。

从宏观角度考虑，该类产品中的防锈剂大部分含有亚硝酸钠和磷酸钠，极压润滑剂常含有短链氯化石蜡。

亚硝酸钠虽然具有良好的防锈效果，但是易于胺类化合物反应生成亚硝酸胺，这是世界卫生医学界所公认的致癌物质，磷酸钠的积累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮：

而氯化石蜡是海水污染物之一。

近年来，我国有关文献[18]报导了亚硝酸钠的防锈剂和环己六醇六磷酸酯，但是防锈剂钼酸钠因其成本高，环己六醇六磷酸酯因其易水解，性能不稳定，均在推广中受到限制。

采用生物降解性好的植物油和合成酯代替矿物油的研究尚处于起步阶段。

随着环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点，切削液的健康和环保问题成为切削液领域的研究热点和重点。

为了适应社会发展的要求，现代切削液的发展出现了新的趋势：

（1）矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替；

（2）油基切削液逐渐被水基切削液所代替；

（3）开发性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂。

1.3本课题研究的内容及主要目标

1.3.1课题研究目标

目前，国内线切割机所使用的水基切削液主要是乳化液。

该类切削液中的添加剂主要含有硫、磷、氯元素等，且刺激性气味浓烈，有一定腐蚀性，使用范围较窄，易对人体造成伤害。

此外，该类切削液使用寿命短，废液的排放对环境造成极大的污染。

为保护环境而加强的规定，使得切削液的设备、管理和废液处理等的总成本费用上升，因而直接促使生产加工费用的上升。

因此，迫切需要研制一种性能优良且无毒无害的新型切削液。

以满足现在切削加工的要求。

本课题研究的目的在于研发一种具有优良的冷却、防锈、清洗和润滑性能，不含亚硝酸钠和氯、硫、磷元素等，用于线切割、机床冷却等的新型环保型切削液。

该切削液不仅应具有最佳的性能，而且对人体无危害，对环境无污染，符合国家环保要求，完全可以代替传统的切削液，并且成本低于传统的切削液。

1.3.2课题的研究内容

本课题所要研制的就是一种新型的环保型切削液，其中防锈剂、润滑剂等是切削液的重要组成部分，也在环保型切削液中占了很大的份额，它们的性能的好坏很大程度上影响了切削液的性能，并且药品的正确使用也关系到成本的高低。

因此，对添加剂的选择和用量是整个课题的研究关键，其具体的研究内容包括：

1）切削液的配方的研究,主要包括对主要添加剂的选择。

2）用正交法研究不同分量的药品对切削液性能的影响。

3）所配制的切削液的pH值、粘度、电导率的测定并与已知样品的pH值、电导率相比较；

4）最终确定新型切削液的配方；

5）在机械加工厂的线切割机上进行试验，考察切削液的实际应用效果。

第二章实验方案及过程

2.1实验药品及仪器

试验所用药品如表2-1所示，其中试验用水为实验室自制去离子水。

表2-1试验试剂

试验药品

分子式

分子量

产家

20#机油

-

-

-

OP乳化剂（分析纯）

-

-

天津市科密欧化学试剂公司

氢氧化钠

（分析纯）

NaOH

40.00

天津市恒兴化学试剂公司

无水碳酸钠（分析纯）

Na2CO3

105.99

天津市津北精细化工公司

油酸

（分析纯）

CH3（CH2）7CH:

CH（CH2）7COOH

282.47

天津市富宇精细化工公司

三乙醇胺

（分析纯）

N（CH2CH2OH）3

149.19

天津市富宇精细化工公司

吐温-80

（化学纯）

-

-

天津市东丽区天大化学试剂厂

试验仪器及设备：

电子天平（DT-200A），250、50ml烧杯，玻璃棒，10ml的移液管，吸耳球，pH试纸，5ml量筒，秒表，电导率仪等。

2.2总体设计方案

为满足切削液润滑、防锈、冷却、清洗性能，同时使切削液配制工艺简单、性能稳定、节约原材料成本，需对切削液的添加剂进行合理的配制，找出最佳的组分用量。

本章的实验方案如下：

1）进行试探性试验，找出主要试剂用量的最佳比例，从而制定出最初的切削液的配方；

2）观察最初切削液与工厂提供的切削液的外观形态的不同，并向两种切削液加入等量的水后分别测定它们的pH、粘度、电导率同时进行分析二者的不同之处。

3）根据对最初切削液配发的研究，运用正交实验的方法来确定乳化剂的最佳用量，分析其性能，从而确定出切削液配方的最佳方案；

4）分析最佳方案，进行调整，再用正交实验法确定新型切削液的最佳配方，并与已提供的试样切削液相对比分析其性能，最后确定出新型切削液的配方。

2.3实验原料配比的确定

2.3.1主要试剂的用量的确定

根据参考文献[18]，采用20#机油作为实验的基础油。

基础油主要起润滑作用，同时也是油溶性添加剂、表面活性剂等的载体。

首先用单因素实验法确定油酸与吐温-80的最佳反应配比，方法为按表2-2所示的配方进行实验。

表2-2单因素实验配方

油酸

吐温-80

pH试纸的显色

未加水时的形态

加水后的外观形态

1

1

黄色

油状呈黄色

呈乳白色，表面有油状物漂浮

1

2

黄色

油状呈黄色

呈乳白色，表面有油状物漂浮

1

3

黄色

油状呈黄色

呈乳白色，表面有油状物漂浮

2