中瑞采用正交试验法的环保型水基合成切削液配方优化设计

采用正交试验法的环保型水基合成切削液配方优化设计蔡洪浩 　 衡水中瑞化工科技有限公司 　 :采用正交试验法优化设计了不含亚硝酸盐 、 、 、 要 磷 硫 苯酚等有害元素的环保型水基合成切削液 。该配 方采用羧酸酯 、 羧酸醇胺等有机防锈剂与其它无机防锈剂协同防锈 ,采用合成硼酸酯 、 硼酸盐和油酸三乙醇胺作为 润滑剂和极压剂 。该切削液具有优良的润滑性 、 防锈性 、 冷却性 、 清洗性 、 防腐性和可降解性 。 关键词 : 水基合成切削液 , 　 正交试验 , 　 防锈性能 , 　 优化设计 　　 　 1 引言 收稿日期 :2006 年 6 月 la contains carboxylic ester boric acid ester , borate and other inorganic additives as rust prevention additives and lubricating addi 2 tives. The cutting fluid features good performances of lubricating , rust preventing , cooling , washing , rot2proofing and degradation. 2 phosphor , sulfur , benzene and hydroxybenzene etc. does not included , was designed with the orthogonal test method. This formu 2 现代金属切削加工正向高速切削、 强力切削 、 精 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Abstract : A kind of environment2friendly water2based synthesized cutting fluid , in which harmful elements such as nitrite , Keywords : water2based synthesized cutting fluid , 　 orthogonal test , 　 2prevention performance , 　 rust optimum design 图6　 机床主程序功能模块 图7　 螺旋加工程序流程图 Optimum Design of Environment2Friendly Water2Based Synthesized Cutting Fluid with Orthogonal Test Method Cai Honghao 　 Zhao Y ongwu 密切削的方向发展 ,高硬度 、 高强度难加工材料的广 泛应用也使工件的切削加工难度日益增大 , 这些原 因导致切削加工中的摩擦力 、 摩擦热大幅提高 。为 了获得理想的加工表面 , 对切削液的润滑 、 冷却 、 防 智能伺服控制 、 辅助功能与外部逻辑动作控制 、 误差 补偿和系统监控与故障诊断报警等功能 。整个机床 的总控制程序模块见图 6 。螺旋加工部分的程序流 程见图 7 。 　　 　 4 结语 利用数控电火花磨削加工机床和本文研制的螺 旋伺服进给加工系统 , 可以有效实现对小直径 PCD 麻花钻头的放电磨削加工 。该系统具有较大的加工 柔性 ,还可用于其它超硬导电材料的麻花钻刃带 、 细 长杆螺旋槽等的放电磨削加工 。参考文献 1　 张桂香 , 傅水根 , 尹占民 . 旋转电火花加工控制系统的 研究 . 电加工与模具 , 2003 (5) : 9～11 第一作者 : 张桂香 ,工学硕士 ,副教授 ,硕士研究生导师 , 山东理工大学机械工程学院 ,255049 山东省淄博市 http://www.cnki.net 68 工具技术 锈、 清洗等性能提出了更高要求 [1 ] 。一般认为 ,矿物 润滑油的润滑 、 防锈性能良好 ,但冷却与清洗性能较 差 ;而乳化液和水基切削液的冷却 、 清洗性能优良 , 但润滑和防锈性能较差 。随着切削液技术的发展 , 目前水基切削液的润滑 、 、 冷却 防锈等性能已全面达 到或超过乳化液的性能 。此外 , 随着环保法规的日 益完善和环保要求的不断提高 ,含亚硝酸盐 、 、 、 磷 硫 苯酚等有害元素的防锈剂和添加剂被禁止或严格限 制使用 。因此 , 研究开发具有优良的润滑性 、 防锈 性、 冷却性 、 清洗性及防腐性的绿色切削液成为当务 之急 。本文选用不含亚硝酸钠等有毒 、 污染物质的 试剂 ,采用正交试验法对水基合成切削液的配方进 行了优化设计 。 　　 　 2 水基合成切削液的配方设计 211 　 防锈剂的合成与选用 在实际加工应用时 , 切削液通常采用有一定硬 度且含氯的自来水进行稀释 , 因此经常出现在实验 室按用去离子水稀释设计出的切削液配方在实际应 用中防锈性能下降的情况 。因此 , 本实验的稀释用 水全部采用无锡市来自太湖的自来水 , 以使设计出 切削液更适合实际加工状况 。 212 　 润滑剂和极压润滑剂的合成与选用 在金属切削加工中 ,切屑 、 工件与刀具之间的摩 擦状态可分为干摩擦 、 流体润滑摩擦和边界润滑摩 擦三类 。大多数难加工金属材料的加工处于极压润 滑状态 ,此时油性添加剂在摩擦表面形成的润滑膜 将被高温高压所破坏 , 因此必须依靠极压添加剂形 成另一种润滑膜 。这层润滑膜是极压添加剂在高温 高压下进入切屑 、 工件与刀具界面之间与金属发生 化学反应所生成的氯化铁 、 硫化铁等化学吸附膜 ,它 可使边界润滑层具有较好的润滑性 。 在极压润滑状态下 , 切削液中必须添加极压添 加剂 ,以维持润滑膜强度 。常用的极压添加剂为含 硫、 、 、 、 磷 氯 碘 硼等的有机化合物 , 它们可在高温下 与金属表面发生化学反应而生成化学吸附膜 , 它比 物理吸附膜的熔点高得多 , 可防止极压润滑状态下 金属摩擦界面的直接接触 ,起到减小摩擦 、 保持润滑 的作用 。 硼酸酯是一种多功能环保型添加剂[5 ] , 其作用 机理是在摩擦表面形成物理 ( 或化学 ) 吸附膜 , 以及 因硼酸酯的水解作用或与添加剂发生摩擦化学反应 而产生由 H3BO3 、 2O3 等构成的非牺牲性沉积膜 。 B 通过几种膜的共同作用 , 可有效提高水基切削液的 摩擦学性能 。硼酸酯的特点为 : ① 油膜强度高 ,摩擦 系数低 ,具有优良的减摩抗磨性能 ; ② 具有良好的防 锈性能 ; ③ 具有抗菌 、 杀菌功能 ,且无毒副作用 。 可采用直接酯化法制取硼酸酯 , 其反应方程式 为 :3ROH + H3BO3 → ( OR) 3 + 3H2O 。在反应中加入 B 了 N 元素 , 以生成含氮硼酸酯 , 这是一种环保型润 滑剂 ,具有优良的润滑性能和极压润滑性能 。 油酸三乙醇胺除具有润滑性能外 , 还是一种表 面活性剂 ,具有良好的渗透性和浸润性 ,有助于进入 高温高压下的加工面 , 形成极压润滑膜 。而硫脲与 油酸三乙醇胺复配可改善极压性能 ,也可适量添加 。 切削液中使用的辅助添加剂还包括消泡剂、 防 霉杀菌剂 、 调整剂 、 PH 金属离子掩蔽剂等 。由于切 削液中含有大量表面活性剂 ,在循环供液条件下 ,因 搅拌和快速流动易产生大量泡沫 , 因此需要加入消 http://www.cnki.net 防锈剂大多采用一些极性物质 , 其分子结构特 点是 : 一端是极性很强的基团 , 具有亲水性 ; 另一端 是非极性的烷基 , 具有疏水性 。当含有防锈剂的溶 液与金属接触时 , 防锈剂分子中的极性基团对金属 表面有很强的吸附性 , 并在金属表面形成紧密的单 分子或多分子保护层 ,阻止腐蚀介质与金属接触 ,起 到防锈作用 。防锈剂还对水及一些腐蚀性物质有增 溶效果 ,可起到分散和 ( 或) 减活作用 ,从而减轻腐蚀 物质对金属的侵蚀 。此外 , 碱性防锈剂对酸性物质 还有中和作用 ,可使金属免受酸的侵蚀[2 ] 。 一般认为 , 防锈剂性能与有机分子极性基团的 功能有关 。这些极性基团包括 - COOH 、 CONH 、 [3 ] SO3H 、 OH 、 NH 等 。根据防锈剂的吸附原理 , 分子中的极性基团能吸附于金属表面 , 而疏水性的 烃基在金属表面形成保护膜 , 防止水分侵蚀金属表 面 ,从而起到防锈效果 。有机分子在水中的溶解性 与烷基链的长短和亲水极性基团的多少有关 。作为 水溶性的防锈剂 , 分子中不但要有起防锈作用的极 性基团 ,而且要求分子具有一定的水溶性 。经过筛 选 ,有机羧酸与醇胺类物质加热反应得到的产物兼 具较好的防锈性能和水溶性能 。研究表明[4 ] , 癸二 酸与三乙醇胺反应后的产物具有良好的防锈性能 ; 磺化蓖麻油与三乙醇胺反应后生成的醇胺类化合物 的防锈性能也非常好 ; 硼酸酯是一种优良的多功能 防锈润滑添加剂 。由于单独使用这些防锈剂所需浓 度较高 ,因此可选用上述一种或几种有机防锈剂与 碳酸钠 、 、 硼砂 苯甲酸钠等无机防锈剂复配 , 以提高 防锈能力和减少试剂用量 。 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 213 　 其它添加剂的选用 2007 年第 41 卷 № 2 69 ( 1) 试验结果 9 种配方切削液水溶液防锈试验的试验结果 ( 防锈时间) 列于表 2 。表2　 切削液水溶液防锈试验结果试验号 1 2 3 4 5 6 7 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3015 38 5015 6166 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 3115 42 4515 1015 14 4167 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 45 38 36 15 12167 12 3 D 1 2 3 3 1 2 2 3 1 39 3815 4115 13 1 泡剂 。消泡剂常采用硅油类 。根据本配方的性质 , 我们选用乳化硅油作为消泡剂 。杀菌剂的作用是杀 灭切削液中滋生的微生物 , 防止切削液变质失效 。 常用的杀菌剂有甲醛释放剂 、 酚类化合物 、 水杨酸 类、 杂环化合物等 。由于醛类 、 酚类杀菌剂对人体危 害较大 ,因而本配方选用下苯甲酸钠 、 三丹油等作为 杀菌剂 。切削液的 PH 值应保持在 8 ～ 10 之间 , PH 值过低易滋生细菌霉变 ,PH 值过高铝腐蚀严重 。为 调节 PH 值 ,应根据具体情况添加剂 PH 调整剂等 。 　　 　 3 切削液防锈性能的正交试验 311 　 试验方案因素 自制硼酸 酯 A(g) 3 5 7 1 2 3 叠片防锈时间 (h) 9 10 1115 10 12 16 1215 20 18 119 - 8 9 T1 T2 T3 m1 m2 m3 R 根据国内金属切削加工的实际情况 , 防锈性能 是切削液需要考虑的首要因素 。为此我们采用正交 试验法进行了防锈性能试验 。在大量探索性试验的 基础上 ,首先确定了该切削液配方的防锈剂成分 ,其 中 A 为自制硼酸酯 ,B 为自制水溶性防锈剂 ,C 为癸 二酸三乙醇胺 ,D 为油酸三乙醇胺 ,其它添加剂包括 非离子表面活性剂 、 硼砂 、 碳酸钠 、 硫脲 、 苯甲酸钠 、 消泡剂等 。通过对防锈剂成分的实验与分析 , 制定 了试验因素水平表 ( 见表 1) 。表1　 试验因素水平表自制防锈 剂 B (g) 10 12 14 　平 水 癸二酸三 乙醇胺 C(g) 1 2 3 油酸三乙 醇胺 D(g) 5 6 7 由试验结果可知 , 第 8 号试验的防锈效果最好 ( 防锈时间 20 小时 ) , 其相应的水平组合 ( A3 = 7 ,B2 = 12 ,C1 = 1 ,D3 = 7) 是目前的最佳水平搭配 。 ( 2) 结果分析 将 4 个因素的 3 个平均防锈时间绘制在一张图 ( 见图 1) 。可分析得出如下结论 : 上 该试验包括 4 个因素 3 个水平 , 根据正交试验 规律 ,选用 L9 ( 34 ) 正交表安排试验 ( 形式见表 2 ) 。 根据国家标准 G B6144285 对切削液防锈性能测试的 规定 ,可采用单片法和叠片法测试切削液 ( 5 %水溶 液) 的防锈性能 。由于单片法测试中所有试样防锈 性能全部合格 , 因此采用叠片法进行测试 。将规定 浓度的切削液均匀涂布于一级灰口铸铁试片经处理 干净的表面上 ,再将另一片处理干净的灰口铸铁试 片覆盖其上 ,然后将该对叠片置于底部放有蒸馏水 的干燥器中 ,加盖后在 ( 35 ± ) ℃ 2 恒温箱中恒温至规 定时间 ,取出试片后观察表面锈蚀情况 。由于每打 开一对试片 ,试片接触面与空气接触后该试片就必 须作废 ,因此每次试验需要准备 10 对试片 , 每隔 1 ～2 小时打开一对 ,如果打开后发现未生锈 ,就间隔 1～2 小时后再打开一对 , 直至发现试片发生锈蚀为 ① 在试验范围内 ,随着硼酸酯含量的增加 ,切削 液的防锈时间延长 ; 随着自制水溶性防锈剂含量的 增加 ,防锈时间延长 ( 但趋势减缓) ; 随着癸二酸三乙 醇胺含量的增加 ,防锈时间缩短 ( 但范围不大) ; 随着 油酸三乙醇胺的增加 ,防锈时间变化不大 。 ② 个因素的主次关系依次为 :A ,B ,C ,D 。 4 313 　 追加防锈试验 追加防锈试验的分组情况及试验结果见表 3 。 http://www.cnki.net 止 ,其间的时间即为该配方的防锈时间 。 312 　 试验结果与分析 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 10117 12167 16183 图1　 防锈时间与 4 因素关系图 15117 12183 13183 39166 70 表3　 追加防锈试验结果试验号 A B C D E F A(g) 9 12 7 7 7 7 B (g) 12 12 14 16 12 12 C(g) 1 1 1 1 0 1 D(g) 7 7 7 7 7 9 工具技术 叠片防锈时间 (h) 14 15 1415 15 14 18 　　 　 4 结语 (1) 经过正交试验优化设计的水基合成切削液 分别为 8 、 和 F 的配方防锈效果较好 。其中 ,8 号 9 配方在众多试验组中防锈时间最长 , 可作为该环保 型防锈剂的基本配方 。 ( 2) 由试验结果可知 : 防锈剂和合成硼酸酯是该 切削液的主要防锈成分 , 其含量高低对切削液的防 锈性能有很大影响 ; 油酸三乙醇胺对切削液的防锈 性能有很大促进作用 ; 少量癸二酸三乙醇胺对切削 液的防锈性能有一定促进作用 , 但含量过多反而会 减弱防锈性能 。 315 　 原理分析 吸附在金属表面上起缓蚀作用 。这种吸附包括物理 吸附和化学吸附 , 防锈剂的极性端对金属表面有较 强吸附能力 ,能够在金属表面形成一层致密的吸附 膜 ,从而阻止空气中的氧分子等与金属表面接触 ,起 到缓蚀作用 。此外 , 该有机化合物防锈剂含有氮等 元素 ,它们在金属表面除在阴极区作物理吸附外 ,还 进行着化学吸附 。化学吸附既在阳极区阻碍金属的 溶解 ,又在阴极区阻碍去极化作用[6 ] 。 ( 2) 单一防锈剂的防锈性能不够理想 ,原因是形 成的膜总有一些小空隙 。为此需要利用几种防锈剂 的协同作用 ,良好的协同作用可以减少添加剂用量 。 但并非所有防锈剂都具有促进作用 , 有些甚至可产 生反作用 ,这是因为切削液中有多种表面活性剂 、 防 锈剂等极性分子 ,它们的极性不同 ,对金属表面的吸 附能力也不同 ,有些分子吸附能力强但非极性基形 成的膜不够致密 ( 如表面活性剂 ) , 有些分子吸附能 力不强但非极性基成膜很密 ( 如防锈剂) 。只有对这 些极性分子的极性基和非极性基进行适当的平衡 , 使极性基能牢固吸附在金属表面上 , 非极性基能有 效覆盖全部金属表面 , 它们才会显示出良好的防锈 性能 。8 、 和 F 切削液配方由于较好协调了极性基 9 与非极性基之间的组分比例 , 因此获得了较好的防 锈性能 。 314 　 试验结果讨论 ( 1) 通过以上正交试验和追加试验 ,可知试验号 ( 1) 该切削液的防锈剂大多为有机化合物 ,通过 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1　 Motohiko Ii , Hiroshi Eda et al . Development of high water2con2 2　 陈子明 . 极压抗磨添加剂体系中防锈剂的作用和特性 . 3　 黄文轩编 . 润滑添加剂应用指南 . 北京 : 中国石化出版 4　 蒋海珍等 . 水溶性有机羧酸醇铵盐防锈剂的分子结构与 5　 黄伟九等 . 水溶性含氮硼酸酯摩擦学性能研究 , 润滑与 6　 王洪斌 . 表面活性剂对水溶性防锈剂作用的影响 . 中国 120 台电脑 ,全部安装了多点数控模拟软件 ,可同时容纳 240 1000 多名 。 配方为 : 自制硼酸酯 7 % , 自制防锈剂 12 % , 癸二酸 三乙醇胺 1 % ,油酸三乙醇胺 7 % ,T280 为 3 % , 碳酸 钠 2 % ,硼砂 1 % ,硫脲 1 % ,苯甲酸钠 015 % ,BTA 、 消 泡剂等其它试剂少量 。 (2) 该水基合成切削液具有优良的防锈性能和 润滑性能 , 按 G B6144 - 85 标准进行的检测表明 , 各 项性能指标均达到或超过国家标准对水基合成切削 液的要求 。该切削液中不含有对人体有害的亚硝酸 钠、 、 磷 苯酚等元素 ,废液易于处理 ,对环境不产生污 染 ,属于环保型绿色切削液 。参考文献 ronmental protection. Precision Engineering , 2000 , 24 : 231～ 236 省无锡市 　　 国家数控培训基地近日在黄石的湖北省机械工业学校 正式建成 。随着制造业的不断现代化 ,传统的手摇机床正逐 握数控加工技术的高技能人才 。 步淘汰 ,被数字控制的自动机床取代 ,用人企业需要大量掌 规模还是设备先进性 ,在黄石乃 至鄂东地区首屈一指 。 成 ,两车间装备了数控车 、 铣床等 36 台崭新的数控机床和 名学生进行数控实训操作 。该基地由中央财政和学校共同 投资 ,总投资达 2000 万元 ,目前该校数控专业每年培养学生 tent cutting fluids with a new concept fire prevention and envi2 中国石油化工科学研究院 , 1998 社 , 2003 性能关系的研究 . 润滑与密封 , 2005 (3) 密封 , 2001 (5) 石油化工科学研究院 第一作者 : 蔡洪浩 ,江南大学机械工程学院 ,214122 江苏 国家数控机床培训基地落户黄石 作为单个专业的培训项目 ,建成后的数控基地 , 无论是 据了解 ,该基地由实训操作车间和模拟车间两大部分构

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