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环保型水基合成切削液配方优化设计与研制




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资 源 与环 境 工程 学 院


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学 专业 环境 科 学 戮
研 究峨 付运河 生 副教授 指 导老师 杨红刚 一


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环保型水基合成切削液配方优化设计与研制





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研究生姓名 指导教师

姓名

杨红刚

职称 副数授

单位名称 资源与环境工程学院 邮编
申请学位级别 硕士 …学科专业名称 二环境科学
论文提交 日期 年 二 论文答辩 日期 月 年二之月

学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期
答辩委员会主席

里 么 一 评人 舒吻 琪 阅 寿
布 佳敏





独创性声明
本人声明 , 所呈交的论课题是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果 。 据我所知 , 除了课题中特别加 以标注和致谢的地方外 , 论课题中

不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 , 也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均 已在论课题中作了明确的说明并表示了谢意 。

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关于论 课题 使 用投权 的说 明
本人完全 了解武汉理工大学有关保留 、使用学位论课题的规定 , 即 有权保 留送交论课题的复印件 , 允许论课题被查阅和借阅 题的全部 内容 , 可以采用影印 、缩印或其他复制手段保存论课题 。
保密的论课题在解密后应遵 守此规定

学校

学校可以公布论课

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武汉理工大学硕士学位论文

摘 要
水基切削液具有冷却效果好 、 可节约能源和提高工作效率等特点 , 日渐广
泛应用于金属加工工艺中 , 并且有逐步替代油基润滑剂的趋势 。 其中尤以水基

合成型切削液的优异性更为突出 。与传统的含矿物油乳化液

乳化油型 和微

乳化液 又称半合成液 相比 , 高水基合成型切削液由于完全不含机械油 , 在清洗
性 、防锈性 、 冷却性 、 加工可视性 、 抗菌性和稳定性等方面都具有显著的特点 , 而在国内逐渐获得广泛的应用 。
本课题结合绿色制造的理念 , 分析 了对切削液技术的新要求 , 探讨 了环保 型切削液的发展趋势 , 提 出了研发新型切削液的评价指标方法 。为了保护环境 ,

在研制过程中 , 限制使用对环境和人体有害的添加剂 。 在切削液具有较好的润
滑 、防锈 、冷却和清洗性能要求的条件下 , 自制和选用低毒 、低污染的添加剂

来制备环保型切削液 。 环保型生物降解添加剂 无毒型添加剂 是本课题重点研究 与应用的方 向 , 并选用具有一剂多用功能的添加剂的 , 减少添加剂的使用种类 。 例如 有机硼酸酷类 、铝酸盐等添加剂 , 进一步减少切削液对环境和人体健康
的危害 。 本课题根据切削工艺对切削液性能的要求 , 选择合适的添加剂 。首先 , 合 成和选择绿色添加剂的主要添加剂的合成和选用 二烯基丁二酸 、油酸三乙醇胺 葵二酸三乙醇胺 合成 、十 吐

合成 、 硼酸酷 , 铝酸钠

其他选用添加剂

温一 、碳酸钠 、 硼砂 、 硫脉 、苯 甲酸钠 、

、 无机消泡剂等 。

因为现在多数研究者用正交法或其他科学方法 , 选择一种切削液性能指标 为基础研制切削液 , 只能在切削液满足单一方面性能达到最优的基础上 , 得到
切削液的配方 , 很难满足切削液的其他性能最优的要求 。选择各种添加剂的基 础上 , 根据切削工艺的要求和国家标准 , 选择主要的实验指标 外观 、 存储安 定性 、透明度 、 值 、消泡性 、表面张力 、腐蚀性 、润滑性 。按照正交法分成 几种配方方案 , 然后对各配方方案的性能进行测试 , 并把模糊数学的一级数学 模糊模型应用到配方的优化 , 最后研制 出综合指标最优的环保型水基切削液配
方。

关键词

环保型 绿色 切削液 一级数学模糊模型

武汉理工大学硕士学位论文

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武汉理工大学硕士学位论文

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武汉理工大学硕士学位论文

目 录
第 章 绪论 金属切削过程 切削层与切削参数 切削过程 … … … … … … … …

影响切削变形的因素

… …

切削过程基本规律
切削液及其添加剂 切削液的作用 切削液分类及添加剂的研究进展 现代切削液特点和发展趋势 环保型 绿色 水基合成切削液概述

… …
… … … , … … … … … … …

传统切削液及其对外部系统的影响
环保型水基切削液国内外研究情况

… …
… …

环保型水基切削液研究方向 本课题研究的内容及主要 目标
课题研究 目标 课题研究内容 第 章 实验方法
主要实验仪器 … , …

… … … …
… … … … … …
… …

主要原材料 主要添加剂的制备 有机梭酸醇胺防锈剂的制备 硼酸酷极压抗磨剂的制备 实验设计
实验 内容和流程

… … … … … … … … … …
… …

配方设计的步骤 第 章 环保型水基切削液的最优配方的研制

…… … …

添加剂的选择

… …

武汉理工大学硕士学位论文

防锈剂的分析和选择

… …

极压润滑剂的选择 清洗剂的选择
其它添加剂的选用

… … … …
… …

最优配方的研制 环保型切削液正交试验方案 性能检测及评价方法 正交试验结果及最优配方的选择
第 章 环保型切削液性能检测及机理分析 性能检测 生物毒性检测 试验材料及方法
试验结果

… … … , … … … … … … …
… … … … … … … …
……

结果分析

… …

环保型切削液的机理分析
切削热 、放电效应与冷却作用
润滑作用

… …
… …
… …

腐蚀机理与防锈作用 清洗作用 第 章 结论

… … … … … …

参考文献 致 谢
附录

… , … … …
… …



武汉理工大学硕士学位论文

第 章 绪论
金属切削过程
金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分 。 金属切削过程是指将 工件上多余的金属层 , 通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状 、

尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程 。 在这一过程中 , 始终存在着
刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾 , 从而产生一系列现象 , 如切削变形 、 切削力 、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命 、卷屑与断屑等川。
对这些现象进行研究 , 揭示其 内在的机理 , 探索和掌握金属切削过程的基本规

律 , 从而主动地加以有效的控制 , 对保证加工精度和表面质量 , 提高切削效率 ,
降低生产成本和劳动强度 以及研制切削液具有十分重大的意义 。总之 , 金属切 削过程的优劣 , 直接影响机械加工的质量 、生产率与生产成本 。

切削层与切削参数
金属切削的过程是刀具与工件相互运动 、相互作用的过程 。 刀具与工件的
相对运动可 以分解为两个方面 , 一个是主运动 , 另一个是进给运动 。使工件与 刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动 , 称为主运动 。刀刃上选定点相

对于工件的主运动速度称为切削速度 。主运动特点是运动速度最高 , 消耗功率
最大 , 主运动一般只有一个 。保证金属的切削能连续进行的运动 , 称为进给运 动。 工件或刀具每转或每一行程时 , 工件和刀具在进给运动方向的相对位移量 , 称为进给量 。 进给运动的特点是运动速度低 , 消耗功率小 。 进给运动可以有几 个 , 可 以是连续运动 , 也可以是间歇运动 。 如图 一 所示外圆的车削运动 。

为切削刃某点切削速度 , 价为同一点的进给运动速度 , “。 为两个运动的合成速
度。

武汉理工大学硕士学位论文

待加工表面

主短动

图 一 外圆车削的切削运动与加工表面 金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的 。在切削过程中 , 刀具

的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层 , 被称为切削层 。切削层
的截面尺寸被称为切削层参数 。

切削过程

金属切削过程实际是被切削金属层在刀具的挤压下产生剪切滑移的塑性变 形过程 , 在切削过程中也有弹性变形 , 但与塑性变形相 比可以忽略 。而且切削 过程 中 , 还会产生积屑瘤 , 它反过来又对切削产生影响 , 以下对这两个方面分
别说明 。 金属切削过程的变形

金属在加工过程中会发生剪切和滑移 , 图 一 表示了金属的滑移线和流动轨

迹 , 其中横向线是金属流动轨迹线 , 纵向线是金属的剪切滑移线 。 一表示了 图
金属的滑移过程 。由图可知 , 金属切削过程的塑性变形通常可 以划分三个变形
区 , 各区特 点如下

第一变形区切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成 , 这一过
程区域称为第一变形区 。

切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形 , 当最大剪切应力超过材
料的屈服极 限时 , 发生塑性变形 , 如 图 一 所示 , 金属会沿 线时 , 这种滑移变形停止 , 线剪切滑移 ,

被称为始滑移线 。随着刀具的移动 , 这种塑性变形将逐步增大 , 当进入
被称为终滑移线 。 以金属切削层 中某一点的变 现

化过程来说明 。 由图 一所示 , 在金属切削过程中 , 切削层中金属一点

不断向

武汉理工大学硕十学位论文

刀具切削刃移动 , 当此点进入
的过程中继续滑移 , 当进入

线时 , 发生剪切滑移 ,
线上

点向 、 等点流动
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点时这种滑移停止 ,

为各点相对前一点的滑移量 。 此区域的变形过程可以通过图 一 形象表示 , 切削

层在此区域如同一片片相叠的层片 , 在切削过程中层片之间发生了相对滑移 。 与 之间的区域就是第一变形区
一 。

。 第一变形区是金属切削变形过程中最

大的变形区 , 在这个区域内 , 金属将产生大量的切削热 , 并消耗大部分功率 。
此区域较窄 , 宽度仅

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图 一 金属切削过程中滑移线与流线图

一 第一变形区金属滑移

第二变形区产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具 前刀面流出 , 在靠近前刀面处形成第二变形区 。 如图 一 所示 变形区 。

在这个变形区域 , 由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦 , 变形进 一步加剧 , 材料在此处纤维化 , 流动速度减慢 , 甚至停滞在前刀面上 。 而且 , 切屑与前刀面的压力很大 , 高达 一 , 由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具
面温度上升到几百度的高温 , 切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象 。发生粘结 现象后 , 切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦 , 而变成粘结层与其上 层金属的内摩擦 。 一 显示了发生粘结现象时的摩擦状况 。 图 由图可知 , 根据摩
擦状况 , 切屑接触面分为两个部分 粘结部分为内摩擦 , 这部分的单位切 向应

力等于材料的屈服强度
此部分的单位切 向应力 由

粘结部分以外为外摩擦部分 , 也就是滑动摩擦部分 ,
减小到零 。 图中也显示 了整个接触区域 内正应力
,

的分布情况 , 刀尖处 , 正应力最大 , 逐步减小到零 。
第三变形区金属切削层在 己加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩 擦而产生塑性变形部分的区域 。如图 一 所示 部分 。

第三变形区的形成与刀刃钝 圆有关 , 因为刀刃不可能绝对锋利 , 不管采用

武汉理工大学硕士学位论文

何种方式刃磨 , 刀刃总会有一钝圆半径 硬质合金刀具磨后约

。 一般高速钢刃磨后 。

。 一林 , 为 。 最小可达到

一 犯林 , 如采用细粒金刚石砂轮磨削 ,

一林 。 另外 , 刀刃切削后就会产生磨损 , 增加刀刃钝圆 。 图 一表示了考虑刀刃钝圆情况下 己加工表面的形成过程 。 当切削层以一定 的速度接近刀刃时 , 会出现剪切与滑移 , 金属切削层绝大部分金属经过第二变 形区的变形沿终滑移层 方 向流出 , 由于刀刃钝圆的存在 , 在钝圆
段的挤压和摩擦 , 经过

点以下

有一少部分厚 △ 的金属切削层不能沿
部分经过刀刃钝 圆 点后 , 受到后刀面

方向流出 , 被刀刃钝圆挤压过去 , 该
段后 , 这

部分金属开始弹性恢复 , 恢复高度为 △ , 在恢复过程中又与后刀面 生摩擦 , 这部分切削层在
, ,

部分产

段的挤压和摩擦后 , 形成了已加工表面

的加工质量 。 所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响 。 以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的特点进行了介绍 , 如 果将这三个区域综合起来 , 当金属切削层进入第一变形区时 , 金属发生剪切滑

移 , 并且金属纤维化 , 该切削层接近刀刃时 , 金属纤维更长并包裹在切削刃周
围 , 最后在 。点断裂成两部分 , 一部分沿前刀面流出成为切屑 , 另一部分受到 刀刃钝 圆部分的挤压和摩擦成为已加工表面 , 表面金属纤维方 向平行 己加工表 面 , 这层金属具有与基体组织不同的性质 。

图 一切屑与前刀面的摩擦图
积屑瘤 的形成及对加工影响

一 加工表面的形成过程

在一定的切削速度和保持连续切削的情况下 , 加工塑性材料时 , 在刀具前
刀面常粘结一块剖面呈三角状 的硬块 , 这块金属被称为积屑瘤 。

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积屑瘤的形成可以根据第二变形区的特点来解释 。 当金属切削层从终滑移面

流出时 , 受到刀具前刀面的挤压和摩擦 , 切屑与刀具前刀面接触面温度升高 , 挤压力和温度达到一定的程度时 , 就产生粘结现象 , 也就是常说的 “ 冷焊 ” 切 。
屑流过与刀具粘附的底层时 , 产生内摩擦 , 这时底层上面金属出现加工硬化 , 并与底层粘附在一起 , 逐渐长大 , 成为积屑瘤 , 如图 一所示 。

图 一 积屑瘤对加工影响

积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关 , 而且也与刀刃前区的温度和
压力有关 。一般材料的加工硬化性越强 , 越容易产生积屑瘤 温度与压力太低 不会产生积屑瘤 , 温度太高也不会产生积屑瘤 。与温度相对应 , 切削速度太低 不会产生积屑瘤 , 切削速度太高 , 积屑瘤也不会发生 , 因为切削速度对切削温 度有较大的影响 。 积屑瘤硬度很高 ,是工件材料硬度的 一 倍 , 能同刀具一样对金属进行切削 。 它对金属切削过程会产生如下影响 。

实际刀具前角增大刀具前角

。 指刀面与基面之间的夹角 , 如图 一所
, 角度 , 如把切屑瘤看成是刀具

示 , 由于积屑瘤的粘附 , 刀具前角增大了一个

一部分的话 , 无疑实际刀具前角增大 , 现为 。 。 刀具前角增大可减小切削 。 力 , 对切削过程有积极的作用 。 而且 , 切削瘤的高度 越大 , 实际刀具前角也
越大 , 切削更容易 。

实际切削厚度增大由图 一 可以看出 , 当切削瘤存在时 , 实际的金属
切削层厚度 比无切削瘤时增加了一个 △ 利 的 。值得注意的是这个厚度 △
, 显然 , 这对工件切削尺寸的控制是不

的增加并不是固定的 , 因为切削瘤在不停变

化 , 它是一个产生 , 长大 , 最后脱落 的周期性变化过程 , 这样可能在加工中产
生振动 。

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加工后表面粗糙度增大积屑瘤的变化不但是整体 , 而且积屑瘤本身也 有一个变化过程 。 积屑瘤的底部一般比较稳定 , 而它的顶部极不稳定 , 经常会
破裂 , 然后再形成 。破裂的一部分随切屑排除 , 另一部分留在加工表面上 , 使

加工表面变得非常粗糙 。 以看出 , 如果想提高表面加工质量 , 必须控制积屑 可
瘤的发生 。

切削刀具的耐用度降低从积屑瘤在刀具上的粘附来看 , 积屑瘤应该对 刀具有保护作用 , 它代替刀具切削 , 减少了刀具磨损 。 但积屑瘤的粘附是不稳 定的 , 它会周期性的从刀具上脱落 , 当他脱落时 , 可能使刀具表面金属剥落 ,
从而使刀具磨损加大 。 对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显 。

影响切削变形的因素
前面对金属切削变形的特点作了介绍 , 这节将对影响金属切削变形的因素 进行分困 ,。 主要从工件材料 、刀具几何参数 、 切削厚度和切削速度四个方面进
行介绍 。

工件材料
通过试验 , 可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系 , 随着工件材 料强度的增大 , 切屑的变形越来越小 。
刀具几何参数

在刀具几何参数中 , 刀具前角是影响切屑变形的重要参数 , 刀具前角影响切

屑流出方向。由图 一 可以看到 , 当刀具前角 犷 增大时 , 沿刀面流出的金属切 口 削层将 比较平缓的流出 , 金属切屑的变形也会变小 。在同样的切削速度下 , 刀
具前角 口 愈大 , 材料变形系数愈小 。 此外刀尖圆弧半径对切削变形也有影响 ,

刀尖圆弧半径越大 , 表明刀尖越钝 , 对加工表面挤压也越大 , 表面的切削变形
也越大 。
切削速度

由图 一 可以看出 , 随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减 ,
而是在某一段有一个波峰 , 这实际是积屑瘤产生的影响 。所 以切削速度对材料 变形的影响分为两个段 , 一个是积屑瘤这一段 , 另一个是无积屑瘤段 。

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图 一切削速度变化的材料变形系数 曲线 在积屑瘤段 , 切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的

影响来实现的 。 在积屑瘤增长阶段 , 积屑瘤随着切削速度的增大而增大 , 积屑 瘤越大 , 实际刀具前角也越大 , 切屑的变形相对减少 , 。随着速度的增加 , 积屑
瘤增大到一定程度又会消退 , 在消退阶段 , 积屑瘤随着切削速度的增加而减小 , 此时处于 曲线的波峰位置 。 避开这一积屑瘤段 , 材料变形系数是随着切削速度的增加而减小 。主要是 因为塑性变形的传播速度 比弹性变形的慢 , 速度低时 , 金属始剪切面为 速度增大到一定值时 , 金属流动速度大于塑性变形速度 , 在 变形 , 相当于始剪切面后移至 ’面 见图 一 终剪切面 也后移至
, 当

面金属并未充分 ’ ,

第一变形区后移 , 使得材料变形系数减小 。另外 , 速度越大 , 摩擦系数减小材
料变形系数也会减小 。

图 一 切削速度对剪切面的影响
切削厚度 进给量 即切削厚度 对切屑变形的影响 , 在无积屑瘤段 , 进给量 越大 ,

材料 的变形系数 古 越小 。

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切削过程基本规律
金属变形 、切削力 、切削温度 、刀具磨损和工件表面质量随切削条件的变

化规律是金属切削过程的基本规律 , 直接关系到刀具的寿命 、加工尺寸精度和
表面粗糙度 、切削效率及切削加工的经济性 。因此 , 只有认识和掌握 了切削过

程的基本规律 , 才能有针对性的研制符合工艺要求的 。 在切削过程中 , 要使切削温度和切削力得到最大限度的降低 , 提高刀具寿 命和工件尺寸精度及表面质量 , 除选择最佳切削条件和最佳刀具材料及其几何 角度等外 , 合理地选用机械加工工艺的重要配套材料即切削液也是一个重要途 径 , 有时甚至起着决定性的作用 。因此 , 对切削液进行深入研究和合理使用 ,
不仅在 目前 , 就是在将来较长的一个时期内 , 仍然是金属切削加工中的一个 普
遍 问题 。

切削液及其添加剂
切削液的作用
金属切削过程中 , 刀具切入被加工材料 , 产生切割作用 。被加工材料受到 刀具前刀面的推挤和摩擦 , 沿着某一斜面滑移 , 产生塑性变形 , 形成切屑 。在
切削过程 中 , 切屑以很大的压力 可达 及相当快的速度沿刀具面流出 被加工形成的表面 , 不仅产生一定的塑性变形 , 而且以相当大的弹性变形抗力 , 作用于刀具的后刀面上 。由于金属的塑性变形 、切屑与刀具前刀面的摩擦和被
加工形成表面与刀具后刀面的摩擦 , 在切削过程 中 , 产生大量的热 。 有人估算
,

切削过程中所消耗的能量 , 只有
以上能量都转化成热 。 其中约
很高 切削加工时最高可达

一 以残余应力的形式储存于切屑和工件中 ,
消耗于切屑的塑性变形 , 消耗于摩擦 。

由于刀具的切削区域很小 , 摩擦产生的热量集 中 , 因之切屑与刀具界面的温度 ℃ 磨削加工时可达 ℃ 。刀具在高温下 , 硬 刀具的使用寿命与

度和强度都将大幅下 降 , 严重影响使用寿命 。有资料记载 切削刀具温度 的

次方成反比例 。 次方不一定准确 , 但刀具的温度 , 严重影

响刀具的使用寿命是可信 的 。降底具温度 , 是提高刀具寿命的关键 。降低刀具

温度的主要途径有两个

一是加速冷却 , 将热量及时散掉

二是降低刀具摩擦

面上的摩擦系数 , 减少热量的产生 。合理使用切削液 , 是解决问题的主要途径 。

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要使切削温度和切削力得到最大限度的降低 , 提高刀具寿命和工件尺寸精度及 表面质量 , 除选择最佳切削条件和最佳刀具材料及其几何角度等外 , 切削液也 是一个重要途径 , 有时甚至起着决定性作用 。因为切削液具有以下主要功能
润滑作用

切削液能在刀具的前 、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜 , 可减少或避

免刀具与工件或切屑间的直接接触 , 减轻摩擦和勃结程度 , 因而可以减轻刀具
的磨损 , 提高工件表面的加工质量 。 切削速度对切削液的润滑效果影响最大 ,

一般速度越高 , 切削液的润滑效果越低 。 切削液的润滑效果还与切削厚度 、 材 料强度等切削条件有关 。切削厚度越大 , 材料强度越高 , 润滑效果越差 。
冷却作用

流出切削区的切削液带走大量的热量 , 从而降低工件与刀具的温度 , 提高 刀具耐用度 , 减少热变形 , 提高加工精度 。不过切削液对刀具与切屑界面的影
响不大 , 切削液只能缩小刀具与切屑界面的高温区域 , 并不能降低最高温度 , 一般的浇注方法主要冷却切屑 。 切削液如喷注到刀具后面处 , 将对刀具和工件 的冷却效果更好 。

切削液的冷却性能取决于它的导热系数 、比热容 、汽化热 、 气化速度及流
量、 流速等 。 切削热的冷却作用主要靠热传导 。 因为水的导热系数为油的 一 倍 ,

且比热也大一倍 , 所以水溶液的冷却性能比油好 。 切削液 自身温度对冷却效果影响很大 。切削液温度太高 , 冷却作用小 , 切
削液温度太低 , 切削油粘度大 , 冷却效果也不好 。
清洗作用

金属切削加工过程中 , 经常产生一些细小的切屑 、金属粉末及砂轮沙粒灰

末等 。为了防止这些细小的切屑及粉末互相粘结或粘结在工件 、刀具 、 模具上 , 影响工件的表面粗糙度和精度 、刀具的使用寿命 , 因此 , 要求切削液具有 良好
的清洗作用 。一是减 少细小切屑及粉末 的粘借 以利清洗 二是利用微乳化液的

清洗作用将这些切屑和灰末冲走 。 切削液的清洗作用好坏与其渗透性 、流动性 、 粘度 、使用压力等有关 。 而渗透性和流动性与切削液组成成分有关 。
防锈作用

在金属加工工程 中 , 工件和机床周 围介质如水分 、氧气 、手汗 、酸性物质 及空气 中的灰尘侵袭而产生锈蚀 。在高温 、高湿季节或潮湿地 区 , 这种锈蚀尤

为突出 。同时根据我国加工的金属制件在车间周转时间长的现状 , 必须要求切
削液本身不但对机床 、刀具和工件不产生锈蚀 , 而且对金属制品应具有很好的

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防锈性能 。

切削液防锈性能的好坏 , 取决于切削液的配方和其中防锈添加剂的性能 。 对于切削液防锈性能的选择 , 应根据机床的精密程度 、 行业特点 表行业 、工艺条件 、工件材质和其他要求综合考虑 。 上述切削液的冷却 、润滑 、清洗 、防锈四个作用并不是孤立的 , 而是相互 影响 , 各有侧重的有机统一体 。 油基切削液的润滑性 、防锈性较好 , 但冷却性 、 清洗性稍差 水基切削液的冷却性 、清洗性较好 , 但润滑性 、防锈性略差 。因
此 , 对于每一种切削液来说 , 这四个性能不可能都是优 良的 , 应当根据具体情 况抓住主要矛盾 , 兼顾其他方面进行合理配制和选用 。

如轴承 、仪

此外 , 切削液除了以上四种功能外 , 还应具有 良好的储存稳定性 、抗菌防 腐性以及抗硬水能力 , 对人体和环境无害 , 便于回收 、 排放等 。

切削液分类及添加剂的研究进展
随着切削技术的提高 , 切削液的种类越来越多 。 按其类型大体可以分为油基
切削液和水基切削液两大类 。其中油基切削液又分为非活性型和活性型等 水 基切削液又分为半合成型 、 全合成型 、 乳化油型 、 化学溶液型等〔 。 ’ 金属切削液

的主要类型与分类见表 一。

表 一 金属切削液的主要类型与分类 油 基


非活性型 型

脂肪油 豆油 、菜籽油 、妥儿油 、牛油 、鱼油 、猪油 油 等


液 水


混合油 极压油 矿物油 活性型 型 极压油 矿物油
其他合成型切削液 液 乳化油型 矿物油 表面活性剂

动植物油或油性剂等 非活性极压剂 油性剂等 活性极压剂 油性剂等

切 削 液

合成液型 不含矿物油 , 只含大量表面活性剂

极压添加剂

油性剂

防锈剂等

半合成液型 无机盐类 、 剂 化学溶液型 含少量矿物油 表面活性剂 极压添加剂 有机胺 表面活性剂

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非水溶性切削油
其组分包括基础油 、 摩擦学添加剂 、 辅助添加剂 。 基础油主要有矿物油和合 成油 , 矿物油基本上是润滑油馏分 , 按其原料油来源可分为石蜡基和环烷基两种 类型 。 合成油由于其分子结构是人为设计的 , 因而它的理化性质和机械性质 比矿 物油更趋合理 。 由于其润滑性能优异 , 在航天 , 核工业等得到广泛的运用 。目前 在金属切削油中引入合成油添加剂也屡有报道 , 如 聚醚油 十二烯基丁二酸醚 、
聚丙二醇醚等 , 合成酷 , 如 双醋多元醇酷 , 这些品种油剂粘温特性好 , 粘度

指数高 , 低温流动性好 , 无毒 , 氧化安定性好 , 可生物降解 。 摩擦学添加剂可分为油性添加剂和极压添加剂 。油性添加剂典型的有植物
油 , 动物油脂 , 聚合脂肪酸及其皂 , 脂肪醇及其多元醇 , 硫化油脂 , 酮类 , 胺类

等有机化合物 。 这些物质的分子具有极性基 , 能在金属表面形成定向吸附膜 。 在 金属切削加工中 , 此膜能够减少工件 、 切屑 、 刀具之间金属的直接摩擦 , 降低工
件表面粗糙度 , 提高工件精度并延长刀具的使用寿命 。 不过 , 有油性剂形成的润 滑膜适用于低温低压工况 , 在较苛刻的金属成型和机械加工条件下通常无效 。 除天然脂肪外 , 以上讨论的物质很少能满足金属加工润滑剂的所有要求直

接应用 。 几乎所有的润滑剂都要求将各种添加剂加入只具有粘度特性的物质中 , 以提高摩擦特性和其他必需的实际应用特性如抗氧化性 、抗腐蚀性 、防锈性和
清洗性等 。抗磨极压剂是切削液中的功能添加剂 。 传统的抗磨极压剂主要有硫

系 , 氯系 , 磷系极压剂 。 通过高温下添加剂所含硫 、氯 、磷等原子与金属表面
发生化学反应形成化学反应膜 。如硫系添加剂中的硫原子与金属反应在金属表 面生成多孔状的 等金属盐 , 一方面可以容纳润滑剂 , 更有效地形成物理吸附

膜 , 另一方面这类盐剪切强度较低 , 溶点高 , 从而起到减摩抗磨的作用 。最近 几年 , 人们逐渐致力于研制油溶性好 , 配伍性好具有多效性的磷氮型抗磨添加 剂,如 、 磷氮型无灰抗磨添加剂 , 新型磷酸酞 双磷酞胺 , 苯三吟 有机磷衍生物 , 各种烷基磷酞酷 , 亚磷酸酷胺盐 。据报道 , 二烷基亚磷酸醋是 优 良的抗磨极压剂 。 但大多数磷酸醋油溶性较小 , 化学活性高 , 而将其制成胺 盐性能得到改善 , 最近发现高碱性磺酸盐 包括钙钡钠盐 在重载荷金属加工中用 作惰性极压剂
, 能在金属界面形成物理覆盖的碳酸盐保护膜 , 具有低剪切

强度 , 可单用或与传统的极压剂复合 , 当与活性和无活性的硫化物复合时亦有
协 同作用 。此外有关纳米金属粉能改善润滑油的极压性能的课题章也见诸报道 。

上海大学采用游离氯固定技术研制的含氯

添加剂 在不锈钢切削油 、 攻丝油

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及钢冷拔油中已得到优 良的实用效果 , 解决了氯系添加剂长期以来难以克服的
锈蚀 问题 。

硼酸及无机硼酸盐的研究是个热点 。 无机硼酸盐不仅具有 良好的减摩抗磨
性能和抗氧化安定性 , 而且无毒无臭对金属不腐蚀 , 不污染环境 , 唯一的不足
是需要采用大量的表面活性剂 , 如采用石油磺酸盐及丁二酞亚胺等分散剂 , 以

保证硼酸盐颗粒均匀悬浮在油中 。关于硼酸盐润滑油添加剂抗磨作用机理的解 释有多种 , 一种是水合硼酸盐添加剂具有压溶性 , 即类似冰在有压力下形成冰 水混合物的性质 。 还有人提出渗硼观点 , 即硼酸盐添加剂在摩擦表面形成了硼 的间隙化合物
, 这种间隙化合物能溶解游离态的硼形成固溶体 , 从而在摩

擦表面形成复杂的渗透层 。由于无机硼酸盐在油中的分散稳定性差及水解稳定 性不够 , 所以研究油溶性的有机硼酸盐 , 使得其既具有优异的摩擦学性能及抗 氧抗磨性又能在不需分散剂的情况下溶于润滑油中 , 正是硼酸盐发展的一个方 向 。另外 , 无机硼酸盐的纳米学研究也正在开展 。实验证明纳米硼酸盐粒子加
入基础油中能显著提高切削液的抗磨性能 油基润滑添加剂还包括防锈剂 。 梭酸盐 、 磺酸盐 、 旨醇 类 、 酉 磷酸盐等 抗

氧化剂如酚类 、 胺系 、 硫系 烯酸醋等

降凝剂如氯化石蜡和蔡的聚合物 、聚烷基甲基丙

还有抗泡剂 、杀菌剂 、消雾剂等 。杀菌剂如戊二醛等 , 有 日本研究

人员另辟蹊径 , 利用草木灰提取物 配制而成的切削液杀菌效果相当不错 。 消雾
剂是油基添加剂中不可忽视的一个组分 , 因为它直接关系到操作工人的健康问 题。 美国的 等人研制的 消雾剂效果很好 , 能减少 一 的油雾 , 而

在切削液中

含量不到

一 。以上这些辅助添加剂视具体情况而定 , 同时需

考虑彼此的协同或弱化作用 。

水溶性切削液
水基润滑剂的优点是冷却性好 , 价廉易得 , 加工件易清洗 , 主要用于高速 切削加工工序中 。近年来 由于水基润滑剂的组分的改进 , 大大提高了它的润滑 性能和防腐蚀能力 , 因而需求量 日渐增大 , 尤其在对铝和铜材加工方面 。水基
润滑添加剂可分为油溶性和水溶性两种 。油溶性添加剂的使用性能同矿物油中 的一样 。为使油溶性添加剂分散到水 中需加入表面活性剂 。水溶性添加剂可在 油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得 。 如 一
,一 ,一

等。

水溶性切削液可 以分成乳化液 , 全合成液和半合成液三类 , 都可用于轻 中高负 荷的切削加工 。

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乳化型切削液

乳化液是将浓缩液用水稀释而成的乳状液体 。 乳化液将油的润滑性和防锈
性与水的优异的冷却性能结合起来 。它对于有大量热生成的高速低压力的金属 切削加工是很有效的 。乳化液中极压剂类同切削油 , 也有一些新的剂型 , 它们

通过在油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得

水溶性添加剂效果更好 ,

如果分子中同时还具有油性基团 再在分子中引入适当的活性极压元素 , 如 、 、 、 。 或极压基团 , 就可能兼有油性剂及极压抗磨剂的双重功效 。一般 、

具有润滑作用的油性物均可作为油性剂 , 如油酸类添加剂 油酸钠皂 、 油酞三乙
醇胺 、 油酸酷 、 油酸硼酸酷等 。 此外 , 含稀土元素的有机化合物 , 无机硅酸盐 , 有机硅化合物在水基切削液中有 良好表现 , 如硅酸钠与亚磷酸二正丁酷有较好 的配伍性 , 比例合适时能更好地发挥硅酸钠在水基液中的抗磨减摩性能 。研制
性能优 良的水溶性极压抗磨添加剂是研究人员追求的 目标 , 最近南昌大学的林

峰合成了一种水溶性稀土配合物
结果表明 , 在水中的含量为

二壬基酚聚氧乙烯醚磷酸饰 ” ,,实验 一 ”
质量分数 左右时可显著改善水的极压性

能。 这方面潜力很大 , 有待深入研究 。
在水溶性切削液中防锈剂必不可少 。防锈性能对于加工部位的质量 、产品 合格率以及机床的保养等有着十分重要的意义 。 锈性 良好且价格低廉的防锈剂 首推亚硝酸盐 , 但它属于致癌物质 , 己在许多国家被禁止使用 。 此外常见的防
锈剂有如下几种 磷酸盐 , 它能在金属表面形成钝化膜从而具有防锈作用 ,

以聚磷酸盐为典型
属腐蚀抑制剂

硅酸钠 在水溶液中以带负电荷的胶体粒子形式存在 ,
苯甲酸钠 属于有机水溶性缓蚀剂 , 它的保护作用是在金

属表面形成不溶性的络合膜 , 但仅对钢有效 , 对铝 、 、 锌 铸铁反而会加速腐蚀

单乙醇胺 , 二乙醇胺 , 三乙醇胺 , 这些短期内可有效防止钢件生锈 , 且与
苯 甲酸钠有协同效应 还有硼砂 , 石油磺酸盐等 。 最近又有多种新型防锈剂报 一 , 低碳酸有机防锈剂等 。 导 , 如含硼添加剂 , 含氮添加剂 , 硫磷型 ,

水基液中表面活性剂和其它辅助添加剂都非常重要 常见的表面活性剂有 阴离子型 醚等 如脂肪酸皂 , 石油磺酸盐 非离子型 山梨糖醇醋 , 聚 苯

阳离子系如脂肪酸烷基酞胺等 。阳离子系活性剂防锈较好 , 非离子

系则表现 出较好的渗透性和清洗性 。其它的辅助添加剂如非铁金属防蚀剂

三哇 、咪哇琳 、硫代重氮多硫化物 、烷基二硫代苯骄咪哇 、二烷基二硫代磷酸

锌等等

防腐剂

邻苯基苯酚 、四氯代酚 、对氯间二 甲基酚 、六氢化三叮嗦 、 消泡剂 硅油乳剂 、高级醇 。这些

三澳水杨酞胺和二澳水杨酞胺的混合物等

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辅助添加剂虽然添加量很少却不可忽略 , 同时与主功能添加剂的复合过程中有 否配伍性也是必须考虑的 。 合成切削液 ‘ , 一 由于世界性能源的严重危机和 自然环境的严重污染 , 对金属切削液的研究

越来越引起人们的高度重视 , 一些工业比较发达的国家早已广泛采用了水基金
属切削液技术 , 水基合成切削液它是一种不含矿物油和动植物油 、不含亚硝酸 钠和硫 、氯型 、 添加剂 、水溶液清晰透明 、无毒 、无刺激 、无异味的冷却润滑 液, 一 乳化液 直为
, 化学耗氧量为乳化液的十分之一 , 性质稳定 , 可长

期使用 , 使用周期为一般乳化液的



倍 , 没有一般乳化液分油变质 、发

臭的现象 , 有利于工厂环境保护和操作工人身体健康 。
在我 国一些润滑 、冷却 、清洗 、防锈性能更佳的合成型水基切削液 已引起

了国内有关方面的关注并正在快速发展 , 在提高切削速度和工作表面质量方面
取得了一定成效 , 这充分说明合成性水基切削液是一种环保型产品它具有优 良 的冷却 、 清洗 、润滑 、防锈 、抗极压性较强的切削液 , 对人体无毒 、无害 、无
刺激 , 对环境无污染 , 所加工产品表面光滑 、光亮 、无锈 、 特别是在夏季长期

使用

一 天无异味变质 , 可以推论合成水基切削液的广泛使用必将是取代乳
水基合成切削液是一种 以水代油进行加工冷却的工艺方法 , 它可代替乳化

化油的理想产品 。

液做机床加工的冷却润滑液水基切削液分真溶液和离子型切削液两种 。 真容液

主要以无机盐和水配制而成 , 具有 良好的防锈性和高度的润滑性 。 离子型切削
液其母液主要以有机阴离子表面活性剂 , 非离子表面活性剂和无机盐配制而成 , 其母液在水中能分解出各种强度的离子 , 这种切削液具有 良好的冷却 、清洗 、
防锈和润滑性能 。 可提高切削速度 速度 工效
, 延长刀具使用寿命 , 可满足砂轮线

一 米 秒高速强力磨削时润滑冷却的需要 , 提高工件表面光洁度 , 提高 、每吨水基金属切削液可代替
微乳液

吨乳化液 , 节约费用犯



半合成液切削润滑剂是半透明或透明的液体 , 又称微乳液 。乳化微粒直径
小于 阿 , 其浸透性 , 清洗性和冷却性极佳 , 并且便于观察 , 它集乳化液和合成

液的优点于一身 , 又具有合适的极压性能 , 是非常有发展前景的一类切削液‘ ,。 ” 但它的稳定性不及全合成型 , 容易起泡沫 可通过加消泡剂加以解决 。 其主要成 分是水和表面活性剂 , 矿物油 、 脂肪油和极压剂含量均低于乳化油 。

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现代切削液特点和发展趋势

世纪科学技术的发展迫切需要解决的问题是节约能源和保护环境 。 新的 机械设备朝着缩小体积 、 减轻质量 、 增大功率 、 提高效率 、 增加设备可靠性和 环境友好方向发展 。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 , 对机械加工的配套材料金属切削液提出了更苛刻的要求 。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 , 由于切削液会对环境和
人体造成污染和损害 , 因此切削液的使用和废液的处理已受到环保法规 日益严 格的制约 。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
特点和趋势 。

现代切削液的特点
高性能 、长寿命 、 低污染切削液的开发与应用 切削液分水溶性和非水溶性 油性 种 , 在非水溶性切削液中 , 为了提高切

削性能满足加工精度要求必需加入各种极压添加剂 , 其中也有氯系极压添加剂 。 通常 , 氯系极压添加剂是最廉价和最有效的极压添加剂 , 但是在焚烧非水溶性 切削液的废液时 , 会有毒性 、致癌性 、畸形性的二氧环 己烷产生 。因此 , 迫切 要求非水溶性切削液 “ 非氯化 ”。 在德国和北欧 , 较早以前就 已禁止使用氯系
极压添加剂 。 由于许多国家的饮用水大多取 自地下水 , 切削液废液的排放 , 就直接影响 饮用水的污染 。因此在许多国家 , 不仅禁止切削液的随意排放 , 就连非水溶性

切削液洒落在机床外部也是不许可的 , 使用后的切削液废液的管理及其限制也 必须严格执行 。 这样一来 , 提高切削液的使用寿命 , 减少切削液的废液排放就
显得很有必要 。

这些为保护环境而加强的规定 , 使得切削液的设备 、管理 、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 。在发达国家 , 合成切削 液 己普遍使用 , 并正在大力研究环保型切削液 。 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 , 所需切削液如长期依赖进 口 , 因价格昂贵 , 将使生产成本大副上升 。因此 , 研制高性能切削液 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 , 且己开始从乳化液向性能好 、 寿命长的合成切削液 。目前 , 国内外切削液研究的重点内容包括 研制高性能

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切削液 , 研究延长切削液使用寿命的供液方法 以减少废液的排放量 污染物在环境中的积累 。 通用型多功能型产品的开发与应用

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

传统切削液的使用加工材质 比较单一 , 许多产品的使用只能针对某一种材 质。 通常能加工铸铁类金属的切削液却不能加工不锈钢 , 能加工不锈钢材料的 却不能加工铝 、铜等有色金属 。随着加工中心 、数控机床等先进设备的引进 ,

机械加工业市场的发展 , 单一产品 、单一材质的加工己比较少见 。 许多机械加
工厂进行的是来料加工 , 多种材质混在一起进行加工作业 。因此 , 如何开发通 用型产品以满足新型加工的需要 , 是所有切削液生产厂商急需解决的问题 。目

前国外大的石油公司都已经做了这方面的工作 , 如嘉士多石油公司 , 公司的一些产品已具备了通用型和多功能型的性能 。
“ 最小润滑 ” 技术的开发与研究

石油

传统的切削液供液方法常采用浇注法 , 尤其对于水溶性切削液 , 通常是将 一定压力 、较大流量的切削液喷射覆盖到切削区 , 以起到润滑 、 冷却等作用 。 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调整几何参数的 情况下 , 通常也不会 或很少 改变切削液用量 。 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 。他们在福特公司所做的实验中 ,

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 、积屑瘤和切削力等作了分析 , 通过实验得出了最适当的切 削液用量 。美国 制造公司正全力研究 “ 最小润滑 ” 加工技术 , 使切削液
程序控制 , 效果十 液流或气雾通过刀具作用于加工区域 , 切削液的流量 由

分理想 。既减少了切削液的使用量 , 降低 了成本 , 又减少了废液排放 , 有利于 环境保护 。

切削液的发展趋势
高性能水性产品的开发应用 由于有效 的水溶性极压添加剂的缺乏 , 水溶性切削液产 品在加工精度较 高

的场合的应用受到了一定度的限制 , 许多精密机床进行的高精密度的加工都使 用非水溶性切削液 。 近期 , 由于原油价格的不断上涨 , 油性切削液产品的价格
也随之高涨 , 许 多机械加工业厂家 的生产成本相应增加 。为了减少生产成本 ,

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提高产品的市场竞争力 , 大量的机械加工厂商希望用性能优 良的水溶性切削液 代替非水溶性切削液 。如何开发性能优 良的水溶性切削液产品己成为科研人员 关注的问题 。 绿色切削液的开发 大力开发对生态环境和人类健康负作用小 、加工性能优越的切削液 , 朝着 对人和环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 此 供液参数和加强使用管理 , 以延长切削液的使用寿命 , 减少废液的排放量

外 , 还应进一步研究废液的回收利用和无害化处理技术 。此外 , 为了达到环境
保护的 目的 , 非水溶性切削液还需要尽可能地对环境不产生污染 。目前仍在使

用的极压润滑剂主要是含有硫 、磷 、氯类的化合物 , 如硫化烯烃 、 硫化动植物 油、 硫脉 、磷酸酷 、氯化石蜡等 , 它们在高温下与金属表面发生化学反应生成 化学反应膜 , 在切削中起极压润滑作用 。 它们的润滑性能很好 , 但对环境有污 染 , 对操作者有害 。随着人们环保意识的加强 , 现在对此类添加剂有了一定的 限制 。 国内外正在着手研究其替代物 。 近年来 , 无毒无害的硼酸盐 酉 类添加剂 旨
受到了广泛的重视 。目前研究开发的重点是 植物油和合成醋所代替 。 矿物油逐渐被生物降解性好的 开 非水溶性切削液逐渐被水溶性切削液所代替 。

发性能优 良且对人体无害和对环境无污染的添加剂 。 切削液的绿色使用 推广集中冷却润滑系统 , 即把机械加工设备各 自独立的冷却润滑装置合

并为一个冷却润滑系统 , 使切削液维护管理上水平上台阶 。 液处理新工艺 、 新技术 , 以确保排放的废液对环境无污染 。

研究干切削和最

少量润滑切削 , 以减少切削液的使用量和废液的排放 。 研究和推广切削液废

环保型

绿色

水基合成切削液概述

传统切削液及其对外部系统的影响
传统的金属切削加工 , 尤其是在 自动化程度较高的数控机床 、加工中心及
自动化生产线上零件 的加工 , 是 以大量使用切削液 的湿切削方式进行 的 , 切削 液的应用非常广泛 。切削液具有冷却 、润滑和辅助排屑等功能 , 起着延长刀具

使用寿命 、提高工件表面质量的重要作用 。目前使用的切削液主要分为不含水
的油基切削液和主要成分为水 的水基切削液两大类 , 油基切削液润滑性能好 、

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冷却性能差 , 水基切削液则相反 。 湿切削加工中切削液的大量使用 , 对外部系 统造成的负面影响也 日益凸显出来 , 主要包括 以下几个方面 。

污染生态环境
切削液是机械加工工业对生态环境造成污染的根源 , 严重影响着绿色制造 、 循环经济和可持续发展战略的实施 。 切削液对环境的危害主要是其废液对水资
源的污染 。矿物油是切削液的主要成分之一 , 其生物降解性差 , 能长期残留在

水和土壤中 。 水中含油量大于 一 几 , 就会使海洋植物死亡 , 含油量达到 礴 而几可使淡水鱼死亡 。 此外 , 切削液中还含有 、 、 等对环境有害的添加 剂 。未经处理的切削液排入江河湖海 , 会对生态环境造成严重破坏
还会或多或少的残 留在切屑上 , 大量堆积的切屑对土壤造成污染 用时 , 切削液的有毒有害化学成分还会污染环境 。

即使排放

的废液经过严格的矿物油回收处理 , 其在水中的长期积累也不容忽视 。 切削液
切屑回收利

危害人体健康
使用切削液时产生的油雾 以及切削液散发的刺激性气味会对操作工人的呼

吸系统产生危害 。 水基切削液中为改善切削性能而加入的添加剂如亚硝酸钠防 锈剂 、苯酚类杀菌剂 、甲醛类化合物等均具有毒性 , 长使皮肤干燥 、裂 口、红 肿从而诱发多种皮肤病 。 美国 汽车公司的专门调查研究表明 , 直接 接触切削液的操作工人比不直接接触切削液的装配工人和从未在机床上工作的
工人患呼吸系统疾病的多 。

提离制造成本
切削液的大量使用增加了生产成本 , 不利于企业提高核心竞争力 。日本精 密工程协会的研究表明 使用切削液一项的费用约占零件制造成本的 液的费用更高达制造成本的
, 磨削

左右 , 其中也包括因环保要求对切削液及粘带切 而刀具费用才约 占制造成本的 。

削液的切屑进行的无害化处理费用

环保型水基切削液国内外研究情况
在切削液 中为了使切削液具有较好 的润滑 、防锈 、冷却和清洗性能 , 通常

在其 中加人大量的添加剂 , 这些添加剂通常含有硫 、磷 、氯 , 亚硝酸钠等会产

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生较重的环境污染 , 从 目前情况看 , 在很长一段时间内 , 大多数切削加工还离
不开传统切削液 。因此 , 在保证切削液综合性能的基础上 , 人们正在大力推广 应用低毒 、 低污染的绿色切削液 。目前研究方 向主要集中在改进切削液中的添 加剂 , 开发出新的无污染的添加剂 。 在机械制造业广泛采用的水基切削液具有导热系数大 、冷却 、润滑和防锈

性能好等优点 , 但 目前市面上的水基切削液以对人体有致癌作用的亚硝酸钠 、 铬酸盐等物质为防锈剂和防腐剂 , 不仅其废液难于处理 , 并且对人类和环境会
造成危害 。因此 , 应尽可能选择新型环保水基切削液 。 我国的研究人员开发出性能优 良且对人体无害和对环境无污染的添加剂的
方法研制 出了若千环保型绿色切削液 , 取得了可喜的成绩 , 以下是部分研究成

果。 重庆大学以松香和多元胺为主要原料 , 合成出一种无毒 、 润滑和防锈性能 优越的非离子表面活性剂 , 并以此离子表面活性剂为防锈剂制出新型环保水基
切削液浏 。对该切削液按国标 一 进行检测 , 其各项性能指标都达到或 超过 了国标对水基合成切削液的要求 。工业应用结果表明其性能优越 。由于该

新型环保水基液不含对人体有害的亚硝酸钠 , 工作废液易于处理 , 对环境不产
生污染 , 具有十分重要的环保意义 。 烟台师范学院研制 了 型多效水基切削液 ” 与 型水基合成切削液川。 油酸与顺丁烯二酸 油酸几乎存在于各类天然植物油中 , 价廉易得 。 研究发现

醉先行加成 , 引入轻基 , 再与乙醇胺进行酸胺化反应 , 制得水溶性极好的油酸

酞胺基非离子表面活性剂

简称

。由于

分子中同时含有多个轻基 、

酞胺基等极性基团和长碳链轻基 , 因而具有很好的润湿 、乳化 、增溶 、清洗 、

防锈等功能 。 用

配制的

型多效水基切削液与

型水基合成切削液 , 其

防锈性 、 抗腐蚀性可靠 、 不含矿物油 、不含亚硝酸盐 、 铬酸盐等有害物质 , 与
皮肤有很好的相容性 , 废液在 自然环境中容易被微生物降解 , 环境指标 良好 。 合肥工业大学摩擦学研究所研制了 一型高水基切削液 一型高水基

切削液配方中 , 选择水溶性润滑剂 如聚乙烯醇 、 甘油等 , 采用非离子性表面活 性剂 如平平加 、 太古油等 和阴离子表面活性剂 如烷基苯磺酸钠 、十二烷基硫 酸 钠 等 进行 复配 , 取 得 了较好 的润 滑 效 果 。并通过将切 削液 表面 张 力 从 礴 降到 以下 , 实现清洗作用 。 采用铝酸钠替代亚硝酸钠 合格 、叠片 作为水溶性防锈剂 , 经过多次试验 , 将铝酸钠和硼胺复合使用 , 取得 了较好的 效果 , 按合成的磨削液国家标准方法进行检测 , 铸铁单片防锈 合格 。同时 , 采用微量的有机咪哇类防锈剂满足 了切削液对有色金属加工的防

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锈需要 。为了提高切削液的其它性能 , 还添加了少量其它无机盐与消泡剂甲基
硅油 。 一不含致癌物亚硝酸钠 , 而且无氯 、 磷等有害元素 , 无毒 。由于不含

机械油 , 不易受细菌感染和发臭变质 , 使用周期长 , 和乳化液相比可以大大减 少换液周期 , 减少废液排放量 。 葛泉江等人通过对切削液的作用机理的分析 , 采用以清洗剂和合成防锈剂
为主 , 配合少量助剂 , 再加适量其它添加剂研制的环保型合成切削液 。 其配方 中水溶性润滑剂不含机械油 、防锈剂不含亚硝酸钠 、清洗剂有 良好的润滑 、分
散 、增溶及去污性能 , 并有 良好的防锈及贮存稳定性 。生产验证 , 该合成切削

液的各项技术指标和使用性能均能满足生产要求 , 同时达到 河北玉 田康庄新资源技术研究所研制 了 蚀剂 环 己六醇六磷酸脂 分子式 。 种从粮食作物中提取的无毒化工产品 型水基切削液

一 合成切

削液国家标准 , 还增加了抗硬水性 、清洗性 、 低污染等三项特定指标 。 。无毒水溶性缓
, 外观为褐色粘稠状液体 , 是一

因其分子结构中具有能同金属配合的

个氧原子 、 个轻基和 个磷酸基 , 与金属接触时 , 极易在金属表面形成一层致 密的有机单分子保护膜 , 使金属的电极电位变得和铝 、金一样 , 从而有效地阻 止了金属的腐蚀 。 大量实践证明
明,

是金属缓蚀剂家族中不可多得的优 良环保型
与防霉剂 、 润滑剂 、消

水溶性产 品 , 可广泛用于水基切削液 , 防锈剂 、 清洗剂等产品中 。实验结果表 对钢 、 铸铁 、铜 、铝均有优 良的防锈能力 。 将 泡剂 、表面活性剂等配制成 型水基金属切削液 , 具有优 良的润滑 、冷却 、 洗

涤 、防锈等综合功能 , 且不含矿物油 , 亚硝酸盐 , 铬酸盐等有害物质 , 环保无 污染 。

环保型水基切削液研究方向

新时代对切削液环保型水鑫切削液的新要求
目前传统 的使用 已久的切削液 已明显滞后于现代切削加工技术的发展 , 迅

速研发和应用新型环保切削液成为当务之急 。环保型水基切削液应具备 以下性
能 优 良的冷却 、润滑 、防锈和清洗功能 对环境无污染 或低污染 无毒 、不伤害操作者 通
, 便于

不易腐败变质 , 使用寿命长 溶液透 明 或半透 明

用性强 , 适用于多种切削方式和工件材料

观察加工状态

具有相应的更为方便的废液处理方法 。

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环保型水基切削液发展方向
水基切削液是复杂的化合物 , 由水溶性的润滑添加剂 、防锈剂 、表面活化

剂等物质组成 。 切削液性能的优劣 , 废液处理的难易 , 对操作者的危害和环境
的污染程度 , 均取决于这些物质的种类及性能 。 组合成切削液的物质中含有数
种乃至数十种的化学成份 , 且在使用中又可能形成新的化合物 。长期实践证明 ,

亚硝酸盐及类似化合物 、 磷酸盐类化合物 、氯化合物 、甲醛及类似化合物 , 这
几类添加剂 由于毒性大 、污染环境严重 , 在选择切削液添加剂时要严加限制和 禁止 。 在开发切削液的绿色添加剂时 , 应从以下方面进行把握 切削液的

综合性能 的危害性

对设备安全性的影响 火灾危害性

对人体皮肤的危害性

对人呼吸系统

对水质的污染

对土壤的污染 。 近年来 , 主要 水。 环

研究环保型生物降解添加剂 。 生物降解是通过微生物使化合物分解成

境合格的切削液的生物降解性不仅包括生物解能力 , 而且还包括切削液的生态

毒性 。 这是两个同的方面 , 有些有毒物质也可生物降解 , 降解后生非毒性物质
有些物质降解后的产物 比原物质有更的毒性 。因此 , 符合环保要求的切削液生 物降解性好 , 而且生态毒性及毒性累积性要小 。 环保型生物降解添加剂 无毒型 添加剂 是现在研究与应用的方向 。 硼酸酷类添加剂

有机硼酸醋是新型的减摩抗磨添加剂 , 越来越广地受到重视 。分析结果表 明 硼酸醋的油膜强度高 , 摩擦系数低 , 具有优 良的减摩抗磨性能
具有抗菌和杀菌功能

具有

良好的防锈性能

对人体无毒害作用 , 是一种理想

的绿色环保型添加剂 。

铝酸盐系缓蚀剂
铝酸盐是阳性缓蚀剂 , 添加到切削液 中 , 可在工件金属表面生成 一

一 钝化膜 , 获得 良好的缓蚀效果 是一种无毒 、不污染环境的防锈剂 。 此 外 , 铝酸盐还能提高切削液的挤压抗磨性能 。 考虑到铝酸盐价格昂贵 , 研究人 员又开发了由铝酸盐 、硼酸盐和有机胺组成的高效 、廉价的防锈络合物 , 其防 锈的效果更为优 良。
新型防腐杀菌剂

切削液本身具有微生物和菌类滋生繁衍的条件 , 容易腐败变质 。防腐杀菌
剂用于抑制细菌和霉菌 的滋生 、杀灭液体中的细菌 , 藉 以延长切削液 的使用寿

命。 世界各国的大量研究 , 已开发出多种防锈杀菌剂 。日本研发出的选用油酸 、

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硬脂酸等梭酸制取的铜盐 , 具有一年 以上的抗腐能力 。 美国研究发现 , 柠檬酸
铜也有较好的抗菌效果 , 添加量为 。 美国研发的名叫

的乳化油 , 添加了含磷 、 氮和硼的合成物 , 使乳化液的使用寿命达 个月以上 。

本课题研究的内容及主要 目标
课题研究目标
本课题将切削液的环保化为主要研究方 向 , 从切削液的用途 , 合成条件 、 配方的绿色化等方面进行探索研究 , 建立科学完整的实验体系 , 研制 出符合工
业要求的配方 。 研制几种绿色添加剂 把数学的分析方法引入配方的研制中

得出优于国家标准的环保型水基切削液的配方 。

课皿研究内容
本课题所要研制的就是一种新型的环保型水基切削液 , 其中防锈剂 、润滑 剂和表面活性剂等是环保型水基切削液的重要组成部分 , 在环保型水基切削液 中占了很大份额 , 它们性能的好坏很大程度上影响了环保型水基切削液的性能 。 因此 , 对添加剂的研制和选择是整个课题研究的关键 , 其具体的研究内容包括 自制和选择绿色的各种添加剂

各种添加剂的防锈 、 润滑 、 冷却等性能的测试和比较
对配方方案进行性能的测试

用一元模糊数学模型进行分析
对最优配方方案进行毒性测试 最终确定配方 。

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第 章 实验方法
主要实验仪器
本课题工作所需的主要实验仪器见表 一。

表 一 主要仪器及设备 仪器名称 四球试验机
电子天平 型号


产地

济南试验机厂
上海精 密科 学仪 器有 限
公司

电子万用炉

北京光明医疗有限公司
单列双孔
一 一

电热恒温水浴锅 数显鼓风干燥箱 表面张力仪 三 口烧瓶
球形冷凝器

上海医疗设备总厂 上海博讯实业有限公司 上海 精 密科 学仪器有 限
公司

天津科学仪器有限公司

天津精 密科学仪器有 限
公司

分水器

天津 精 密科 学仪器有 限
公司

蒸馏头

天津精密科学仪器有 限
公司

冰箱

青 岛海尔

主要原材料
本研究所需要的防锈剂 、表面活性剂及极压润滑剂等原材料见表 一。

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表 一 主要原材料

名称
十二烯基丁二酸
硼酸 铝酸钠

规格
化学纯
化学纯 化学纯

产地
上海国药集团
上海国药集团 天津市化学试剂三厂

油酸 癸二酸 三乙醇胺
碳酸钠

化学纯 化学纯 化学纯
化学纯

上海国药集团 天津市化学试剂三厂 武汉制氨厂
武汉江北试剂厂

吐温一
硼砂 硫脉 苯 甲酸钠

化学纯
化学纯 化学纯 化学纯 化学纯

武汉江北试剂厂
武汉江北试剂厂 天津市化学试剂三厂 上海国药集团 天津市化学试剂三厂 武汉江北试剂厂

消泡剂

化学纯

主要添加剂的制备
水基合成切削液能达到切削的要求 , 起主要作用的是添加剂 , 添加剂的好

坏直接决定着切削液的性能 , 因此添加剂的选择起着关键作用 。 在试验的基础
上 , 本课题制备出性能更好 、绿色的添加剂 。

有机梭酸醇胺防锈剂的制备

一般认为防锈性与有机分子极性基团的功能有关 。 这些极性基团包括
、一 、 一 、 一 、 一 等



,。 根据防锈 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

水份侵蚀金属表面 , 起到防锈 的效果 。有机分子在水 中的溶解性与烷基链 的长 短和亲水的极性基 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 , 而且要求分子有一定的水溶性 。根据这些特 点 , 本课题合 成 了一些脂肪酸醇按盐 , 并考察 了脂肪酸醇馁盐中的功能团对防锈性能的影响 。 饱和一元脂肪酸 、不饱和脂肪酸 、二元酸和其它酸分别与三 乙醇胺按 、

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摩尔比在

℃ 水浴中加热搅拌

, 制得有机竣酸醇钱盐类化合物 。

翻酸醋极压抗磨剂的制备
硼酸酷类极压抗磨剂具有 以下优点 极压抗磨效果好 使用寿命长 其抗

磨性对金属材料的选择不敏感

一般不会造成金属的腐蚀

与传统极压抗磨剂

配伍性好 水溶性好 , 特别适用于绿色环保产品如 水性涂料 、 水基切削液等 。
反应原理 采用直接酷化法制取硼酸酷 , 其反应方为

实验步骤 称量
流 。

醇醚 ,

硼酸

和一定量的溶剂加入到三 口

烧瓶中 , 开冷却水 , 开始加热搅拌 , 通入氮气 , 控制温度为



℃, 保温回

保温回流完毕 , 降温 , 换上分水回流装置 , 继续加热 , 这是将反应温度 控制在 一 ℃, 经过 一 的反应 , 出水量大约达到理论产量
, 此时

停止加热 , 降温 。
换上蒸馏装置 , 继续加热搅拌 , 温度保持在 一 ℃, 不断把微量溶剂 和水的共沸带出 , 直到不出为止 , 停止加热 , 整个实验结束 。

实验设计
实验内容和流程
本课题对于切削液配方的研制 , 建立 了 自己的一套方法 , 这也是本课题的 一个亮点 。从添加剂的制备和选择 到配方方案的形成 最终把模糊数学引入 , 来计算最优方案 , 是建立在综合考虑的基础上 , 并用科学的手段 。摒弃了那种
传统的只考虑一种切 削液 的性能的基础 上 , 来选择切削液 的方法 , 使切削液配 方的研制更加科学 、全面 、实用 。具体研究流程 图 , 见图 一

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添加剂的研制和选择

格, 新 重 合 不 始 开

确定不同配方方案

对每个方案性能进行检测 用数学方法进行分析筛选
最优配方方案 合格 生物毒性检测 二



环型基削 保水切液

图 一切削液配方设计流程图
在研制 出最优配方后 , 由于现在环保对切削液的要求 , 为了环境和人体健

康的需要 , 需要对切削液的生物毒性进行测试 , 研制出真正的环保型切削液 。
分析了现行的切削液生物毒性的测定方法及弊端 。 采用小金鱼对研制的环保型
水基切削液进行毒性试验 。最终得到绿色的 、 性能最优的环保型水基切削液 。

配方设计的步骤

配方方案基本组成添加剂的选择
水基合成切削液以水为主体 , 不含矿物油和动植物油 , 为清澈透明液体 ,

具有价廉 、难燃 、 冷却清洗性能好 、 操作环境干净 、安全等优点 , 其使用性能
决定于各种添加剂的性能及复配方法 。为满足切削液冷却 、 润滑 、防锈 、清洗 四方面的性能要求 , 同时使产品制造工艺简单 , 性能稳定 , 原材料价廉且来源
丰富 , 需要对配方成分进行 了合理的选择 。尽量做到优化组合 , 一剂 多用 , 提 高切削液的整体性能 。

配方基本组成用

的确定

添加剂的选择 , 配方基本组分的预计使用量 , 见表 一。并通过正交试验法

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分配配方方案 。 表 一水基切削液配方组分组成
组成
一 一

物质

组成


调整剂 消泡剂







表面活性剂 鳌合剂

一 卜

余量

配方方案的性能测试
水基切削液性能指标

配方的基本组成确定以后 , 下一步就是确定具体成分及各成分用量范围 。 确定几种配方方案的基本组成和用量后 , 接下来就是要测定根据这个配方 所制备切削液的性能 。本实验需要测定的性能项 目 , 即合成切削液技术标准见
表 一。

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表 一水基切削液性能检测及指标

项目

外观

液态 无分层 、 无沉淀 、呈均匀液体 膏态 无异相物析出 , 呈均匀膏状
固体 无坚硬结状物 , 易于溶于水的 均匀粉剂

缩液

贮存安定性

无分层 、 相变及胶状等 , 试验后应能
恢复原装 透明或半透明


透明度

释液

值 消泡剂
表面张力

叮 而




一级
紫铜




士 ℃





蚀实验 灰口铸铁



卡弋



一 级
士 ℃

锈性实 灰 口铸 铁


…片
最 大 无 卡 咬 负荷几 值
之 之 七

对机床油漆的适应性

允许轻微失光和变色 , 但不允许起泡 、

发粘 、开裂 、 脱落等不 良影响
毒性试验 对金鱼没有影响

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水基切削液性能检测方法 以下所用试液 稀释液 , 均用蒸馏水按各产品的使用浓度配制 。
外观评定 在 一 ℃ 室温下 , 用 检查外观 。 贮存安定性试验 而具塞量筒 , 量取 被测浓缩物 , 静置 后,

将 箱中

浓缩物 , 置于
, 取出冷至

具塞量筒中 , 将其放于
, 然后再置于 一 士



℃ 恒温干燥

一 ℃ 放置

℃ 的低温冰箱中

, 取出静置至室温 ,

后进行评定 。
的烧杯中 , 液层高度为 士 。然后 ,

透明度评定
用配制好的稀释液 , 倒入 把一个明亮的 值测定 用精密试纸一条 , 浸入被测试液中 , 半秒钟取出 , 于标准色版 比较 , 即得 值 。也可用 值计 消泡性试验 值。 灯泡对准烧杯底部 , 从烧杯的上部通过切削液观看灯泡 。

将稀释液倒入 上下摇动的距离约为
置 而 。

量筒中 , 使液面在
, 摇动频率约为

而 处 , 盖好塞 , 上下摇动 一 一

,

次而 。 然后 , 在室温下静

表面张力测定





型表面张力仪使用方法进行 。

腐蚀性试验
将两面磨光的试片全浸在配制好的试液中 , 盖上表面皿 , 置于 已恒温到 士 ℃ 的恒温箱 中 , 连续试验到规定时间 , 取出观察 , 水基切削液腐蚀试验级别 ,
见表 一 。

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表 一 水基切削液腐蚀试验级别 试片材料 铸铁


出现情况
无锈 , 光泽如

级别


判断

判为合格

无锈 , 但轻微
失光 无锈和轻微失
光 级 级

重锈和严重轻 微失光 铜片 新 无锈 , 光泽如 判为合格

轻度变色 中度变色 重度变色
铝片 新 轻度变色 中度变色
无锈 , 光泽如

级 级 级


判为合格

判为合格

级 级


判为合格

重度变色

防锈性试验

铸铁单片防锈试验
滴直径 一

将铸铁试片用刚玉纱布磨光 , 用脱脂棉蘸无水酒精

擦洗 , 电吹风吹干 , 用吸管吸取切削液稀释液 , 按梅花格式滴五滴于光面上 每
,试片放置于干燥器隔板上 干燥器底部放入少量水 ,加盖玻璃罩 ,

合上干燥器盖 , 置于 已恒温到
格。

士 ℃ 的恒温箱中 , 连续试验

, 取 出观察 ,

五滴无锈为 级 , 四滴无锈为 级 , 三滴无锈为 级 , 二滴无锈为 级 。 级为合

铸铁叠片防锈试验

将两片同样大小的金属试片磨光 、擦洗 , 用电吹风

吹干 , 其 中一片平放在干燥器 的隔板上 , 用吸管吸取试液涂布于其上 , 再用另

一试片的磨光面重叠其上 , 合上干燥器盖 , 置于己恒温到

士 ℃ 的恒温箱中 ,

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连续试验到
距边沿

, 取出观察 , 打开两试片 , 用脱脂棉蘸无水酒精擦洗 , 立即观察 ,

以内 , 两叠面无明显叠印为合格 。 润滑性能的评定

采用高速四球摩擦试验机 , 参照
卡咬负荷 值 及烧结负荷



方法 。 主要评价润滑液的最大无
。 所用的钢球

值 和长时磨瘫直径

的直径

的二级
毒性试验

钢球 , 硬度为 争 一



目前还没有一个普遍接受的测定切削液毒性的标准 。国内外一些学者‘一 ,,,
用老 鼠 、兔子等哺乳动物做毒性试验 。 他们采用 口服 , 皮下注射 、表皮擦涂 、

眼睛刺激等方式 。 由于老 鼠和兔子等哺乳动物的耐受性较强 , 对毒性不敏感 , 但 因此试验中虽然使用剂量较大 , 但对毒性的区分性还是不强 , 特别是轻毒和微

毒的试验样品 。 而鱼有着很强的敏感性 , 鱼类毒性试验在评价环境中化学物和
工业废水中被广泛采用 。 鱼类毒性试验 已纳入德国生态标记 “ 蓝色守护神 “ 计
划。 本课题用鱼类急性毒性测定法对配制的水基切削液进行毒性试验 , 详细
节。

实验结果的分析 切削液具有润滑 、 冷却 、防锈等多种作用 , 这就对切削液的配方研制就提
出了高的要求 , 影响切削液的综合性能的诸多因素都具有一定的模糊性 , 采用

常规方法往往只考虑了多种因素的综合影响及其不确定性 , 从而对其做出综合
决策 , 使选择具有最佳效果 钵 。 【 模糊综合评判是在模糊的环境中 , 考虑 了多种因素的影响 , 关于某种 目的 对事物作 出综合的决断或决策 。 可分为一级模糊综合评判和多级模糊综合评判 。

本课题将采取一级模糊综合评判对配方进行优化 。 其原理如下

影响程度不一 , 故因素的权重系数可视为 上的模糊集 , 记作

设 。 , , 一 为。 素 成的 合 , 称为 素 二 ,, 种因 构 集 因 集。 , 二 ,, , , , 为 种 断 成 集 , 称 评 。 一 地, 各 素 决构的合 为少 集。 般 因的
,, , ,…卜 ,。
式 中,

……

表示第 个 因素 。 的权重 , 它们满足归一化条件 , 即

艺 闺 。



此外 , 综合后的评价结果也应看作 的模糊集 , 记为

二 , , “ 。 ,,

……

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中, 场 反应了翁种决断在评判总体 中所在的地位。

一级模糊综合评判模型要有三个基本要素

因集 素

, , ,…? ,

评集 判

单因 评判 , 即 素 模糊映 射
厂 翔 }

‘ ,, ,, 公 , 一
自 山 , 八‘

。 分月访, 叶 伽 会 。。 …、任 , , 月刃

由这三个基本要素 , 可得出一模糊关系矩阵

一 八

、卿构 一 模 综 评 模 , 可 出 个 合 价 果 即 , 成个糊合价型 输一综评结 。

由式
, 有

二 饭” 任 叭 ,峋
, , ,,,







隔 防 卜 陌 」
八 … “以 瓦 练 , , ,


门 , 广山 八‘

为了减少信息丢失 , 也可按普通矩阵运算 。 假如有

二 , , “ ,,
佳方案 。

, 贝 大 属 原 。 出 决 、, 。 方 最 最 隶 度 贝, 得 少 为 配的

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第 章 环保型水基切削液的最优配方的研制
添加剂的选择
本实验各性能的测试方法 , 指标的选择主要参照国家标准 的要求来进行 , 统一各种指标有利于对 比和评价 。 一

在切削液中为了使切削液具有较好的润滑 、防锈 、冷却和清洗性能 , 通常
在其中加人大量的添加剂 , 这些添加剂通常含有硫 、 、氯 , 亚硝酸钠等会产 磷 生较重的环境污染 , 在保证切削液综合性能的基础上 , 人们正在大力推广应用 低毒 、 低污染的环保型切削液 。目前研究方向主要集中在改进切削液中的添加
剂 , 开发出新的无污染的添加剂 。 目前 , 主要研究研究方 向是环保型生物降解添加剂 。生物降解是通过微生

物使化合物分解成

和水 。 环境合格的切削液的生物降解性不仅包括生物降解

能力 , 而且还包括切削液的生态毒性 。 这是两个不同的方面 , 有些有毒物质也

可生物降解 , 降解后生成非毒性物质

有些物质降解后的产物 比原物质有更强

的毒性 。因此 , 符合环保要求的切削液生物降解性要好 , 而且生态毒性及毒性
累积性要小 。 环保型生物降解添加剂 无毒型添加剂 是重点研究与应用的方向 。

防锈剂的分析和选择

切削液防锈剂分析
防锈剂大多采用一些极性物质 , 其分子结构特点是 团 , 具有亲水性 一端是极性很强的基

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 。

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

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括一

、 一

、 一

、 一 、 一 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 。 常用的环境友好防锈剂如
脂肪酸衍生物 、 胺类 、咪哇琳类及机梭酸与醇胺类 , 此外 , 还需考虑价格因素 。

因此本课题结合国内的研究现状 , 主要研究了机梭酸与醇胺类防锈性能 , 作为
防锈剂 。 机梭酸与醇胺类具有一剂多用的性能 , 机梭酸与醇胺类不但能满足防
锈的作用 , 还是优秀的润滑剂 、油性剂 、表面活性剂 , 并且多数环境友好 , 防 止 了多种试剂多环境的污染 , 便于后续切削液的处理 。根据第 节介绍的方 法 , 我们合成了以下几种有机梭酸醇胺盐防锈剂并进行了防锈性对比 , 见表 一。 表 一 梭酸三乙醇胺盐水溶液的外观 、 值及防锈性 梭酸三 乙醇 水溶

梭酸类 编 竣酸名称
型 号

结构式

梭酸三乙

醇胺 盐水溶 胺盐水溶液 的 液 不 锈

液外观
饱和一



时间 ’ 小

辛酸
十二酸 十四酸




澄清液

元脂肪

稍混浊
混浊



磺化油酸
环烷酸



清液
加一

乳状液 乳状液
白色 乳 状


不饱和 脂肪酸
和二元

油酸

一 一

亚麻酸



癸二酸 邻苯二 甲 酸 衣康酸 其 脯氨酸 天 门冬氨酸

,氏

澄清液 澄清液



澄清液 澄清液 澄清液

他酸

由表 一看 出防锈性随碳链的增长

一 , , 防锈性能变好 但碳链过长 , 防

锈性能反而降低

防锈性与极性基团有关 。 有机分子在水中的溶解性与烷基链

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的长度和亲水性极性基团的多少有关 。当分子中同时含有多个极性基团且有适 当长度疏水性烃基时 , 分子能有效吸附在金属的表面 , 且能形成致密的保护层 , 表现出较好的防锈性能 。 表明其防锈性与分子烷链长度 、分子中的极性基团种 类及数 目有关 。 三乙醇胺与梭酸加热生成的酸胺也是一种很有效的防锈剂 , 很 稀的烷基醇酞胺溶液即能防止钢铁生锈 , 并具有 良好的耐水解性能 , 同时对防 锈水有增稠作用 一 , 从而避免了防锈剂从金属表面流失 , 并使防锈剂在金属表 面牢固附着 。 有机梭酸醇胺盐和烷基醇酞胺分子中的氮原子和氧原子都有孤对 电子 , 可与铁等有 空轨道的金属表面作用生成络合物膜 , 阻止氧 、 水等分子与
金属表面接触 。

经过筛选 , 有机梭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 , 还是优 良的润滑剂 、油性剂 、表面活性剂 , 并且环境友好 。研 究表明 , 癸二酸与三 乙醇胺反应后的产物具有 良好的防锈性能
剂 、表面活性剂使用

油酸与三乙醉

胺反应后生成的醇胺类化合物的防锈性能也非常好 , 还可 以作为润滑剂 、油性
硼酸酷和铝酸钠都是优 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 , 拟选用制硼酸酷 、 十二烯基丁二 酸、 癸二酸三乙醇胺 、油酸三乙醇胺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 。

切削液防锈性墓础配方
试验方案

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
基丁二酸 , 为癸二酸三 乙醇胺 , 与分析 , 制定 了试验 因素水平表 见表 一 。 表 一 试验 因素水平表

为 自制硼酸醋 ,

十二烯

为油酸三 乙醇胺 , 通过对防锈剂成分的实验

卜 硼旨 十基 癸三 油乙 黯 酸 二丁 二乙 酸醇 酉 烯二 酸醇 三胺
酸 胺

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该试验包括 个因素 个水平 , 根据正交试验规律 , 选用 肠
试验 见表 一 根据国家标准
单片法和叠片法测试切削液

正交表安排

一 对切削液防锈性能测试的规定 , 可采用
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

士 ℃ 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 对试片 , 每隔 小时打开一对 , 如果打开后发现未生锈 , 就间隔 小时后再
打开一对 , 直至发现试片发生锈蚀为止 , 其间的时间即为该配方的防锈时间 。

实验结果及分析
试验结果 种配方切削液水溶液防锈试验的试验结果 防锈时间 歹于表 一。 表 一切削液水溶液防锈试验的试验结果 试验号
月 工 二

叠片防锈时间
一 自 内 , 」
‘ 一 ,) ,、

‘ 一 八 ,

一 峥 心 月 」

‘ 一 白 勺 ,

白 一 ,
‘ 一 乃 月

一 七 勺 尹 百

‘ 白 一 勺

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片 一 凡 月 } , 」 了 , 二 工 片 ,} 一 一一 月 内 , 月



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,) 矛 、 一一 凡凡 }

?
由试验结果可知 , 第 号试验 的防锈效果最好 防锈 时间
, ,

小时 , 其相应

的水平组合

,

是 目前的最佳水平搭配 。

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结果分析 将 个因素的 个平均防锈时间绘制在一张图上 见图 一 。 可分析得出如

下结论

图 一 防锈时间与四因素关系图

① 在试验范围内 , 随着硼酸酷含量的增加 , 切削液的防锈时间延长 随着
自制十二烯基丁二酸含量的增加 , 防锈时间延长 但趋势减缓
醇胺含量的增加 , 防锈时间缩短 但范围不大 时间变化不大 。

随着癸二酸三乙

随着油酸三乙醇胺的增加 , 防锈

② 个因素的主次关系依次为 追加防锈实验

,

,

,



根据对实验结果的分析 , 我们主要对硼酸酷和十二烯基丁二酸的量进行追 加 , 追加防锈试验的分组情况及试验结果见表 。

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表 一试验追加防锈实验的结果 试




叠片防 防
锈时间



试验结果讨论 由试验结果可知 十二烯基丁二酸和合成硼酸酷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 防锈性能有很大促进作用 进作用 , 但含量过多反而会减弱防锈性能 。
通过 以上正交试验和追加试验 , 可知试验号分别为 、 和 的配方防锈

油酸三乙醇胺对切削液的

少量癸二酸三乙醇胺对切削液的防锈性能有一定促

效果较好 。 其中 , 液的基础配方 。

号配方在众多试验组中防锈时间最长 , 可作为该环保型切削

极压润滑剂的选择
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 。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 。 可作为水溶性润滑剂使用的只有油酸 、亚油酸 、氯化脂肪酸 、磷酸三 乙醋
等几种物质 , 但它们的减摩抗极压能力有 限 由此可见 , 传统的防锈剂和润滑剂 功能单一 , 不能很好满足现代水基合成切削液的要求 为使切削液具有优 良的综 合性能 , 必须同时添加几种物质进行复配 , 这样不仅提高 了产 品的成本 , 而且

由于各种添加剂之间相互作用复杂 , 势必给配方的确定造成困难 所 以 , 本课题

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在选择防锈剂的时候 , 就考虑了其也具有优 良的润滑性等其他功能 , 例如
压润滑性能 。



酸三乙醇胺 、 癸酸三乙醇酞胺 、 硼酸酷对黑色金属优 良的防锈能力和 良好的极

硼酸酷是一种多功能环保型添加剂降

, 其作用机理是在摩擦表面形成物理

或化学 吸附膜 , 以及因硼酸醋的水解作用或与添加剂发生摩擦化学反应而产生 由 、 等构成的非牺牲性沉积膜 。 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 。 硼酸醋的特点为

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 。 可采用直接酷化法制取硼酸酷 , 其反应方程式为 一
,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 。

但是仅使用硼酸酷在高温高压切削条件下其润滑性能仍然是不够的 , 需要 加入其它润滑剂协同作用 。油酸三 乙醇胺是具有优 良润滑效果的水溶性油性剂 。

有文献 ” 显示油酸三乙醇胺与硫脉协同作用具有 良好的极压润滑性能 ,可在此基 础上研究在 己经确定防锈剂等成分的切削液配方中分别改变硼酸酷 、油酸三乙 醇胺 、 硫脉的成分以比较其润滑性能的差别 , 再用十二烯基丁二酸 , 具有较好
的效果 。

试验仪器
采用球盘式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验 , 其中钢球为型号
准轴承钢球 , 圆盘材料为 钢调质 。该试验机最大测量摩擦力载荷为
,

的标
,

测量精度

, 转速为 一 巧加印

试验时圆盘的转速设定为





不同润滑剂成分的切削液分组
按表 一加入相应数量的润滑剂 , 其余成分 如防锈剂等 的添加量相同 ,

制成切削液后再稀释成

的溶液即为配制好的润滑液 。

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表 一 试样分组编号表

编号
月 口 飞 二 ,,

油酸三乙醇胺

硼酸酷

硫脉
‘ ” ,( }

溶液

八 月

‘ 八 自 ,

、 } 口 , 翻 ,

澄清液 澄清液 澄清液 澄清液 澄清液
润滑油

不同润滑荆成分分组的对比实验 在其它试验条件相同的情况下 , 分别在 、 化趋势 。 不同油酸三乙醇胺含量的摩擦力对比
分别用 、 、 组切削液作为润滑剂 其它成分相同 进行摩擦磨损试验 ,







? 、

压力下对不同试样进行摩擦磨损试验对比 , 分析其摩擦力变

各组的摩擦力变化趋势如图 一

图 一不同含量油酸三乙醇胺的 一对比
由图 一可知 , 随着正压力的增大 , 三组切削液的摩擦力也都增加 。 在

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压力以下时 , 各组的摩擦力相差不大 但当压力继续增大时 , 可以看到切削液 中油酸三乙醇胺含量越大 , 所受的摩擦力越小 。 如在压力为 时 , 测得 油酸三乙醇胺的摩擦力仅为不加油酸三乙醇胺的一半 。 由此可见 , 油酸三乙 醇胺是一种优秀的水基润滑剂 , 在该切削液配方中是最主要的润滑剂 。
不同硼酸酷含量的摩擦力对比 分别用 、 组切削液作为润滑剂 其它成分相同 进行摩擦磨损试验 , 各 组的摩擦力变化趋势如图 一所示 。

图 一 不同含量硼酸酷的 一 对比 由图 一 可知 , 随着正压力的增大 , 各组的摩擦力都在增加 以下时 , 各组的摩擦力相差不大 但当压力继续增大时 , 组分
比组分 要小 , 且压力越大两者相差越大 在压力为



压力
硼酸酷的

所受的摩擦力

时,加

切削液时钢球所受摩擦力为不加硼酸酷时所受摩擦力的

。这表明该硼酸酩

在切削液中同样起到很好的减摩效果 。 有无添加硫脉情况下的摩擦力对比
分别用 、 组切削液作为润滑剂 其它成分相同 进行摩擦磨损试验 , 各

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组的摩擦力变化趋势如图 一所示 。



不同含量硫脉的 一 对比

由图 比组分

可知 , 随着正压力的增大 , 两组的摩擦力都在增加 。 在

压力

以下时 , 两组的摩擦力相差不大 , 但当压力继续增大时 , 组分 状况下对摩擦力的影响不大 。 组分 与组分 润滑油 的润滑性能比较 。

所受的摩擦力

要小 , 这表明该硫脉在切削液中起到较好的极压润滑作用 , 但在低压

组分 与润滑油的正压力一摩擦力见图 一。

图 一切削液与润滑油 一 对 比图

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由图 一可知 , 当压力小于

时 , 两者的润滑性能几乎相同 , 但 当载荷

继续增大时 , 油润滑下摩擦力的增加比组分 快 , 当载荷接近
润滑时的摩擦力几乎是组分 润滑时的两倍 。 结果分析
由以上试验可以得出以下结果

时 , 采用油

在低压状态下 , 组分
分 具有 良好的极压润滑性能

与润滑油的润滑性能相近

而在高压状态时 , 组

油酸三乙醇胺 、 硼酸酷具有 良好 的润滑性能 , 无论是在高压还是低压状 态下 , 它们都具有 良好的润滑性能和极压润滑性能

在低压状态下 , 硫脉对切削液的润滑性能影响不明显 , 而随着压力的升 高 , 它显示出一定的极压润滑效果
从图 一、 一 可以看出 , 与组分 图 相比 , 单独使用油酸三乙醇胺 、 硼 中 , 油酸三乙醇胺 、

酸酷或者硫脉时钢球所受摩擦力大大增加 。 可见 , 在组分

自合成硼酸酷和硫脉具有很好的协同润滑性能 , 使得切削液在低压状况下有跟
润滑油相近的润滑性能 , 而在高压状况下显示出极好的极压润滑性能 , 从而显 示出比润滑油更佳的综合性能 。因此 , 本课题用油酸三乙醇胺 、硼酸酷和硫脉 作为润滑剂 。

清洗剂的选择
水基切削液的清洗主要通过表面活性剂来实现
,一方面表面活性剂能吸附

在各种污染物粒子和油泥表面 , 并在工件表面上形成吸附膜 , 阻止粒子和油泥 粘 附在工件 、刀具和砂轮上 另一方面降低切屑和加工液之间的表面张力 , 通 过润湿 、渗透作用 , 将切屑从刀具和工件表面分离开来 , 随切削液带走 , 并通
过渗透作用将切 屑沉 降下来 。因此水基加工液 的清洗作用是润湿 、渗透 、分散

的结果 。体系的表面张力对清洗能力有着很大的影响 , 表面张力越小 , 溶液越
容易在刀具和工件表面润湿 、铺展及渗透 , 清洗能力也更强 。由于大多阴离子

表面活性剂耐硬水能力差 , 阳离子型表面活性剂通常使合成液显酸性 , 使其容

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易腐败变质 , 不是理想组分 。而非离子型表面活性剂在水中不电离 , 不受无机 盐及酸碱的影响 , 是可选组分 。 在金属加工过程中经常因为橡胶圈的老化 , 体

系中会混入液压系统泄漏的液压油等杂油 , 而大量表面活性物质的存在 , 会加
大对杂油的溶解 , 使磨削液随着加工时间的增长而变得粘稠 , 改变体系的加工
性能 。 应选择对防锈性能影响小且添加量少的高效非离子表面活性剂加入合成液

中以提高其润湿性 。 在研制的合成液中加入非离子表面活性剂 , 体系的表面张 力降到 一 加 以下 , 具有较好的清洗和渗透能力 , 完全满足合成切削液的
清洗需要 。 本课题选择了具有防锈作用的吐温一 作为清洗剂 。

其它添加剂的选用

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 、金属

离子掩蔽剂等 。由于切削液中含有表面活性剂 , 在循环供液条件下 , 因搅拌和
快速流动易产生大量泡沫 , 因此需要加入消泡剂 。 根据本配方的性质 , 我们选



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 、 作为杀菌剂 。 切削液的 值应保持在 一 之间 , 值过低易滋生细菌霉变 , 调整剂等 。 值过高铝腐蚀严重 。为调节 值 , 应根据具体情况添加剂

稳定剂 水基切削液的稳定性涉及贮存期与使用期 方面 使用前以高度 浓缩状态存在 , 其中各组分之间会发生时效化学变化而缓慢析 出或沉淀 使用
中机油渗漏或混入金属屑 , 都将影响其性能 因此 , 必须加入适当稳定剂减缓这 一变化 , 、 三乙醇胺 、 聚乙烯毗咯琳酮等作为非离子表面活性剂起着增溶 、 分散 、稳定的作用 , 且不受稀释水质的影响 对金属离子的干扰可加入 以 防止硅酸盐的絮凝现象 。

防腐杀菌剂 水基合成切削液中尽管不含油脂 , 但在使用过程中 , 混入
的各种润滑油成分 、灰尘 、稀释水 中的
, 、 , 、



,’ 一 、 、

,一 等离

子将成为微生物的营养素 , 导致细菌和微生物的滋长 , 使加工液变质 , 使用寿
命缩短 , 故有必要添加适 当的防腐杀菌剂 选用高效低毒 、水溶性 良好的苯 甲酸

钠 , 不仅能抑制微生物的增殖对切削液稳定性造成的破坏 , 同时它与三乙醇胺

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复配能显著提高切削液对铝 、 铸铁的防锈性 消泡剂 金属加工过程中产生的泡沫有很大的破坏性 , 不仅妨碍液面观 察 , 使切削液流动复杂化 , 还降低润滑冷却效果 产生泡沫的主要原因在于表面
活性剂 因此 , 配方中应选择低泡沫或能抑制泡沫的组分 , 如聚醚 、 表面活性剂的用量 、水溶 性有机硅化合物 , 并在基本满足润滑性 、 渗透性 、消泡性的前提下 , 尽量减少

最优配方的研制
为了满足切削液冷却 、 润滑 、 清洗 、防锈 个方面的性能要求 , 同时使产品 制造工艺简单 、性能稳定 、原材料价廉且来源充足 , 对配方的成分进行了合理 的选择 。 由于高水基切削液在常规使用状态时的含水量高达
水量高达

以上 , 磨削时含

以上 , 因此它对刀具和工模具以及工件的冷却作用是很显然的 。 下

面主要根据防锈 、 润滑与清洗的性能需要对其相应添加剂的优化 。

本课题选择选择了主要四种添加剂作为变量 , 其他添加量见表 一 , 通过正 交法进行分组检测 。
表 一环保型切削液组成

物质
硼酸酉 旨
癸二酸三 乙醇胺

组成

山 内 内 ‘ ,} 几 ( ,了 ,

物质
吐温 一

组成

油酸三乙醇胺
十二烯基丁二酸
硫脉


白 ,

苯 甲酸钠

碳酸钠 消泡剂





硼砂

余量

环保型切削液正交试验方案
正交试验方案如下

选取主成分

为 自制硼酸酷 、 十二烯基丁二酸 、 为癸二酸三乙醇胺 、

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为油酸三乙醇胺作为变化因子 , 选取

个水平 。 其它添加剂包括吐温一 、 铝酸

钠、 硼砂 、碳酸钠 、 硫脉 、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 一 。
表 一 试验因素水平表

、 孰 硼旨 十基 癸三 油乙 曝 、 酸 二 二 酸 酉 烯 酸 三
二酸 乙醇胺 醇胺

通过正交试验 , 研究在相同试验条件下 , 主要成分对切削液的贮存安定性 、

透明度 、 值 、 耐蚀性 、 防锈性及润滑性等性能的影响 , 以确定最佳配方 。 肠 正交实验方案 , 见表 一。
表 一 场 正交实验方案

性能检测及评价方法
在环保型水基切削液配方优选过程 中 , 所选取 的评价指标具有不 同量纲 ,

代表不同物理含义 , 因而在评价时必须对其指标进行标准化处理 。本课题根据

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一 的技术质量指标 , 对指标进行了标准化 , 以有利于综合考察各方案

的总体的性能 , 克服了以往只能以一种性能为主的局限 , 满足了现代对切削液
的性能要求 , 更为数学分析方法的应用打下了基础 。

具体如下 根据



一 的技术质量指标要求 , 对外观 、 透明度 、 消泡 对于贮存安定性 、

性、 表面张力和对机床油漆的适应性实行否决制 , 对符合标准要求的就可以继 续下面的测试 , 不符合的就代表此方案不合格 , 不能选择

值、 腐蚀试验 、防锈性 、 润滑性等重要指标按下列评定方法进行评定 。

贮存安定性评定
按照 厅 一 的技术质量指标测试方法进行测试 。 试样无分层 、 胶凝及

固体物质析出 , 能恢复原状即为合格 有轻微的絮状沉淀悬浮在液体中的试样
为最差 溶液为浅浅的淡黄色的试样为最好 。 评分按 分一个档次 , 依次递减 。
值的评定 由于水基切削液的 然后每 个 值在 一 之间是最合适的 , 所 以 为 时取满分 ,

值降 分 。

耐腐蚀性试验评定
按照 厅 一 的技术质量指标测试方法进行测试 , 灰口铸铁片金相组织 级 , 珠光体为 以上 , 允许有少量共晶 , 不得有明显铸造缺陷 。
士 ℃ 的恒温容器内 , 持续到规定时间 , 然后取

要求石墨 型

将制备好的试片完全浸泡于 已经配置好的试液中 不能将不同试片置于同一
溶液中 , 加盖玻璃罩 , 移至

出试片进行观察 , 得到相应级别 ,
、 分。

、 、 、 级分别为

、 、 、 分。
、 、

铜片和铝片试验方法 同铸铁片 , 得到相应级别 ,

、 、 、 级分别为

防锈性试验评定
按照 厅 一 的技术质量指标测试方法进行测试 , 由于各方案单片实验
分一个档次 , 进行评价 。

都符合要求 , 因此对叠片试验进行评定 。 评分按 小时

润滑性试验评定
按照 汀 一 的技术质量指标测试方法进行测试 , 评分按增加 增加

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分 , 减少

减少 分的档次 , 进行评价 。

正交试验结果及最优配方的选择

试验结果 正交试验结果及评分按正交试验方案配制 种配方方案进行试验 , 结果显示 外观 、 透明度 、 消泡性 、 表面张力和对机床油漆的适应性都能达 厅 一的

要求 。 其他重要指标 , 贮存安定性 、 值 、 腐蚀试验 、防锈性 、 润滑性等实行
每项按评分标准评分 , 对试样检测及评分结果见表 一。
表 一 试验结果

防锈性 试验号


防腐性

润 滑 性

叠片试


铸铁 片

铜 片

铝 片

白‘ 且月 ,, 片 几, }

评分结果 根据前面介绍的评分方法 , 对试验结果进行评分 , 是各项指标都变成统一
量纲的量 , 以有利于后面 的数学优化方法和对 比 , 评分结果见表 一 。

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表 一 评分结果 防锈性

防腐性 铸铁 片 铜片 铝


润滑性

试验号

贮存安
定性 ’一 一’



叠片试




“ 以 一 片 了 一 〕 } )

石 八 户

评分结果分析优选 根据前面介绍的一级模糊模型 , 对试验结果进行处理 , 得出一个综合指标
值 , 以有利于进行的数学优化选择和对比 。 切削液的性能指标确定的 , 环保型切削液的因素集为

, , , , , ,

贮 安 性, 值叠 试 , 铸 片, 铜 , 铝 , 润 性 存定 片验 铁 片 片 滑
……

有实测结果 , 得到了因素评价矩阵

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印 印 即 印

即 即

仍 田 田

印 苗 即

叨 卯 为 即


翻 }
一 ▲

劫 翔 }


















田 似

田 脸



根据资料和切削工艺对切削液的要求 , 确定环保型切削液的权重系数 , 见
表 一 表 一 环保性切削液的权重系数 评价项 目 贮存安 安 定性 值 防锈性叠 叠 片试验 验
铸铁片 片

防腐性 性
铜片 片 铝片 片

润滑 滑 性

权重系数 数

,,
根据式

, ,

,


,

,

,

,

,

,

, 计算环保型切削液的综合评价结果

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几 尹 艺

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‘, … 二 ” “ ’ 伽 一
印 即 佑

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刃 咫菊 舫

, , ,… ,贝 大 属 原 。 出 决 方 最 方 。 , 最 隶 度 贝,得 半 出 案是 佳 案
本课题通过科学系统的方法研制出了环保型切削液最佳配方 , 见表 一

表 一 环保型切削液配方组成

物质
硼酸酷

组成

物质
吐温 一

组成

癸二酸三乙醇胺 油酸三乙醇胺
十二烯基丁二酸
硫脉

苯 甲酸钠

碳酸钠 消泡剂

一《 〕

硼砂

余量

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章 环保型切削液性能检测及机理分析

性能检测
将经过选择的添加剂优化组合 , 复配增效组分 , 按一定比例调制成品 根据 合成切削液国家标准 厅 一 及切削工艺的要求 , 通过性能测试及应用试 厅 一 标准规定项 目和试验方法测定中试产品 验 , 确定最佳配方后 。 按照

各项性能 , 并且与进 口的同类切削液质量进行对比 , 结果见表 一。 表 一环保型水基切削液的性能
项目 厅 指标 一 质量 研制样 样 进 口样 样

浓 缩 液

外观 观 贮 存安定性 性

液态 无分层 、 无 浅黄液体 浅黄液体 体 体 沉淀 、、 体 无分层呈均匀液体 均一 ,无异 均 一 , 无 相变及胶 胶 异 状 等 , 试验后应能 常 能 异常 常 恢 复原装 装

消泡剂

耐而 到 一 ? ?

稀 释 液

表面张力 一 腐 蚀 一 级 实验 灰 口铸铁 铁 紫铜 透明度 度 铝

士 ℃
全浸

透明或半透明 明 一


清澈透明 明

清撤透明 明

防 锈 一级灰 口 单 片 性 实验 值 铸铁 一 ℃ 叠片 最 大无卡咬负荷 值 对机床油漆的适应性 性

允许轻微失 光 和变色 , 但不允 允 许 起泡 、发粘 、开 开 裂、 脱落等不 良影 影 响

适应 应

适应 应

从表 一可以看 出 , 研制的合成液各项理化性能达到了合成切削液的国家标
准 一 所规定的质量指标 , 是一类具有抗磨 、 防锈 、 明的水基合成切削 透

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液 , 并且与国外某著名品牌切削液质量相当 。

生物毒性检测
切削液在使用过程中 , 不可避免地会通过泄露 、溢出或不恰当的排放等途 径进入环境 , 严重污染大气 、 土壤和水资源 , 破坏生态环境和生态平衡 】 。随 着人们对环境问题的 日益重视 , 因此有必要研究切削液的生物毒性 。本课题用 鱼类急性毒性测定法对研制的水基切削液进行毒性试验 , 做到研制出来的配方
真正的绿色环保 。

试验材料及方法
为减少试验误差 , 所选试验鱼为体色鲜亮 、体质健康 、规格基本一致的小
金鱼 , 平均体长为 一 物残渣 。 试验条件 试验期间水温变化为 一 ℃ , 试验用水为经连续曝气 的 自来水 , 其
, 平均体重 一 。 试验前将试验鱼在与试验相同的环境

条件下 , 在连续曝气的水中驯养三天 。 试验前

停止喂养 , 每天清除粪便和食

值为

一 , 溶解氧为
试验方法



叭 , 总硬度为

德国度 , 总碱度为

德国度 。

试验分为两个步骤 , 预备试验和正式试验 。 预备试验 向 个容量为
加入 、

的聚乙烯方形容器中加入

水 , 并向其中四个容器中分别
、以 。

、 、

切削液 即使得切削液浓度分别为 、 、

向每个容器分别放五尾鱼 。 每天至少记录两次每个容器中死鱼数 目和溶解氧浓 度 , 并及时将死鱼取出 。 试验
五尾鱼全部死亡的最低浓度为

后发现五尾鱼全部存活的最高浓度为
几。

叭 ,

正式试验 通过预备试验 , 在鱼全部存活容器中的最高浓度为 容器中最低浓度为 仪旧 叭 之间选择 个间距浓度 、 叭 和鱼全部死亡的 、 、 泌 。

五个容器均加入水 , 其 中一个为空 白实验 即对照实验 , 其余 四个容器 中分别加









切削液 , 以得到所要求的浓度 。并向每个容器中放入十尾

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金鱼鱼苗 。随时观察并注意记录金鱼的平衡 、 游动 、呼吸 、 体色变化等中毒症 状。 并详细记录金鱼在 、 、 、 的死亡数 目用玻璃棒轻触鱼的尾部 ,
没有反应的即认为死亡 , 及时清出死鱼 。

试验结果
实验期间各浓度组鱼的死亡情况见表 一。

表 一 试验鱼的死亡情况
时间
‘‘ 峥峥 月气 ,沙月

对照组









死亡率

根据试验期间死亡鱼数及浓度 , 采用线形刻度的坐标轴 , 将试验结果用直

线内插法 得出半致死浓度为 伽 朗 , 见图 一。

图 一 直线内插法估算
鱼类急性毒性极限标准见表 一。 环境友好润滑剂的
, 应大于 , 如果生

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物毒性累积很低 , 在水生类中

一 之间也可以接受 。 根据所得结果 , 可认

为所配制的切削液是无生物毒性的 。
表 一 鱼类急性毒性极限标准 类别 急性毒性极限 。 , 幼

轻微毒性 有害 有毒 高毒 非常有害

结果分析

鱼类急性毒性测定方法是一种简便 、灵敏 、稳定 、经济且较准确的测定
切削液生物毒性的方法 。 在测定时只需少量样品即可进行 , 适用于水基类生物 毒性的测定 。

切削液的生物毒性各种添加剂的成分有关 。 所以在配制切削液时应选择
绿色无毒性的添加剂 , 才能满足环保的要求 。 配制的切削液是水基切削液 。 所用的极压抗磨剂为新型高效的硼酸酷类 添加剂 , 它抗菌和杀菌功能显著且无毒害作用 。 其他活性剂 、防锈剂 、抗泡剂 和抗氧抗腐剂基本不含对金鱼有刺激性的有害元素 。

环保型切削液的机理分析
在金属切削过程中 , 存在着很大的摩擦 , 伴随着摩擦产生热效应 , 同时亦

产生放电效应 。 从切削热和电子发射效应两方面看 , 这两种效应给金属切削带
来的影响 , 可从如下四大方面的作用来分析

切削热 、 放电效应与冷却作用
在金属切削过程中 , 所消耗的功绝大部分 一 都变成了切削热 。由 一 〕

于切削热导致切削区温度拒升 , 一般工件切削表面温度可急剧上升到
℃ , 甚至更高 。可见 , 切削热导致切削区金属的塑性变形 , 导致磨损 。

为此 , 研制优 良的切削液 的冷却特性 , 迅速地分散切削区的切削热与降低

切削温度 。

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冷却载体的作用

切削液冷却的优劣 , 取决于冷却载体的导热系数 、比热 、汽化热 、汽化温

度 、流量和流速等 。 本切削液的主要冷却载体是水 。 水的导热系数 、比热 、 汽 化热都比油大的多 , 所以说 , 水溶液的冷却性能最好 。 根据克拉茂 枪田 卫
工时 , 能观察到电子发射

效应 训 , 即金属或非金属化合物受到摩擦或切削加
外逸电子发射
, 份别 效应 旧

现象 。电子发射 公式来表示

时产生的电流值 , 可用哈德孙一 达许曼 形





,

巴 “
与绝对温度 的平方成正比。

由上式可见 , 电子发射时的电流值
达到保护工件和磨具的作用 。

所 以 , 利用水这个 良好的传热介质做切削液的主载体 , 能有效地降低温度 , 以 不同类型和粒度的电子发射与温度的变化不同 , 由温度和 电子发射之间的 关系 关系图略 可知 , 温度升高时 , 所以 , 选 一 或 一 一 砂轮的电子发射量最大 , 这样 冷却作用不利 。 产生的电流值也大 , 因此 , 磨削时温度梯度也加大 , 对切削液 的砂轮 , 其温度梯度较低 。 阴离子型添加剂的冷却作用 从物理意义上来讲 , 电子发射与金属变形时的电子逸出功有关 。 造成金属 塑性变形的机械作用 , 能在金属表面激发微范围的电子云 , 从而引起 电子的外 发射 。由于电子外逸造成切削区正电荷不断增加 , 因此利用阴离子型切削液 , 使正电荷聚积的迅速中和达到瞬时冷却作用 。 这就是本切削液的特殊冷却作用 , 也是本节切削液冷却作用的原理之二 。

润滑作用
在润滑理论中 , 把润滑分为流体动力润滑
界润滑



和边

。即作相对运动 的两个金属表面完全被润滑剂隔

开 , 没有金属间的直接接触 , 其摩擦阻力仅依赖于润滑剂的粘性 , 摩擦面的接 触压极小 , 且有较高的滑动速度 , 这种润滑状态为流体动力润滑 。随着负荷的
继续增加 , 金属表面 的润滑剂膜厚度逐渐减薄 , 当负荷增加到一定程度 , 连续

的润滑液膜被金属表面的微凸体峰顶破坏 , 局部产生金属表面之间的直接接触 , 因此 , 产生磨损和较高的摩擦阻力 , 同时产生大量的热 , 这种润滑状态称为边
界润滑 。

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在切削过程中 , 磨具一 切屑一 工件之间的润滑就属于边界润滑 。 由于压力 , 三
者间摩擦导致迅速磨损磨具 。 所以 , 设法在切削区磨具 砂轮 一 切屑一 工件中使

用一种较理想 承载能力

值增高 , 摩擦系数小 , 渗透能力强 , 表面张力低

的润滑剂 , 就可有效地防止三者之间的干摩擦 , 从而获得保护工件和磨具 , 延

长磨具使用寿命 , 减低工件表面粗糙度 , 降低功率消耗的作用 。
因此 , 在生产中 , 值高 , 表面张力 值小时 , 有三个明显效果 可以提高磨具的耐用度 降低工件表面的粗糙度 可以降低功率消耗 。 切削液中的油性剂油酸三乙醇胺分子具有强极性基团 , 可与金属表面产生

强烈的吸附作用并发生化学反应 , 形成较牢固的物理吸附膜和化学反应膜 。该
膜层具有一定承载能力 , 能够达到减摩抗磨作用 。 硼酸酷因水解作用或与添加

剂发生摩擦化学反应生成 由

伪、



等构成的非牺牲性沉积膜 。 硫脉

含有硫 、 氮等元素 , 普遍认为 一 键在边界润滑条件下 , 摩擦表面受摩擦 、 、 热 外逸电子 、 自我催化等作用 , 生成含硫的无机膜或在有氧化铁的存在下形成

微米以上的



的极压化学反应膜 , 从而起到抗擦伤和抗烧结作用 。 这几

种膜的协同作用有效提高了该水基液的摩擦学性能 。

腐蚀机理与防锈作用
本课题对切削液的要求是必须具有 良好的防锈作用 。 为了解决防锈问题 , 先要 了解钢铁表面的腐蚀机理 。金属与环境组分发生 化学反应而引起的表面破坏称为金属腐蚀 。金属腐蚀通常分为化学腐蚀和电化 学腐蚀 。

化学腐蚀是金属表面的原子直接与反应物

如氧 、水 、酸

的分子相互作
非电解质

用 。金属的氧化和气化剂的还原是同时发生的 。金属和不导电液体

或干燥气体相互作用是化学腐蚀的实例 。金属与活性气态介质
硫化氢 、 卤素 、 蒸汽和二氧化碳等 在高温下的化学作用 。 如

如二氧化硫 、

但是 , 我们一般最常见的腐蚀是电化腐蚀 。 即在 自然条件下 ,
如海水 、土壤 、地下水 、潮湿大气 、酸雨等对金属的腐蚀通常是 电化学腐蚀 。 电化学腐蚀机理 钢铁腐蚀机理 发生 电化学腐蚀 时 , 介质与金属的相

互作用被分为两个独立 的共扼反应 , 阴极过程是金属原子直接转移到溶液 中 ,

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形成水金属离子或溶剂化金属离子 。 另一个共辘的阴极过程是留在金属内的过 量电子被溶液中的电子接受体或去极化剂锁接受而不发生还原反应 , 即在钢铁 表面构成原电池 。电极反应为 负极
正极



还有一种情况 , 同类金属浸于同一种电解质溶液中 , 由于溶液的浓度 、 温

度或不同区域里氧含量不同而构成浓度差 、 温差或氧浓度差腐蚀电池 。 在氧浓 度差电池中位于高浓度区域的金属为阳极
为阴极 负极

正极

, 位于地氧浓度区域的金属

。阳极区金属将被溶解腐蚀 , 而阴极区发生氧的去极化反应 。

即在水溶液中 , 溶解于水中的 此 离子更易得电子 。 以 , 阴极反应为 所
在大气和土壤中金属 的生锈 , 都属于氧浓度差电池腐蚀 。一般常见钢铁腐

蚀的电极反应 负极 正极 由于 不稳定 , 能继续被空气中的氧氧化即 一 离子的生 一

通过上述分析 , 我们采用阴离子型防锈剂可以控制阴极反应中 成 保护阳极 不变成
效地控制锈蚀的生成 。 这就是本切削液具有 良好防锈效果的原因 。

离子 。 也就是说 , 采用水溶性阴离子防锈剂 , 可以有

同时 , 该切削液的防锈剂大多为有机化合物 , 通过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 。 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

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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 。 环保型水基切

削液配方由于较好协调了极性基与非极性基之间的组分比例 , 因此获得了较好
的防锈性能 。

清洗作用
金属在切削或磨削加工过程中 , 由于不断产生细小的切屑 、金属粉末及砂

轮砂粒末等 。 在其他条件都正常的情况下 , 影响表面粗糙度的主要因素看是否
有积屑瘤产生 , 在一定条件下积屑瘤是造成磨具后面磨损的主要原因 。 所谓积

屑瘤



, 是指在前刀面和一部分后刀面包着刀刃的固着的堆积物 ,

它能代替刀刃起切削作用 。 切削液的重要功能之一就是迅速从切削区中冲走切 屑 , 并通过过滤器或沉降槽把切屑出去 , 防止形成积屑瘤 。 切削液的这种功能 ,
与切削液的清洗力 以清洗率表示 或渗透力 以表面张力表示 有关 。在切

削液的使用压力 、 流量 、 流速相同的条件下 , 有如表 表 碑 清洗效果比较
切削液效果项 目 乳切削液 合成切削液

所示的关系 。

清洗率

表面张力
‘ ,



上表实验数据说明 , 合成切削液的清洗性好

清晰率高和表面张力低

,

可 以明显地降低工件表面的粗糙度和延长磨具的耐用度 。 综合 以上切削液作用机理分析 , 可 以看 出切削液的冷却 、润滑 、防锈 、清 晰四大作用对延长磨具寿命 、降低工件表面粗糙度 、降低功度消耗等的影响 , 不是孤立的 , 而是互相影响 , 各有侧重的有机统一体 。在研制合成切削液的过 程 中 , 抓住主要矛盾 , 兼顾其他方面 , 合理选用添加剂 , 以达到同时满足课题 要求 。

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第 章 结论
本课题查阅了大量的国内外课题献资料 , 在总结前人研究成果的基础上 ,
根据本课题的 目的 , 进行了大量的试验研究 。 在本课题中 , 应用切削工艺 、表 面与胶体化学 、金属腐蚀与防护 、正交试验法 、 模糊数学等理论与技术研制 了 一种具有优 良的防锈性 、 清洗性 、 润滑性 、冷却性的 , 质量稳定可靠 , 使用周 期长 而且完全不含矿物油和动植物油 , 不含对人体有害的亚硝酸盐和污染环 境的磷酸盐等物质 , 环境指标 良好 , 属于低污染环保型 “ 绿色产品 ”, 应用 前 景可观的环保型水基切削液 。 环保型水基切削液项性能指标均达到或超过国家 一 标准对水基合成切液的要求并研究了一种能综合的实验方法 , 使配方 更能体现最高的综合性能 。 本课题的主要研究工作及结果如下 制备出了当前研究表明无毒 、 无害的绿色添加剂硼酸醋和梭酸醋 , 它们
都是多功能的绿色添加剂 。并通过对十几种不同的梭酸酷 包括一元脂肪酸 、

不饱和一元脂肪酸 、二元酸 、 其他酸等

防锈性能进行测试 , 得出油酸三乙醇 防锈性与极性基

胺 、癸二酸三 乙醇胺等具有较好的防锈性能 , 由试验表看出防锈性随碳链的增





, 防锈性能变好 但碳链过长 , 防锈性能反而降低

团有关 。 有机分子在水中的溶解性与烷基链的长度和亲水性极性基团的多少有 关 。当分子中同时含有多个极性基团且有适当长度疏水性烃基时 , 分子能有效 吸附在金属的表面 , 且能形成致密的保护层 , 表现出较好的防锈性能 。 表明其
防锈性与分子烷链长度 、分子中的极性基团种类及数 目有关 。

通过对添加剂的一系列筛选试验 , 找出符合要求的绿色添加剂 。发现硼
酸酷 、油酸三 乙醇胺 、癸二酸三乙醇胺 , 十二烯基丁二酸进行复配具有优 良的 防锈性 十二烯基丁二酸和合成硼酸酷是该切削液的主要防锈成分 , 其含量高 油酸三乙醇胺对切削液的防锈性能有很大 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 低对切削液的防锈性能有很大影响 促进作用

过多反而会减弱防锈性能 。

通过对 比试验可知硼酸酷和油酸三乙醇胺都有多功能的添加剂 , 它们除
具有防锈性 , 同时具有 良好的润滑性能 , 无论是在高压还是低压状态下 , 它们 都具有 良好 的润滑性 能和极压润滑性能 在低压状态下 , 硫脉对切削液的润滑

性能影响不明显 , 而随着压力的升高 , 它显示出一定的极压润滑效果

因此我

们可 以通过改变其用量 , 就能是防锈性 、润滑性达到最佳 。单独使用油酸三乙

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醇胺 、 硼酸酷或者硫脉时钢球所受摩擦力大大增加 。油酸三乙醇胺 、自合成硼 酸酷和硫脉具有很好的协同润滑性能 , 使得切削液在低压状况下有跟润滑油相 近的润滑性能 , 而在高压状况下显示出极好的极压润滑性能 , 从而显示出比润 滑油更佳的综合性能 。 利用正交试验方法分析 , 并结合模糊数学一级模糊模型研制出性能指标

均达到或超过国家
硼酸酷

一 标准的水基合成切削液的配方 , 其配方是
、 癸二三乙醇胺
, 苯甲酸钠

自制


、 十二烯基丁二酸
, 硼砂

、 油酸三乙醇胺
,



, 碳钠

, 硫脉

、 泡剂等其它试

剂少量 。

国家

一 标准没有把生物毒性作为水基切削液性能指标 , 导致

人们忽视 了切削液的危害 , 随着社会的发展 , 环保意识的提高 , 以及切削液的

危害逐步的引起人们的重视 , 把生物毒性作为水基切削液性能指标 , 是一种必 然的趋势 , 因此本课题结合国内外生物毒性的检测方法 , 寻找用鱼作为实验对 象 , 取得了很好的效果 。并经测试本课题研制的环保型切削液是真正的绿色产 品 , 值得推广应用 。

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武汉理工大学硕士学位论文





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武汉理工大学硕士学位论文

致 谢
本硕士学位论文是在导师杨红刚副教授的指导下完成的 。 他从试验阶段开 始一直到本论文的完成 , 都花费了大量的心血和精力 。导师严谨治学 、 精益求

精 、勇于探索 、 积极创新的精神 , 深深的感染了我 , 使我受益匪浅 。 无论是对
于我以后的工作还是继续学习都有非常大的帮助 。没有他的精心指导 , 本论文

的完成是无法想象的 。因此在这里向他表示最诚挚的感谢 。
另外 , 还得到了实验室许多师兄弟妹的支持和帮助 , 并一起度过了一段美 好的时光 , 在此也向他们表示感谢 。 在此也特别感谢我的父母 , 他们的无私奉献给 了我莫大的支持和鼓励 , 使 我顺利的完成了硕士论文 。

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附录
硕士在读期间发表论文情况

杨红刚 , 付运河 , 李

刚 , 郭 佳 武汉 “ 文化城 ” 主干道雄楚大街交
,

通噪声污染及对策研究
环境与健康杂志 ,

安全与环境工程 ,



杨红刚 , 李刚 , 谢科峰 , 田明明 , 付运河 汽车车内空气污染与对策
,


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