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铝合金金属切削油(液)的研究

铝合金石有色金属中用途较广的金属之一,它具有密度小、质量轻、比强度高、导电与导热性好且具有加好耐腐蚀性。随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车工业、石油化工、电信和原子能源及空间技术新型工业的崛起,铝合金金属加工变得十分普遍。但由于铝合金化学活泼性较强、质地较软粘性较强,生产加工出现的问题也比较多,最为常见的有切削油粘刀和切削液磨削液加工中工件氧化失色产生黑斑等问题。这些问题一直得不到解决,致使加工效率低,阻碍了我国铝合金加工工业水平的提高。许多厂家一直依靠进口切削油(液),花了大量的外汇,也增大加工油(液)的成本。目前国内用于铝合金切削用的切削油主要是普通切削油,普通切削油存在的问题是闪点低,在高速切削时烟雾较重,危险系数较高,油性、极压性不够,而且由于闪点低、挥发快,用户使用成本相应变高。目前国内在机械加工行业中用与铝合金加工的水溶性切削液主要是用乳化油,用乳化油加工存在的问题是使用寿命短、加工时能见度较差、易腐蚀发臭,废液较难处理。一般主要用在普通机床上,很少在加工中心使用。

一、原理

铝的比切削能比钢的低约三分之一,与铝加工相关联的而两个特殊问题是切削瘤和“虚假切削”形成。对铝加工而言,由于其质地较软,粘性很强,因此在切削速度低时,刀具与工件之间的接触时间越长,切削热没有及时被带走,在工件和刀具之间就越易产生切削瘤。所谓积屑瘤是指在以100m/min以下的速度切削像铝合金之类质软粘性强的金属材料时,切削刃附近黏附上的比加工材料更硬的层状物。切削瘤的形成取于以下参数:切削速度,切削角,切削区的润滑,进刀等等。但是切削速度越高却越易形成虚假切削,因为较高的切削速度导致切削区产生短时高温,但温度上升到使工件材料变成膏状的程度,则材料将被挤出接触区,磁材料然后固化,固化后形成虚假切削。因此,对铝切削来讲,提高切削实地,用以减少切削瘤的产生;增加润滑性,减少摩擦从而尽可能减少切削热,用以避免虚假切削。

本文研制的高速铝合金切削油主要是由油性剂组成。所谓的油性剂是脂肪油、脂肪酸、脂类和高级醇等。油性剂对金属表面有强的吸附性能,具有良好的润滑性能,能有效降低切削油的摩擦系数,有助于移送切屑和避免切削瘤的形成。控制温度上升的最好方法是使用切削液。在使用切削液加工铝时,由于铝的化学活性较强,酸或碱性溶液都会对铝工件产生腐蚀。为了解决该问题,通常加入铝钝化剂或铝缓蚀剂。钝化剂或缓蚀剂在铝金属表面形成一种致密的保护膜,该保护膜与酸或碱不易起反应,从而达到保护工件的目的。本文研制的铝和金切削液使用的缓蚀剂为含磷的水溶性化合物。为了达到工件的加工光泽度,本文采用半合成型切削液,用半合成复合剂、油性剂、表面活性剂以及油酸皂等调制而成。

二、实验研究

(一)、铝合金高速切削油

 切削油极压性能和润滑性能的评价方法目前国内外一般采用四球机来评定润滑油的润滑性和极压性,用摩擦系数来评定切削油的润滑性。一般来讲,在切削油中,用四球机评定烧结负荷来衡量有的极压型与实际应用比较接近。烧结负荷越高的则极压性能相对好些。用四球机评定最大无卡咬负荷和切削液的摩擦系数来衡量切削油的润滑性。最大无卡咬负荷越高,摩擦系数越小则油的润滑性相对就越好。因此本文在研制过程中主要一四球机的烧结负荷PD作为评定切削油极压性的方法。以四球机的最大无卡咬负荷和AMSTARL油性摩擦实验机来测定油品的摩擦系数作为评定切削油的润滑性方法。

1、 基础油的选择

依据研究中切削油的各项指标,经过筛选和对比,选用韩国产的70SN基础油。该基础油黏度范围在8~12mm2/s,色度不小于+25,闪点不低于180°C,黏度指数不低于100。各项指标适合本文的要求。

2、 润滑剂的选择与配伍

根据铝合金的性能,对铝合金加工一般采用油性添加剂降低切削油的摩擦系数减少切削力,就可以解决加工时的润滑问题。一般带有—OH、—COOH、—N(ROH)2、—NH2、—CONH2、—NHROH(RO)2COOH等极性基团的化合物,都可作为油性剂。常用的油性为高级脂肪酸如油酸、月桂酸、棕榈酸;脂肪酸酯如硬脂酸酯、油酸酯;酰胺化合物;硫化棉子油等等。经过实验和评定选择抗氧化性较好的植物油脂和合成酯类作为油性剂。

3、 抗烟雾剂的选择

     对高速切削油,低油雾也就是常说的低烟雾是一个重要指标。抗烟雾剂在高温下产生气障,油雾进入后迅速被冷却,从而达到将烟雾的效果。通常所用的抗烟雾剂为高分子聚合物, 包括烯烃共聚物、聚烷基丙烯酸酯。聚异丁烯氢化苯乙烯共聚物等。经过多次实验和工厂应用极性能对比,最后确定用聚异丁烯类作为抗烟雾剂。

     (二)铝合金切削液

1、切削液的选型

切削液可分为非水溶性和水溶性两大类。在机械加工中,应根据被加工材料性质及加工特性的差异来选用不同类型的切削液。由于铝合金在加工中易产生积屑瘤,积屑瘤的附着造成切深加大,使尺寸精度难于获得。为了控制切削瘤的产生,一是尽可能的提高加工速度,二是采用润滑性好的切削液。水溶性切削液根据切削液中含有矿物油的多少来划分为三大类:

1)乳化油。该种切削液的矿油含量约为50%~80%,它是有矿油、乳化剂、防锈剂、极压剂和杀菌剂等组成,在水中形成水包油型或油包水型乳化液。与油基切削液相比,乳化油最大的优点在与冷却效果好,一般稀释为5%~10%的水溶液使用,成本较低,使用安全。乳化液最大的缺点是稳定性差,易受细菌、霉菌的侵蚀而发臭变质,使用周期短;

2)半合成型切削液。这类切削液的含油量为5%~20%,含有大量的表面活性剂和极压添加剂。可在水中形成透明或半透明的液体,乳化颗粒在0.1um以下(一般乳化油的颗粒大于1um)。半合成切削液的优点是稳定性较乳化油大大提高,使用也比乳化油长,并有较好的润滑性能;

3)全合成切削液,它不含矿物油,主要由表面活性剂、水溶性极压、防锈剂和润滑剂组成。特点是具有优良的冷却性,使用周期长。缺点是润滑性相对较差,不太合适精度要求较高的场合使用。据了解国外用于铝合金加工的水溶性冷却液都选用半合成型,同时根据三种类型切削液的优缺点以及铝合金切削的特点,选择半合成切削液作为本文的研究方向。

  2、极压添加剂和缓蚀剂的选择

 添加剂在切削液中的用量虽少,却起着相当重要的作用。极压添加剂也是铝合金切削液中的一个重要组分。常用的极压剂为SPCI的有机化合物,一RXN表示(其中X代表SPCI)。其在高温高压下发生C-X键断裂,其中X与金属摩擦面中的Fe元素其反应,生成FeXNFeXN是一层摩擦系数小、剪切强度低、耐极压性能高的固体润滑膜,由于它的存在,使切削屑容易切离而减少了刀尖黏附物,不仅有效降低了刀尖温度,降低了切削力,且保证了苛刻条件下的润滑状态。

 对铝合金切削液中添加剂的需按用还有一个重要的选择依据是该添加剂的加入不但能改善切削液的使用性能而且要有笑保护工件,不能使工件氧化失色产生色斑。因此,使用的极压剂,既要有极压效果又要对铝合金加工工件有较好的保护作用。资料表明,磷系的化合物对铝及铝合金有较好的保护作用。早期资料报道,无机盐对铝有保护作用,目数越高的硅酸盐对铝件有缓蚀作用。通过实验及工厂实验证实以上两种无机盐对铝金属确实有保护作用,但在切削加工中存在诸多缺点。如加工过程中易于析出粘着刀具以及附着在机床表面,从而影响加工等等。

 在选用添加剂时,经过多次实验筛选,发现美国LUBRZOL公司生产的ADDCOL410-P含磷极压添加剂既有极压效果有有保护铝的作用的要求。ADDCOL410-P是一种新型的水溶性含磷极压剂,是一种聚醚类磷酸盐,含量在90%以上,其中的磷一游离酸的形式存在,在使用过程中不需要碱性中和就可溶解于水。该添加剂添加量在1%~4%,通过实验表明加入量在2%时效果较好,能有效保护铝及铝合金加工后的工件色泽,在工厂的实际加工中也没有发现无机盐的析出。

3、 表面活性剂的选择

由于半合成型切削液的原液中矿油的含量少,而本文所选用的极压剂和其它添加剂,有油溶性也有水溶性的,因此须添加表面活性剂才能把多种不完全相溶的物质均匀而稳定的混溶为一体。表面活性剂的种类繁多,其性质和用途也个不相同,但很少单独使用。因此本文参照能显示表面活性剂亲水性和亲油性平衡性能的HLB值,挑选了几种表面活性剂进行单用或复合使用试验,观察其对切削液相态稳定性的影响。实验中海同时考虑了便面活性剂对切削液渗透能力的影响。

在选择表面活性剂的试验中,通过观察比较切削液相态的稳定性以及四球性能测试比较,确定了两种表面活性剂,适合本配方使用。

三、进口同类产品比较

1 FANOXN33技术指标与研制的铝合金高速切削油对比

             

FANON33

     切削油

     试验方法

色度

+25

      +25

      色度仪

       运动黏度

   8 .2

      9 .6

      GB/T265

最大无卡咬负荷PB/N

   343

      392

      GB/T3142

      烧结负荷PD/N

   1470

      1560

      GB/T3142

       摩擦系数

   0.081

      0.076

   AMSLER试验机

埃索石油公司出品的HANOXN33是目前国内用得较多的铝合金高速切削油。它含有油雾抑制剂,能防止油品雾化。其主要技术指标与本文研制的铝合金高速切削油对比如表1.从表1可以看出,研制的铝合金高速切削油主要技术指标与埃索德FANOXN33比较接近。

嘉实多石油公司生产的284半合成切削液是目前国内使用较多的用于切削加工的水溶性进口产品。其技术指标与本文研制的切削液对照如表2.

项目

CASTROL284

切削液

    试验方法

防锈试验(35°C±2

 合格

      合格

    GB/T6144

腐蚀试验铝片(55°C±2

 不变色

     不变色

    GB/T6144

最大无卡咬负荷PB/N

 490

      882

    GB/T3142

烧结负荷PD/N

 1176

      1323

    GB/T3142

 2嘉实多的284技术指标与铝合金切削液对照

 从表2可以看出,本文研制的铝合金切削液与嘉实多284的技术指标接近,可作为该种切削液的待用产品。

 四、结论

 研制的铝合金高速切削油具有良好的极压润滑性,高闪点,低烟雾,对铝合金高速加工具有良好的效果。铝合金切削液具有使用寿命长,润滑性好,有效保护工件,提高加工质量。产品克服了以往国产铝合金切削油(液)的缺点,性能优良,提升了产品的市场竞争力,市场前景广阔。

 
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