曾海燕 王一助 戴恩期 向 暉

(廣州機械科學研究院有限公司 廣東廣州 510700)

水基金屬加工液具有冷卻效果好、可節(jié)約能源和提高工作效率等特點，已廣泛應用于金屬加工工藝中，起到良好的使用效果。水基金屬加工液產(chǎn)品可分為乳化油、半合成液和全合成液三大類[1]。全合成切削液具有使用壽命長，易于再生處理等特點，隨著近年來環(huán)保要求越來越嚴格，已廣泛用于金屬加工過程中[2-4]。全合成液含水量高，冷卻效果非常優(yōu)異；但其不含油，潤滑效果一般，一般通過添加大量潤滑極壓劑以提高其潤滑效果[5-6]。

自乳化酯由于其特殊結構，具有優(yōu)異的生物降解性能和低毒特性?？紤]到其兼具乳化性和酯類化合物的潤滑性，研發(fā)工程師將其用于金屬加工液配方研發(fā)中，在潤滑和抗泡方面取得了良好的應用效果，近年來已廣泛應用于金屬加工液中[7]。研究表明，使用高分子量的自乳化酯可以有效提高金屬乳化切削液的潤滑性能，已成為開發(fā)潤滑性能優(yōu)異、使用壽命長的金屬乳化切削液的重要添加劑之一[8]。

傳統(tǒng)合成切削液其潤滑劑主要以聚醚或脂肪酸為主，聚醚的潤滑效果主要體現(xiàn)在它的逆溶性，當切削溫度高于聚醚的濁點時，聚醚從溶液中析出形成油滴狀，為切削加工提供良好的流體潤滑[9]。但以聚醚作為潤滑劑的全合成切削液，普遍存在潤滑性能低、聚醚析出粘附金屬屑；以四聚蓖麻油酸酯等脂肪酸類作為潤滑劑的全合成切削液，存在泡沫大、抗硬水差、易滋生細菌、使用壽命短等問題[10]。為探討自乳化酯作為全合成切削液主潤滑劑的可能性，本文作者采用市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯3種材料作為潤滑劑，調配了不同的合成切削液配方，借助Micro Tap攻絲扭矩和四球抗磨性能和泡沫特性等試驗方法，對3種材料的潤滑性、抗磨性能和泡沫性能進行對比分析。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

主要試驗材料：自乳化酯Priolube 3952，工業(yè)級；聚醚RPE 1720，工業(yè)級；四聚蓖麻油酯Hostagliss L4，工業(yè)級；耦合劑，工業(yè)級。

Priolube 3952自乳化酯主要是以植物油中大量的不飽和鍵與不飽和脂肪酸或酸酐進行加成，再用氨基醇將羧酸或酸酐進行部分酯化[11]。自乳化酯結構中同時含有酯基團和較多強極性基團(如羧基、羧酸根)，這類自乳化酯以游離酸形式存在時酸值較大，使用時需要用一定量的堿性物質加以中和[12]。該自乳化酯具有植物油優(yōu)異的潤滑性能，且結構中不含聚氧乙烯醚鏈段，抗泡沫性能優(yōu)異[13]。

1.2 合成切削液的配制

以市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯作為潤滑劑，調配5種合成切削液配方，如表1所示，同時還配制了參比樣R。

表1 切削液配方

1.3 試驗方法

(1)四球摩擦磨損試驗

使用四球抗磨試驗機，按照D-4172標準來測定質量分數(shù)10%全合成切削液的磨斑直徑和摩擦因數(shù)。

(2)攻絲扭矩試驗

采用Micro Tap G8型攻絲扭矩試驗機測定全合成切削液的潤滑性能。扭矩試驗機是模擬金屬攻絲加工的實驗方法，通過使用絲錐在試驗板材上進行攻絲試驗，選用不同的切削液作為冷卻介質，采集攻絲過程中的扭矩，參照ASTM D—5619方法進行數(shù)據(jù)處理。試驗條件如表2所示。選取其中一個樣品作為參比樣品，采用相對效率來比較潤滑性能的優(yōu)劣。計算公式為

表2 Micro Tap攻絲扭矩試驗機的試驗條件

(3)泡沫試驗：參考CNOMO的D655212方法的液體循環(huán)試驗來評價全合成切削液的泡沫性能。

2 試驗結果與討論

2.1 自乳化酯的潤滑性能研究

5種合成切削液樣品在Micro Tap攻絲扭矩試驗機上進行潤滑性能對比實驗，結果如表3所示。比較不同自乳化酯添加量的樣品C、D和E的結果可知，隨著自乳化酯添加量的增加，合成切削液的潤滑性能提升；比較樣品A、B和C的結果可以得出，在相同添加量的情況下，自乳化酯與四聚蓖麻油酸酯的潤滑性能大體相當，且顯著優(yōu)于聚醚的潤滑性能；比較樣品A和E的結果可以看出，添加質量分數(shù)5%自乳化酯的樣品E與添加質量分數(shù)15%聚醚的樣品A的潤滑性能基本相當。由此可見，對于鋼和鋁合金加工，在切削液中添加一定量的自乳化酯，具有和四聚蓖麻油酸酯相當?shù)臐櫥阅埽绎@著優(yōu)于聚醚類添加劑的潤滑性能。這是由于自乳化酯利用植物油(不飽和程度較高的大豆油或菜籽油)中的不飽和脂肪酸進行加成和部分酯化，這種自乳化酯由于結構中的極性基團較多，且其脂肪酸碳鏈聚合加成，在金屬表面具有較強的吸附性能，因而具有良好的潤滑性能。

表3 切削液攻絲扭矩試驗結果 單位：%

2.2 自乳化酯的抗磨性能研究

選用質量分數(shù)為10%的切削液，在四球試驗機上在196 N負載下長磨30 min，測試各切削液潤滑下的摩擦因數(shù)、磨斑直徑，考察自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3種潤滑劑的減磨、抗磨效果。結果如圖1、2所示。

從圖 1可以看出，與參比樣R相比，隨著潤滑添加劑的加入，切削液樣品A、B、C的長磨摩擦因數(shù)顯著降低。未添加潤滑劑的切削液參比樣R的摩擦因數(shù)為0.353，且實驗過程中摩擦因數(shù)曲線上下波動較大；添加聚醚潤滑劑的樣品A的摩擦因數(shù)顯著下降，為0.121，且實驗過程中摩擦因數(shù)曲線變得平滑；添加四聚蓖麻油酸酯的樣品B的摩擦因數(shù)降至0.089，為3種潤滑劑中最低；添加自乳化酯的樣品C的摩擦因數(shù)降至0.103。

圖1 含不同添加劑的合成切削液的摩擦因數(shù)曲線

圖 2 長磨鋼球表面磨斑的電鏡圖

由圖 2可知，在相同的實驗條件下，參比樣R、樣品A、樣品C、樣品B為切削液時的磨斑直徑分別為1.12、0.82、0.71、0.68 mm，表明樣品B的抗磨性能最好，然后依次為樣品C、樣品A、參比樣R。切削液中在沒有添加潤滑劑條件下的鋼球表面的劃痕較深，磨斑直徑較大。切削液中加入聚醚類潤滑劑后，鋼球表面明顯變得光滑，犁溝變淺，說明聚醚在切削液中具有一定的抗磨性。這可能是由于在長磨過程中，隨著時間的延長，鋼球間摩擦產(chǎn)生熱量，當溫度高于聚醚的濁點時，聚醚從切削液中析出，形成一層油狀物質，吸附在鋼球表面降低鋼球間的摩擦力，使得摩擦因數(shù)降低[14]。而切削液中加入四聚蓖麻油酸酯后，鋼球磨斑直徑明顯變小，鋼球表面劃痕很淺，沒有犁溝。這主要是由于四聚蓖麻油酸酯含有羧基官能團，具有較強的極性，容易吸附在鋼球表面，形成一層潤滑膜，增加切削液的油膜強度，在長磨過程中顯著降低摩擦因數(shù)，使得磨斑直徑變小。自乳化酯由于結構中的極性基團較多，使得這其在金屬表面具有較強的吸附性，從而提高了切削液的潤滑性能。

2.3 自乳化酯的泡沫性能研究

泡沫是氣體在液體中的一種粗分散體系，氣體占據(jù)大部分的體積，液體成為在氣泡之間的薄膜[15]。當高分子化合物類潤滑劑或表面活性劑加入至切削液中，在氣液界面上形成一層吸附膜，就有可能形成比較穩(wěn)定的泡沫[16]。隨著現(xiàn)代機床的大規(guī)模普及，主軸轉速越來越快，切削液的噴流壓力也越來越大，如果切削液的消泡性能差就會引起一些問題，例如泡沫使切削液冷卻性能下降，致使工件表面燒傷；大量泡沫還會削弱刀具與工件接觸面的冷卻和潤滑效果；泡沫使得切削液流失，導致加工費用增加；泡沫還會造成空穴現(xiàn)象，導致抽液泵壽命縮短[17-18]。因此，評定切削液的抗泡性能非常重要。

采用液體循環(huán)泡沫試驗機對含自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3種潤滑劑的切削液的抗泡性能進行分析，結果如圖3所示。

圖3 含不同添加劑的合成切削液的泡沫性能

從圖3可知，添加聚醚的樣品A的起泡量明顯少于添加四聚蓖麻油酸酯的樣品B和添加自乳化酯的樣品C，且消泡速度也最快；添加自乳化酯的樣品C的泡沫體積為200 mL，15 min后泡沫體積為160 mL；四聚蓖麻油酸酯的泡沫體積達280 mL，且消泡速度也最慢，15 min后仍有180 mL。這是因為聚醚由EO環(huán)氧乙烷、PO環(huán)氧丙烷嵌段聚合而成，EO親水性強，PO親油性強，EO含量越高，HLB值越高，相對濁點越高，泡沫相對越多，且聚醚在磨削過程中隨著溫度的上升相對析出越少，相對消泡速度越慢；自乳化酯的結構中可能包括羧基基團、聚氧乙烯鏈和聚氧丙烯或聚氧丁烯鏈段，與有機胺中和后，具有非常好的乳化能力，且泡沫傾向較低；四聚蓖麻油酸酯分子中同時有大量羥基、雙鍵以及羧基官能團，可以發(fā)生多種反應，與有機胺或無機堿反應后，生成的蓖麻油酸銨鹽乳化能力強，相對泡沫較多。

3 結論

(1)通過攻絲扭矩試驗機和四球抗磨試驗機，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的潤滑性能和抗磨性能。結果表明：自乳化酯在全合成切削液中的潤滑性能及抗磨性能顯著優(yōu)于聚醚，與四聚蓖麻油酸酯潤滑性能相當。

(2)通過泡沫試驗機，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的抗泡性能。結果表明：自乳化酯在全合成切削液中的抗泡性能顯著優(yōu)于四聚蓖麻油酸酯，與聚醚的抗泡性能相當。

(3)自乳化酯是一種不含硫、磷、氯等元素，對環(huán)境友好、綠色環(huán)保的潤滑劑，具有良好的潤滑及抗磨作用，且泡沫相對較低，可以與其他類型添加劑復配，廣泛用于全合成切削液中。