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SP202磨削液及其摩擦学性能评价
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 杨文庆 任晓平 赵洪 吴艳 点击:
现代磨削加工的线速度已由20-25m/s提高到100m/s或更高，深切缓进的磨削加工实现了“以磨代车”的历史性转变。在如此苛刻的工况条件下，乳化液作为润滑冷却介质已不能适应。近年来发展起来的化学合成型磨削液对高速磨削较为适应，但是就磨削液的摩擦性能和磨削工艺效果之间的相互关系尚缺乏研究，在这方面进行探讨，对磨削液乃至磨削工艺的发展会有俾益。
本文选择了一些国内外磨削液，通过进行台架试验和磨削比试验，测试考察了磨削液的μ、PB、PD等参数和磨削工艺效果(磨削力、磨削效率、磨削比、磨削表面粗糙度等)的关系，并在此基础上研制出了摩擦学性能较为理想的SP202磨削液。
SP202合成磨削液及其特点
SP202合成磨削液(以下简称SP202)中采用了Mo-B和B-N化合物为主体的添加剂，这类化合物据认为是无毒的或低毒性物质。采用的表面活性剂是属于容易生物降解的品种，排放后不会造成滞留性环境污染。体系稳定，能够在使用过程中始终保持透明状态。能持久维持良好的渗透和清洗能力，而且没有发霉变质的弊病。SP202的主要成分配比如下：
表面活性剂，属聚醚、多元醇类，用量按质量百分数w%计(以下均相同)为6%；
油性剂，属脂肪酸酯类，用量为4%；
防锈剂属钼-硼复合剂，用量为8%；
有色金属缓蚀剂为苯三唑，用量为0.1%；
极压剂为硼-氮化合物，用量为10%；
偶联剂属多元醇类，用量1%；
络合剂为乙二胺四乙酸盐，用量为0.5%
消泡剂属于分散剂、硅油类，用量为0.2%；
其余成分为去离子水。
按照GB/T6144-85规定的技术指标检验，SP202磨削液各项目均达到了标准的要求。5%稀释液PB为431.2N。GB/T6144-85标准规定II类合成的稀释液PB≥392N，III类、IV类的PB≥686N，摩擦系数μ和PD值均未作规定。但我们在测试一些进口样品中发现，一些商品磨削液的PB值低于392N和686N；但几乎全都有较低的μ和较高的PD值(见表1)。据此认为：研究μ、PB、PD这些数值对磨削工艺效果的影响无疑是有一定意义的。
为了评定磨削液的PB、PD值对磨削力、磨削效率、磨削加工表面质量的影响，我们调整了磨削液中油性剂、极压剂的含量和配比，制备出不同PB、PD值的试液，在专用试验台上进行磨削力、砂轮最大堵塞值、磨削效率及加工粗糙度的考察；通过磨床加工零件的实地检测，确认了PB、PD值与磨削工艺效果的关系。最后将较好的配方与国外同型样品作了攻丝扭矩的试验对比，以考查比较其技术水平。
专用台架试验
磨削力(法向磨削力Fn和切向磨削力Ft)；
砂轮最大堵塞值(μA)；
磨削效率用每修整1次砂轮后可磨削加工的工件数作为磨削效率指标(件/次)；
磨削加工后的表面粗糙度Ra(μm)，用砂轮修整前最后1件磨削加工件测得的表面粗糙度值和砂轮修整后的第1件磨削加工件测得的表面粗糙度值作为指标值。由表3可以看出：1#试液由于PB值较高，形成的润滑膜较为牢固，磨削时因为要同时撕破这种膜，就要消耗更多的功；而在极压状态，由于PD值较低、没有化学反应或物理沉积形成低剪切膜的条件，表现为磨削力较高和起伏波动较大，作为这种起伏变化的后果，磨削加工面的粗糙度也相应较高。与此同时，砂轮也会受到较大反作用力的冲击，易于形成粘附磨损和扩散性磨损，使砂轮空隙堵塞变钝。
2#试验液PB值较低，工件上形成的润滑膜易在磨削时去除；它的PD值较高，在极压状态能在被加工面不断形成易于磨削的低剪切膜，磨削力较小且波动较为平稳，基于同样的理由，砂轮受损较小，能保持锋利并可获得较好的磨削质量。
试验磨削力记录曲线见图2和图3。
在磨削加工中通常用磨削比G来表征砂轮的耐用度，而当砂轮、被加工材料和其他机械加工条件相同时，G就可以用来作为磨削液质量的评价指标之一。这里，G=Vm/Vs。式中：Vm为每磨削工件100件的金属磨除量，mm3；Vs为每磨削工件100件的砂轮磨损量，mm3。
为了寻求最佳的磨削比G效果，重新调整了配方中的油性剂、极压剂的用量和配比，获得了不同PB、PD值的试液，在磨床上进行实际磨削加工和测试。试验条件为：
为M8810外沟磨床；
砂轮规格为GB180R×；6，材质是橡胶砂轮
砂轮圆周速度Vs=24，000r/min；
试件为轴承外套，材质GCr15钢，尺寸203/01；
试件转速:NW=840r/min。
用千分表分别测量磨削加工前后的工件尺寸和砂轮尺寸，计量出Vm和Vs。每次加工、测量100件，重复进行3次，取3次的平均值，试验结果见图4。可见，磨削比G随PD/PB的比值增大而提高。在试验的设定范围内几乎呈直线关系。
攻丝扭矩试验
基于上述专用台架试验和磨削比试验，为了和国外同型产品(美国产合成液，为我国引进设备中比较广泛采用的一个品种)进行比较，制备了A、B型2种SP202合成磨削液，在上海大学研制的快速攻丝扭矩试验机上进行了攻丝扭矩的测定。
攻丝扭矩试验条件为:10mm标准，攻丝材料CrMo45钢，攻丝转速200r/min，试液浓度5%。试液参数和攻丝试验测定结果见表4。
中，试液A与进口样品比较，PB、PD值相当，而攻丝扭矩测试结果仅降低了8.16%，其差异可能是由于渗透、清洗能力不同所致。试液B由于PD/PB值比进口试样高，而攻丝扭矩测定结果比较，降低了22.75%。这就为SP202磨削液替代进口产品提供了技术依据。
从上述3种试验的结果可知，得到的结论是一致的，即在一定条件下，磨削液的PD/PB值是决定磨削工艺效果的重要参数之一。而仅依靠PB值来判断磨削液摩擦特性的作法显然是不完善的。
磨削液的生产验证
SP202磨削液已在十多家单位生产应用数年，根据各单位的使用试验报告，和过去使用的乳化液相比，可提高磨削比1-1.7倍，磨削量增加40%-75%，砂轮损耗降低26%-75%，改善加工表面粗糙度1-2小级；而且由于其不含油剂和有害成分，
无臭、无刺激性，有利于环境保护，对操作者健康无害，受到了普遍欢迎。
结语
通过专用台架试验和磨削比试验，确认仅用PB值来表达磨削液的摩擦特性是不完善的；在一定条件下PD/PB比值和磨削液的磨削比G呈线性关系，应作为判断磨削液性能的主要参数之一。据此研制出的SP202磨削液在生产使用中显示了良好的技术经济效益。
本文选择了一些国内外磨削液，通过进行台架试验和磨削比试验，测试考察了磨削液的μ、PB、PD等参数和磨削工艺效果(磨削力、磨削效率、磨削比、磨削表面粗糙度等)的关系，并在此基础上研制出了摩擦学性能较为理想的SP202磨削液。
SP202合成磨削液及其特点
SP202合成磨削液(以下简称SP202)中采用了Mo-B和B-N化合物为主体的添加剂，这类化合物据认为是无毒的或低毒性物质。采用的表面活性剂是属于容易生物降解的品种，排放后不会造成滞留性环境污染。体系稳定，能够在使用过程中始终保持透明状态。能持久维持良好的渗透和清洗能力，而且没有发霉变质的弊病。SP202的主要成分配比如下：
表面活性剂，属聚醚、多元醇类，用量按质量百分数w%计(以下均相同)为6%；
油性剂，属脂肪酸酯类，用量为4%；
防锈剂属钼-硼复合剂，用量为8%；
有色金属缓蚀剂为苯三唑，用量为0.1%；
极压剂为硼-氮化合物，用量为10%；
偶联剂属多元醇类，用量1%；
络合剂为乙二胺四乙酸盐，用量为0.5%
消泡剂属于分散剂、硅油类，用量为0.2%；
其余成分为去离子水。
按照GB/T6144-85规定的技术指标检验，SP202磨削液各项目均达到了标准的要求。5%稀释液PB为431.2N。GB/T6144-85标准规定II类合成的稀释液PB≥392N，III类、IV类的PB≥686N，摩擦系数μ和PD值均未作规定。但我们在测试一些进口样品中发现，一些商品磨削液的PB值低于392N和686N；但几乎全都有较低的μ和较高的PD值(见表1)。据此认为：研究μ、PB、PD这些数值对磨削工艺效果的影响无疑是有一定意义的。
表1 国产乳化液和几种进口样品的μ、PB、PD值
为了评定磨削液的PB、PD值对磨削力、磨削效率、磨削加工表面质量的影响，我们调整了磨削液中油性剂、极压剂的含量和配比，制备出不同PB、PD值的试液，在专用试验台上进行磨削力、砂轮最大堵塞值、磨削效率及加工粗糙度的考察；通过磨床加工零件的实地检测，确认了PB、PD值与磨削工艺效果的关系。最后将较好的配方与国外同型样品作了攻丝扭矩的试验对比，以考查比较其技术水平。
专用台架试验
图1 试验专用台架的示意图
磨削力(法向磨削力Fn和切向磨削力Ft)；
砂轮最大堵塞值(μA)；
磨削效率用每修整1次砂轮后可磨削加工的工件数作为磨削效率指标(件/次)；
磨削加工后的表面粗糙度Ra(μm)，用砂轮修整前最后1件磨削加工件测得的表面粗糙度值和砂轮修整后的第1件磨削加工件测得的表面粗糙度值作为指标值。由表3可以看出：1#试液由于PB值较高，形成的润滑膜较为牢固，磨削时因为要同时撕破这种膜，就要消耗更多的功；而在极压状态，由于PD值较低、没有化学反应或物理沉积形成低剪切膜的条件，表现为磨削力较高和起伏波动较大，作为这种起伏变化的后果，磨削加工面的粗糙度也相应较高。与此同时，砂轮也会受到较大反作用力的冲击，易于形成粘附磨损和扩散性磨损，使砂轮空隙堵塞变钝。
2#试验液PB值较低，工件上形成的润滑膜易在磨削时去除；它的PD值较高，在极压状态能在被加工面不断形成易于磨削的低剪切膜，磨削力较小且波动较为平稳，基于同样的理由，砂轮受损较小，能保持锋利并可获得较好的磨削质量。
试验磨削力记录曲线见图2和图3。
图2 1#(5%)磨削力曲线图
图3 2#(5%)磨削力曲线
在磨削加工中通常用磨削比G来表征砂轮的耐用度，而当砂轮、被加工材料和其他机械加工条件相同时，G就可以用来作为磨削液质量的评价指标之一。这里，G=Vm/Vs。式中：Vm为每磨削工件100件的金属磨除量，mm3；Vs为每磨削工件100件的砂轮磨损量，mm3。
为了寻求最佳的磨削比G效果，重新调整了配方中的油性剂、极压剂的用量和配比，获得了不同PB、PD值的试液，在磨床上进行实际磨削加工和测试。试验条件为：
为M8810外沟磨床；
砂轮规格为GB180R×；6，材质是橡胶砂轮
砂轮圆周速度Vs=24，000r/min；
试件为轴承外套，材质GCr15钢，尺寸203/01；
试件转速:NW=840r/min。
用千分表分别测量磨削加工前后的工件尺寸和砂轮尺寸，计量出Vm和Vs。每次加工、测量100件，重复进行3次，取3次的平均值，试验结果见图4。可见，磨削比G随PD/PB的比值增大而提高。在试验的设定范围内几乎呈直线关系。
图4 PD/PB比值对磨削比G影响的试验曲线
攻丝扭矩试验
基于上述专用台架试验和磨削比试验，为了和国外同型产品(美国产合成液，为我国引进设备中比较广泛采用的一个品种)进行比较，制备了A、B型2种SP202合成磨削液，在上海大学研制的快速攻丝扭矩试验机上进行了攻丝扭矩的测定。
攻丝扭矩试验条件为:10mm标准，攻丝材料CrMo45钢，攻丝转速200r/min，试液浓度5%。试液参数和攻丝试验测定结果见表4。
表4 试液参数和攻丝扭矩试验测定结果
中，试液A与进口样品比较，PB、PD值相当，而攻丝扭矩测试结果仅降低了8.16%，其差异可能是由于渗透、清洗能力不同所致。试液B由于PD/PB值比进口试样高，而攻丝扭矩测定结果比较，降低了22.75%。这就为SP202磨削液替代进口产品提供了技术依据。
从上述3种试验的结果可知，得到的结论是一致的，即在一定条件下，磨削液的PD/PB值是决定磨削工艺效果的重要参数之一。而仅依靠PB值来判断磨削液摩擦特性的作法显然是不完善的。
磨削液的生产验证
SP202磨削液已在十多家单位生产应用数年，根据各单位的使用试验报告，和过去使用的乳化液相比，可提高磨削比1-1.7倍，磨削量增加40%-75%，砂轮损耗降低26%-75%，改善加工表面粗糙度1-2小级；而且由于其不含油剂和有害成分，
无臭、无刺激性，有利于环境保护，对操作者健康无害，受到了普遍欢迎。
结语
通过专用台架试验和磨削比试验，确认仅用PB值来表达磨削液的摩擦特性是不完善的；在一定条件下PD/PB比值和磨削液的磨削比G呈线性关系，应作为判断磨削液性能的主要参数之一。据此研制出的SP202磨削液在生产使用中显示了良好的技术经济效益。