環(huán)保型切削液在軸承套圈磨削加工中的應(yīng)用分析

王衛(wèi)東，李海清，楊泳烽

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000；2.浙江新昌皮爾軸承有限公司，浙江 新昌 312500)

軸承套圈的材料主要是軸承鋼(GCr15等)，一般通過車削、磨削等方式進(jìn)行加工，其加工精度直接影響軸承的傳動精度，在磨削加工過程中除了砂輪本身的修整條件及磨料的韌性、粒度、結(jié)合度、組織等特性外，金屬切削液對軸承套圈磨削加工質(zhì)量的影響也不可忽略。

目前使用的切削液以油基和水基切削液為主：礦物油是油基切削液主要成分之一，其能長期滯留在水和土壤中且不易降解，破壞生態(tài)環(huán)境，在低溫焚燒處理時會產(chǎn)生有害物質(zhì)；水基切削液主要以乳化液、微乳液和合成切削液等為主，普通水基切削液中含亞硝酸鹽、硫、磷、苯酚等有害元素的添加劑和防銹劑，排到河流中會出現(xiàn)赤潮現(xiàn)象，同時，酚類和甲醛等殺菌劑也會對環(huán)境造成危害[1]。隨著環(huán)保法規(guī)的日益完善和人們環(huán)境意識的增強，切削液的使用和廢液處理備受關(guān)注[2]。因此，軸承生產(chǎn)企業(yè)對切削液提出了新的要求，選擇合適的環(huán)保型切削液進(jìn)行軸承的磨削加工成為備受關(guān)注的話題。

環(huán)保型切削液使用無毒無害的溶劑和催化劑進(jìn)行合理的配比，在使用及后處理過程中對環(huán)境的污染降到最低。現(xiàn)研制一種環(huán)保型切削液，并通過與普通水基切削液進(jìn)行試驗對比，研究其極壓潤滑性、防銹防腐性、冷卻性及清洗性。

1 切削液性能試驗

1.1 切削液的配比

普通水基切削液和環(huán)保型切削液的配比見表1。

表1 2種切削液的配比

1.2 試驗條件及方法

1.2.1 摩擦性能試驗

采用MRS-10A四球摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行切削液的摩擦性能對比試驗，該試驗機(jī)可實現(xiàn)60～10 000 N的無級調(diào)速，摩擦力測試范圍為0～300 N，測試誤差為±3%，主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，測試載荷分別為200，400，600，800，1 000，1 200 N時的摩擦力。計算機(jī)實時讀取力傳感器的數(shù)值，然后計算在載荷作用30 s下的摩擦力平均值。

1.2.2 防銹蝕性能試驗

對2種切削液的防銹蝕性能分別進(jìn)行單片試驗，環(huán)保型切削液中復(fù)合有機(jī)硼酸酯的添加量為0.25%。試驗相對濕度約為95%，溫度為(60±2) ℃。試片尺寸50 mm×50 mm，厚度3～5 mm，試片經(jīng)打磨拋光處理后用汽油、酒精洗凈后吹干待用，在已經(jīng)處理好的試片上分別滴5滴2種切削液，各液滴之間保持一定的距離，然后把試片放入潤濕槽中的瓷板上，蓋好蓋子，在保持其他試驗條件不變的情況下,24 h后觀察試片的防銹緩蝕率；然后以24 h為起點進(jìn)行連續(xù)試驗，分別在24，28，36，48，60，72 h時觀察試片銹蝕情況[3]。

1.2.3 防腐殺菌性能試驗

利用Mikrocount Combi細(xì)菌測試片分別蘸取2種切削液，放置于30～35 ℃環(huán)境下進(jìn)行菌絲培養(yǎng)，培養(yǎng)時間為72 h，然后取1環(huán)菌臺放入10 mL雙蒸水中通過振蕩處理后制片，菌絲顯微檢測采用CTR5000顯微鏡，用20倍目鏡和100倍物鏡放大2 000倍后觀察比較2種切削液菌絲顯微情況。

1.2.4 工件表面質(zhì)量試驗

分別用2種切削液磨削加工10個UC207軸承內(nèi)圈，利用Talysurf-i200粗糙度儀輪廓儀在室溫(20±2) ℃的環(huán)境下檢測試件的表面粗糙度Ra值。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦性能

硼酸酯在水基切削液中是一種多功能環(huán)保型添加劑，油酸三乙醇胺、硼酸酯和硫脲的協(xié)同作用使切削液具有潤滑和防銹功能。磨削過程中切削液在工件和砂輪表面形成物理(或化學(xué))吸附膜，且滲入到砂輪與軸承表面形成沉積膜，在金屬表面附著并展開，在高壓、高溫與激烈的摩擦狀態(tài)下2種膜共同作用，減摩效果明顯，并顯示出極好的極壓潤滑性能，有利于防止或減少金屬表面的直接接觸，達(dá)到減少粘結(jié)的目的[4]。

2種切削液測試載荷P與摩擦力F的對比如圖1所示。由圖可知，隨著測試載荷的增大，2種切削液的摩擦力均增加，但普通型水基切削液的摩擦力增幅較大，表明環(huán)保型切削液減摩效果更好。

圖1 環(huán)保型切削液與普通水基切削液P-F對比

2.2 防銹性能

環(huán)保型切削液與普通水基切削液防銹性能見表2。

表2 2種切削液防銹性能比較

由表2可知：隨著時間的延長，普通切削液防銹性能明顯減弱；環(huán)保型切削液在24～36 h的測試結(jié)果均為A級，48 h后開始出現(xiàn)輕微銹蝕現(xiàn)象，說明其防銹性能逐漸減弱，此時普通切削液則已出現(xiàn)較明顯銹跡現(xiàn)象；環(huán)保型切削液在72 h后出現(xiàn)較明顯銹蝕，說明環(huán)保型切削液在長時間的持續(xù)工作下同樣能保持良好的防銹性能。

2.3 防腐殺菌性能

水基切削液在使用過程中具備微生物和菌類生長繁殖的條件，容易腐敗變質(zhì)，需要添加防腐殺菌劑來抑制微生物以及菌類的生長。2種切削液的菌絲在顯微鏡下的組織如圖2所示。由圖可知，普通水基切削液的菌絲種類、大小和數(shù)量明顯高于環(huán)保型切削液，環(huán)保型切削液中的硼原子本身就具有殺菌作用，硼酸在醫(yī)藥行業(yè)常用作消毒劑，說明硼酸酯可使水基金屬切削液中微生物的繁殖能力下降，具有較強的防腐殺菌性能。此外，環(huán)保型切削液在不需要添加其他添加劑的情況下就可實現(xiàn)防腐殺菌的效果，節(jié)約了成本。

圖2 2種切削液菌絲顯微圖(×2 000)

2.4 工件表面質(zhì)量

使用2種切削液加工的軸承內(nèi)圈的表面質(zhì)量檢測見表3。通過計算得到，普通水基切削液和環(huán)保型切削液加工試件的表面粗糙度Ra的算術(shù)平均值分別為0.821，0.684 μm，環(huán)保型切削液加工內(nèi)圈的表面粗糙度值比普通水基切削液的低，且試件表面經(jīng)酸洗后無燒傷和劃痕[5](圖3)，利用環(huán)保型切削液磨削加工工件可有效提高工件表面質(zhì)量，其主要原因是環(huán)保型切削液潤滑、冷卻、清洗作用良好。

表3 2種切削液下軸承內(nèi)圈表面粗糙度Ra

圖3 2種切削液加工內(nèi)圈酸洗后的對比圖

3 切削液的處理與排放

目前，應(yīng)用較多的水基切削液的廢液處理方式主要有物理處理、化學(xué)處理、生物處理、燃燒處理。對于環(huán)保型切削液最為有效的處理方式之一是建立切削液回收再利用系統(tǒng)，將每臺機(jī)床應(yīng)用后的切削液匯集到一起，通過過濾處理后經(jīng)管網(wǎng)再輸送到每臺機(jī)床進(jìn)行循環(huán)使用，對于含有切屑、磨粒等雜質(zhì)的切削液通過地溝或管道流回切削液廢液處理系統(tǒng)進(jìn)行再處理，廢液所含雜質(zhì)等進(jìn)行收集處理，環(huán)保型切削液的生物降解率可達(dá)90%～100%[6]。切削液在使用過程中應(yīng)通過指標(biāo)檢測與維護(hù)，及時了解切削液的變化趨勢，保證加工的正常進(jìn)行，延長切削液的使用壽命。

4 環(huán)保型切削液的使用成本及使用周期分析

環(huán)保型切削液在使用過程中不僅應(yīng)具有良好的環(huán)保性能，使用成本也應(yīng)合理。分別在軸承內(nèi)磨1，2車間的軸承磨削生產(chǎn)線中使用普通水基切削液和環(huán)保型切削液，均采用切削液循環(huán)再利用系統(tǒng)，通過廢液處理及切削液自身價格核算后發(fā)現(xiàn)：使用環(huán)保型切削液生產(chǎn)線切削液的成本降低50%～60%。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，使用普通水基切削液的軸承內(nèi)磨1車間在1～4月和10～12月切削液微生物檢測后平均每2個月需要添加制劑一次，在5～9月切削液微生物檢測后平均每1個月需要添加制劑1次，每年更換1次切削液，廢液需要專門化處理；使用環(huán)保型切削液的軸承內(nèi)磨2車間通過監(jiān)測切削液微生物指標(biāo)后約每6個月需要添加制劑1次，2年更換1次切削液，且廢液可得到有效降解。所以，使用環(huán)保型切削液不僅降低對環(huán)境的污染，而且使用成本及使用周期均得到了改進(jìn)。

5 結(jié)束語

通過對比普通切削液與環(huán)保型水基切削液的使用性能可知，環(huán)保型水基切削液的潤滑、防銹性能良好，可以提高軸承內(nèi)、外圈的加工精度及表面質(zhì)量，降低使用成本，在廢液處理、使用周期及職業(yè)健康安全方面正朝著綠色方向發(fā)展。