表面活性劑對滾磨光整加工影響的實(shí)驗(yàn)研究

申 歡 ，李文輝 ，王燕青 ，劉一睿

1 引言

滾磨光整加工是將工件、磨塊和磨液按一定混合比裝入滾筒中，當(dāng)滾筒運(yùn)動(dòng)時(shí)，在工件和磨塊間產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力和強(qiáng)制流動(dòng)力，迫使磨塊對工件產(chǎn)生碰撞、滾壓、滑擦和刻劃，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面的光整加工[1]。在滾磨光整加工中，表面活性劑作為磨液最重要成份，其作用是別的添加劑不可替代，能夠起到潤滑、防銹緩蝕、表面活性、防腐殺菌、消泡和穩(wěn)定。表面活性劑在工業(yè)生產(chǎn)和人類日常生活中的應(yīng)用越來越廣，并占有特殊重要的地位，被稱作為“工業(yè)味精”[2]。

國內(nèi)外對磨液配方研究處于保密狀態(tài)，對于如何選取表面活性劑尚不明確，并且在滾磨光整領(lǐng)域中，表面活性劑作用機(jī)理的研究處于真空階段，所以研究表面活性劑在滾磨光整加工中的作用效果和作用機(jī)理具有重要的意義。

由于國內(nèi)外對表面活性劑在滾磨光整加工中應(yīng)用及作用機(jī)理研究較少，且出于商業(yè)利益的考慮，適合滾磨的表面活性劑沒有相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)。所以通過理論分析，選取合適的表面活性劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究表面活性劑在滾磨光整加工中的作用效果和機(jī)理。

2 表面活性劑

2.1 適合滾磨光整加工的表面活性劑參考因素

針對如何初步選取適合滾磨光整加工的表面活性劑，應(yīng)從以下幾個(gè)方面：（1）表面活性劑的HLB值大小：HLB即親水親油平衡值[3]，HLB 值在（10～18）期間時(shí)，乳化性、去污性及增溶性較好，但過大會(huì)造成去污性能減小，所以HLB值位于（10～15）之間利于才滿足滾磨光整加工的要求；（2）電離能力：表面活性劑所帶電荷，對表面活性劑-聚合物相互作用具有重要影響[4]，可以改變磨塊之間及磨塊與工件之間的作用力，減小磨塊的磨耗率，增長磨塊的使用壽命，但不是電離能力越大越好，過大會(huì)造成磨削力下降；（3）降低表面張力的大小：表面活性劑具有兩親性，能夠使水的表面張力降低，增大潤滑角[5]，潤濕角增加磨液與工件，磨液與磨塊的接觸，使磨液充分濕潤工件，最大化發(fā)揮磨液潤滑、增大磨削力和穩(wěn)定等作用。

2.2 選取表面活性劑

（1）十二烷基苯磺酸鈉，英文名，簡稱SDBS。白色或淡黃色粉狀或片狀固體。易溶于水，對堿，稀酸，硬水化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，微毒，具有腐蝕性[6]。

（2）脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，簡稱AES。無色、白色或淺黃色粘稠液體，易溶于水，具有優(yōu)良的去污、乳化、發(fā)泡性能和抗硬水性能，是常用的陰離子型表面活性劑[7]。

（3）椰油酸二乙醇酰胺，簡稱CDEA。琥珀色粘稠液體，無異味，易溶于水，具有良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡、滲透去污、抗硬水等功能，是常用的非離子型表面活性[8]。

3 試件及實(shí)驗(yàn)儀器選擇

3.1 實(shí)驗(yàn)試件

試件選用擠壓成型的AL6061管。試件尺寸外徑38mm，內(nèi)徑34mm，長70mm，考慮到滾磨光整加工一般作為工藝的最后的一道工序，管的外表面經(jīng)車削加工，平均粗糙度Ra 0.9左右。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中采用儀器，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備Tab.1 Instrumental Equipment Used in the Experiment

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)對象為AL6061鋁合金，光整加工區(qū)域?yàn)楣艿耐獗砻?，采用BKL-LL05設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過程在滾筒中加入250ml的純水與不同的濃度表面活性劑進(jìn)行混合，每次運(yùn)轉(zhuǎn)10min，采用Mahr粗糙度儀測量表面粗糙度。為了提高測量的精度，同一位置點(diǎn)測量5次，并旋轉(zhuǎn)一定角度測量5個(gè)位置，取平均值。

4.1.1 SDBS對表面粗糙度影響分析

水的表面張力比固體臨界表面張力高，不能發(fā)生鋪展。在水中加入一些表面活性劑，使水能很好地潤濕固體，該作用的實(shí)質(zhì)是降低液相的表面張力，使之小于固體的臨界表面張力而滿足鋪展發(fā)生的條件[9]。如圖1所示，濃度度在2%之前，下降趨勢不明顯，SDBS濃度過小，水的張力降低不夠，工件不能夠充分與SDBS接觸，并且泡沫量太少不能及時(shí)帶走金屬微粒。濃度在（2～5）%期間時(shí)，隨著SDBS濃度增大，表面張力降低到一定程度使磨液更容易起泡且泡沫不易破裂，產(chǎn)生的大量泡沫有利于除油污帶走微粒金屬。加工40min后，滾筒依然保持濕潤的狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 SDBS濃度與表面粗糙度的關(guān)系Fig.1 The Relationship Between SDBS Concentration and Surface Roughness

圖2 干磨和濕磨現(xiàn)象Fig.2 Dry Grinding and Wet Grinding Phenomenon

當(dāng)達(dá)到6%時(shí)，粗糙度下降速度減小，主要隨著濃度增大，泡沫量增多，水分減小流動(dòng)性變差，冷卻性能下降，另外過多的SDBS電離過多離子使的排斥力增強(qiáng)，造成工件和磨塊吸附表面活性劑能力下降。當(dāng)濃度達(dá)到7%時(shí)，在（0～10）min，工件粗糙度依然呈下降趨勢，因?yàn)镾DBS濃度雖然過高，但不能在短時(shí)間內(nèi)全部溶解于水中并起作用，隨著加工時(shí)間的增長，SDBS完全溶解，造成電離程度過大，表面張力過低，潤滑性過大，磨塊之間的作用力及與工件作用力減小過多，并且濃度過高，表面張力太低使得磨液產(chǎn)生過多泡沫，造成水分極速流失，從而導(dǎo)致流動(dòng)性變的極差不能及時(shí)帶走切下來金屬微粒，使加工環(huán)境變差，如圖3所示。當(dāng)濃度超過8%時(shí)，加工40min后甚至造成干磨的現(xiàn)象。

圖3 滾筒內(nèi)水流失狀況Fig.3 Drum Water Loss Situation

4.1.2 AES、CDEA（1：1）對表面粗糙影響分析

AES具有良好的去污、潤濕和乳化分散性能，CDEA（1：1）也具有較強(qiáng)的去油污能力和潤濕能力，有利于滾磨光整加工。如圖4、圖5所示，整體曲線趨勢跟SDBS相差不多，但粗糙降低速度不如SDBS，因?yàn)锳ES的HLB值為12，CDEA的HLB值為14都大于SDBS的HLB值，隨著HLB值增大，濕潤作用減小，工件及磨塊不能充分潤滑，而電離能力過強(qiáng)造成表面張力降低速度加快，產(chǎn)生泡沫量也增多，水分蒸發(fā)速度加快，流動(dòng)性短時(shí)間內(nèi)變差，故粗糙度降低隨著時(shí)間減緩，當(dāng)濃度達(dá)到7%時(shí)，由于AES和CDEA（1:1）比SDBS具有更好的濕潤能力，加工環(huán)境變差，但磨塊和工件依然保持濕潤狀態(tài)，所以粗糙度依然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 AES濃度與表面粗糙度的關(guān)系Fig.4 The Relationship Between AES Concentration and Surface Roughness

圖5 CDEA（1：1）濃度與表面粗糙度關(guān)系Fig.5 The Relationship Between CDEA（1：1）Concentration and Surface Roughness

4.2 SDBS濃度對光亮級(jí)別的影響分析

光亮級(jí)別是判定滾磨光整加工表面質(zhì)量好壞一個(gè)重要的參數(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證SDBS對光亮級(jí)別的效果，選取對粗糙度參數(shù)影響較大的SDBS濃度，工件經(jīng)過砂紙打磨，保持工件表面均勻性。在這四種濃度下，加工40min，用目測法對工件表面的光澤進(jìn)行評(píng)定管的外表面光亮級(jí)別[10]，光亮級(jí)別變化，如圖7所示。

SDBS本身隨著濃度的提高，腐蝕性增大，當(dāng)添加的濃度達(dá)到一定值時(shí)，對合金有保護(hù)作用，濃度達(dá)到4%時(shí)，表面光亮級(jí)別下降，但加工均勻性較好，如圖6所示。當(dāng)濃度達(dá)到5%時(shí)光亮級(jí)別依然不變，因?yàn)榇藭r(shí)鋁表面形成氧化膜，阻止了緩蝕和氧化，但加工均勻性不好，濃度進(jìn)一步提高達(dá)到6%時(shí)，腐蝕性過大，氧化層被腐蝕，光亮級(jí)別最低，表面質(zhì)量不符合實(shí)際需求，如圖7所示。

圖6 SDBS濃度對光亮級(jí)別的影響Fig.6 The Impact of SDBS Concentration on the Brightness Level

圖7 四種濃度下加工后工件Fig.7 Four Concentrations of the Workpieces Under Processing

4.3 SDBS濃度對材料去除量的影響

材料去除量是影響滾磨光整加工效率一個(gè)重要參數(shù)。由于滾磨光整加工屬于精加工中最后一道工序，材料的去除量很小，為了減小大毛次及附著物對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的造成的誤差，實(shí)驗(yàn)前將將試件分為六組，每組四個(gè)，除了進(jìn)行打磨工藝，采用50目的百葉輪對試件進(jìn)行電動(dòng)研磨，使工件表面處于光滑狀態(tài)，每組對應(yīng)不同的SDBS濃度。用MP200A電子稱，稱取每組加工前和加工后工件平均質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)，如表2所示。分析表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，純水狀態(tài)下材料去除量最小，加入SDBS材料去除量相比于純水環(huán)境下加工，材料去除量得到了很大提高，濃度在（0～4）%時(shí)，材料去除量隨著濃度增大而增大，當(dāng)濃度達(dá)到4%后材料去除量增長緩慢，其濃度在（4～6）%期間時(shí)，材料去除量基本不變。

表2 不同SDBS濃度下材料去除率Tab.2 Material Removal Rates at Different SDBS Concentrations

5 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn) AES、SDBS、CDEA（1:1）對表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)分析表明了（4～6）%濃度下SDBS對粗糙度的降低效果較好，其加工環(huán)境處于適宜工件加工的濕潤狀態(tài)，所以SDBS相比于AES和CDEA（1：1）更滿足滾磨光整加工要求。

（2）通過實(shí)驗(yàn)不同濃度下SDBS對光亮級(jí)別的影響，實(shí)驗(yàn)分析表明SDBS對光亮級(jí)別影響很大，SDBS濃度在（1～3）%時(shí)，光亮級(jí)別最高，達(dá)到4級(jí)，（4～5）%下光亮級(jí)別為5級(jí)，濃度在4%以上，由于表面出現(xiàn)加工不均勻，不易采用。

（3）通過實(shí)驗(yàn)SDBS對材料去除量影響，實(shí)驗(yàn)表明了相比于純水下滾磨光整加工，加入SDBS后材料去除量得到很大增長，其濃度在（4～6）%材料去除量較大，有利于提高加工效率。

（4）通過以上的分析，4%濃度SDBS滿足滾磨光整加工表面粗糙度、光亮級(jí)別及材料去除率的要求。結(jié)合實(shí)驗(yàn)，理論分析了表面活性劑對表面粗糙度及光亮級(jí)別作用機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用和表面活性劑選取提供了理論的基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。