鋁合金輪轂高光切削液的研制

徐賀 ，孫明 , ，李茂生 , ，徐立庶 ，阮藝鋒 ，徐夏楠 ，徐至坤

（1.廣州市方川潤滑科技有限公司，廣東 廣州 510765；2.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.廣工?方川金屬加工液及工業(yè)潤滑研發(fā)中心，廣東 廣州 510765；4.廣東省傳動(dòng)潤滑流體工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510765）

汽車鋁合金輪轂以其質(zhì)量輕、減震性好、壽命長、安全可靠、外觀美麗、圖案豐富多彩、尺寸精確、平衡好、容易制造等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿1]。根據(jù)鋁車輪質(zhì)量協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，中國汽車鋁輪轂市場規(guī)模已從2016年的700億增長到2019年的900億。隨著汽車鋁合金輪轂行業(yè)的崛起，中國逐漸成為全球汽車鋁合金輪轂的制造中心。

國內(nèi)外鋁合金輪轂的市場吸引力將刺激我國鋁合金輪轂行業(yè)的發(fā)展，由此給汽車鋁輪轂的精密制造帶來巨大商機(jī)。因此，用于鋁輪轂加工過程的潤滑材料也迎來良好的發(fā)展機(jī)會(huì)。隨著汽車鋁合金輪轂外觀質(zhì)量追求的不斷提升，能夠滿足汽車輪轂精密制造所需的高光切削液顯得格外重要[2]。

目前市場上用的鋁合金輪轂切削液還存在諸多問題，如國產(chǎn)大多數(shù)產(chǎn)品存在鋁防腐蝕時(shí)間短、工件表面精度低、抗硬水性差、生物穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。美國某進(jìn)口牌子的切削液雖然切削性能較好，但防腐蝕性能差，加工后的工件存放時(shí)間短，而且價(jià)格昂貴。根據(jù)鋁合金輪轂加工工藝、工況的要求，鋁合金輪轂切削液需要具有優(yōu)異的潤滑性、較高的防腐蝕性以及良好的抗硬水性和生物穩(wěn)定性[3-5]?；诖?，本文開發(fā)了一種環(huán)保型鋁合金輪轂高光切削液，并對(duì)其性能和工程實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 環(huán)保型高光切削液的制備

切削液的基本組成(按100質(zhì)量份計(jì))如下：有機(jī)醇胺10 ～ 20份，三元羧酸3 ～ 8份，表面活性劑5 ～15份，蓖麻油基潤滑劑5 ～ 15份，耦合劑2 ～ 5份，有色金屬緩蝕劑0.5 ～ 3.0份，精制礦物油30 ～ 50份，其余為去離子水。將各種原料按順序加入，攪拌均勻即可。

1.2 環(huán)保型高光切削液的性能指標(biāo)

按SH/T 0365–1992《乳化油》的方法對(duì)所研制的環(huán)保型高光切削液與某進(jìn)口及國產(chǎn)品牌切削液樣品進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

表1 環(huán)保高光切削液及對(duì)比樣品的測試結(jié)果Table 1 Test results of different cutting fluids

1.3 表征方法

采用四球試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 3142–2019《潤滑劑承載能力測定法(四球法)》測定PB值。采用Microtap II攻絲扭矩機(jī)測量攻絲扭矩。按照GB/T 6144–2010《合成切削液》測定鋁腐蝕性。采用行業(yè)內(nèi)默認(rèn)的非標(biāo)方法測試抗硬水性，即分別用300 mg/L和500 mg/L的硬水稀釋成5%的切削液，常溫下靜置24 h后若未有絮狀物或析出物，則表示樣品的抗硬水性大于或等于所配硬水的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削液的潤滑性

切削液的潤滑作用是通過減少刀具前刀面與切屑之間、后刀面與已加工表面之間的摩擦，形成部分潤滑膜，從而減小切削力、摩擦和功率消耗。目前常用的水基潤滑劑主要有磷酸酯、植物油及其酯。磷酸酯具有較好的極壓抗磨性[6]，但是極易起泡。植物油主要是油酸、妥爾油酸、蓖麻油酸、棕櫚酸等，具有較強(qiáng)的物理吸附性[7]，能大大降低摩擦因數(shù)，但泡沫多、抗硬水性差。針對(duì)鋁輪轂高光切削對(duì)潤滑性、抗硬水性和冷卻性的要求，本文以2份蓖麻油酸和1份甲氧基聚乙二醇在一定條件下反應(yīng)，得到蓖麻油基潤滑劑。該潤滑劑不僅有很好的物理潤滑性，而且有較好的抗硬水性和低泡沫性。

實(shí)驗(yàn)一：按配方比例加入原料基礎(chǔ)成分(蓖麻油基潤滑劑除外)，一組加入5%蓖麻油基潤滑劑，另一組空白，再取進(jìn)口切削液、國產(chǎn)切削液樣品各一款，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的水稀釋液，按GB/T 3142–2019的方法測出PB值。從表2給出的結(jié)果可看出：加5%的蓖麻油基潤滑劑可很好地提高產(chǎn)品的潤滑性。

實(shí)驗(yàn)二：將自制高光切削液、某國產(chǎn)切削液和某進(jìn)口切削液分別配成5%的水溶液。在常溫下采用M4×0.7的絲錐、底孔尺寸3.68 mm和厚度18 mm的鋁合金板，以攻絲深度6.0 mm、轉(zhuǎn)速600 r/min分別測量溶液的攻絲扭矩。由圖1可以看出，環(huán)保型高光切削液的攻絲扭矩最低，而后是進(jìn)口切削液，某國產(chǎn)切削液的攻絲扭矩最高。由此可見，本文研制的高光切削液具有更好的潤滑性。

表2 不同切削液的四球PB值測試結(jié)果Table 2 Four-ball max non-jammed load (PB) testing results of different cutting fluids

圖1 不同切削液的攻絲扭矩測量結(jié)果Figure 1 Measured tapping torque values of different cutting fluids

2.2 切削液的防鋁腐蝕性

切削液鋁合金輪轂從精加工結(jié)束到清洗、涂裝的工序，通常需要一兩天至一星期的工序間等待時(shí)間。在鋁合金加工時(shí)，當(dāng)加工液的pH大于8.5時(shí)，在鋁金屬表面的氧化鋁膜非常不穩(wěn)定，堿性較高的加工液會(huì)對(duì)鋁產(chǎn)生污斑腐蝕[8]。

根據(jù)GB/T 6144–2010的測試方法，分別配制5%的切削稀釋液，將打磨干凈的A356.20鋁試片放入其中，在(55 ± 2) °C的條件下完全浸泡24 h后取出，結(jié)果見圖2和表3。自制高光切削液和進(jìn)口輪轂切削液防鋁腐蝕性均為A級(jí)，而某國產(chǎn)輪轂切削液為C級(jí)，表明本文研制的高光切削液具有優(yōu)異的防鋁腐蝕性能。

表3 鋁腐蝕測試結(jié)果Table 3 Test results of aluminum corrosion

圖2 鋁腐蝕試驗(yàn)后的照片F(xiàn)igure 2 Phots of aluminum corrosion test specimens

2.3 切削液的抗硬水性

一般采用有機(jī)羧酸作為新型防銹劑以替代傳統(tǒng)的亞硝酸鹽，主要有十碳二元酸、十一碳二元酸、十二碳二元酸、多元聚羧酸，其通過與有機(jī)醇胺反應(yīng)生成羧酸鹽。有機(jī)羧酸類物質(zhì)具有良好的抗銹性能，但容易與水中的鈣鎂離子結(jié)合而生成沉淀，引起抗硬水問題之余，還消耗防銹劑的有效成分。從圖3和表4可以看出，自制高光切削液和進(jìn)口輪轂切削液的抗硬水性均在500 mg/L以上，而國產(chǎn)輪轂切削液的抗硬水性在300 ～ 500 mg/L之間。

2.4 切削液的生物穩(wěn)定性

抗生物腐敗是切削液的重要指標(biāo)之一。本文研制的環(huán)保型高光切削液選擇2?氨基?2?甲基丙醇(AMP-95)作為抑菌劑，取代常見的甲醛釋放體類殺菌劑，其優(yōu)異的生物穩(wěn)定性和安全性，可確保工作液持久穩(wěn)定，不產(chǎn)生細(xì)菌和變質(zhì)，滿足長時(shí)間使用而無需更換的要求，減少了廢液排放。

圖3 用不同硬水稀釋3種切削液后的照片F(xiàn)igure 3 Photos showing the diluted solutions of three types of cutting fluids with different hard water

表4 抗硬水性測試結(jié)果Table 4 Result of hard water tolerance test

表5列出了3種切削液放置過程中的pH和氣味變化，以此反映切削液的生物穩(wěn)定性能。從中可以看出，1個(gè)月后環(huán)保型高光切削液的pH變化最小，并且基本保持無味，顯示出更優(yōu)異的抗微生物性能。

表5 1個(gè)月內(nèi)不同切削液的pH和生物穩(wěn)定性Table 5 pH and biological stability of different cutting fluids within one month of storage

2.5 應(yīng)用測試

廣州某大型鋁合金輪轂制造企業(yè)從事精密高光鋁輪轂的制造，采用臺(tái)灣遠(yuǎn)東機(jī)床、瑞士ABB機(jī)器人，對(duì)A356.20鋁合金進(jìn)行高光精加工，刀具材質(zhì)為單晶鉆PCD(人造聚晶金剛石)，主軸轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min，要求防腐蝕時(shí)間為高光加工完畢后15 d以上，且工件表面在高倍顯微鏡下不存在可見的白斑或白線，切削液可循環(huán)使用，無需更換。現(xiàn)場加工完的不合格品見圖4，采用本文研制的切削液后加工的產(chǎn)品見圖5。

圖4 存在白線問題的不合格品Figure 4 Defective product with white line problem

圖5 合格產(chǎn)品Figure 5 Qualified products

使用所研制的環(huán)保型高光切削液進(jìn)行現(xiàn)場產(chǎn)品應(yīng)用測試，pH控制在8.5 ～ 8.8，折光濃度控制在3% ～5%。使用期間定期添加少量切削原液及留意切削液在生產(chǎn)過程中的變化。在試驗(yàn)期間，切削液外觀呈正常的均勻狀態(tài)，消泡性良好，對(duì)工件和設(shè)備都起到了較好的潤滑、清洗和防銹作用。工人反映氣味較之前在用的進(jìn)口品牌切削液明顯小很多，無刺激、過敏等不適。

對(duì)加工后的工件進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)表面白線情況，合格率為100%(之前只有85%)，也沒有發(fā)生刀具粘刀、斷刀的現(xiàn)象。加工后的工件沒發(fā)現(xiàn)腐蝕氧化現(xiàn)象，加工精度可滿足品質(zhì)要求。

環(huán)保型高光切削液原液有效含量更高，1∶10兌水后即可達(dá)到5%折光濃度，而在用的國產(chǎn)某切削液需1∶8兌水才能達(dá)到5%折光濃度，使用量較之前減少25%左右。另外，使用環(huán)保型高光切削液后，金剛石刀具壽命從50 000個(gè)/把提高至70 000個(gè)/把，使用量較之前減少40%左右，符合鋁輪轂加工企業(yè)的降本要求。

3 結(jié)論

基于國內(nèi)市場需求，研制了一款環(huán)保高光切削液，它具有優(yōu)異的潤滑性、防鋁腐蝕性、抗硬水性和生物穩(wěn)定性，性價(jià)比高，可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，并且滿足出口型加工企業(yè)的環(huán)保要求。