三峡大学
硕士学位论文
基于菜籽油的乳化切削液改性试验研究
姓名：张彩香
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：赵新泽
20040401
摘要
切削加工是金属加工中常用的一种方法，金属切削液是金属加工过程中使用的一种辅助材料。科学合理地选用切削液，有利于节能和减少刀具的磨损，提高经济效益。然而，大量切削液的使用势必对环境造成严重的污染，随着环保意识和环境立法的不断加强，人们越来越重视切削液对环境的污染问题。国外从20世纪70年代末开始了可生物降解切削液的研究，并制定了相应的法规，我国也一直在进行这方面的研究，但研究成果与实际应用还有一定距离。
本文以菜籽油为基础油，以皂化油为参比油，通过试验完成了以下主要研究工作：
1.详细研究了影响以菜籽油为基础油的切削母液配制质量的各种因素（如乳化剂、水、温度、助剂、乳化方式等）；采用正交试验方法，确定了最佳配制工艺，为切削母液的研制提供了实践指导。
2.根据试验选取了适宜的添加剂，研究了它们对切削母液性能的影响规律，确定了防锈添加剂、抗氧添加剂和抗磨添加剂的类型以及各对应添加剂剂量范围。
3.运用方差分析法和灰关联度法评价了切削母液质量，确定了最佳配方。
4.运用COD
Cr 、BOD
5
试验对所研制的切削母液进行了可生物降解性评价，获得了二
者的相关系数。
5.完成由切削母液配制的乳化切削液的加工实验，在相同的加工条件下验证了基于菜籽油改性所获得的切削液使用性能优于参比油。
关键词：切削液 菜籽油 添加剂 可生物降解性 金属切削加工
Abstract
Cutting is a common method for metal process. Metal cutting fluid is a kind of auxiliary material in metal cutting. Choosing cutting fluid correctly and reasonably can facilitate the tools, reduce the consumption of energy, and enhance the economic efficiency. Because of the serious environmental pollution caused by cutting fluid, and with the improvement of environmental protection consciousness, people are paying more and more attention to it. Lots of biodegradable emulsified cutting fluid have been researched since 1970s’, and the laws corresponded with it have been made abroad. As does it at our home, there is some distance between research and its application.
Focusing on rapeseed oil as basic oil, and the oil saled in market as comparable objects, this paper has been carrying out the studies as follow:
1.The influential factors of the quality of cutting mother fluid based on RSO as its basic oil (such as emulsifier, water, temperature, auxiliary addition, emulsified method) were analyzed, through orthogonal design, the optimal process of confecting cutting mother fluid was defined, and offered the practical instructions to it.
2.Suitable additions were chosen through tests, and the influencing formulations caused by them were studied. Therefore, the types and dosage of additions were decided, for example, antirust, oxidation resistance, antiwear.
3.Variance analysis and comprehensive gray correlation degree were applied to evaluate the quality of cutting mother fluid and the optimal method was determinated.
4.According to the experiments of COD Cr and BOD5, the biodegradability of the cutting mother fluid was analyzed, and the correlate coefficient between them was attained.
5.The machining tests had been finished with the emulsified cutting fluid and compared fluid, the character of studied fluid whose comprehensive practical functions are better than compared oil was proved under the same machining conditions.
Key words: Cutting fluid Rapeseed oil Additions Biodegradable Metal cutting
三峡大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名：
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引 言
随着机械加工工艺和材料的发展，人们对金属加工液的质量要求越来越高，使用合适的加工液对于提高加工效率、加工精度和延长工具寿命至关重要。金属切削是切削加工的主体，合理选用切削液，可以有效地减小切削过程中的摩擦，改善散热条件，降低切削力、切削温度和刀具磨损，从而提高刀具耐用度和切削效率，这些在保证已加工表面质量和降低产品的加工成本等方面都有影响。
目前，切削液的品种繁多，作用各异，归纳起来分为两大类，即油基切削液和水基切削液。油基切削液由于易起烟雾或存在火灾隐患等缺点已逐渐被水基切削液所代替，在水基切削液中，传统的乳化液是矿物油加入乳化剂溶于水后形成的乳状溶液，由于其润滑性好，可溶型向刀尖的渗透性好等原因，仍是我国目前普遍使用的切削液。
众所周知，金属切削乳化液是由润滑剂(基础油)、乳化剂、防锈剂、抗磨剂、稳定剂、防霉剂、消泡剂等组成，其中前三者至关重要，其它添加剂则是根据乳化液的成分和使用对象而决定。随着环保意识和环境立法的不断加强，人们越来越重视切削液对环境的污染问题，目前使用的切削乳化液的基础油为矿物基础油，而矿物基础油与环境直接接触产生对环境长期破坏的作用，本课题以易生物降解的植物菜籽油代替矿物油，通过改性试验研究获得满足切削乳化液基本性能要求的可生物降解(或易生物降解)的新型切削乳化液。
1 切削液技术的研究状况
随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新对切削液的性能提出了更高要求。尤其是近年来环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点，而传统的切削液会对环境和人体造成污染和损害，因此它们的使用和废液处理已受到环保法规日益严格的制约。在工业发达国家，使用切削液加工时产生的烟雾量也要受到严格限制，对某些切削液废液及带有切削液的切屑要求必须作为有毒材料加以处理，其处理成本不断提高。为了适应社会发展的要求，现代切削液技术的发展出现了一些新的特点[1-3]。
1.1 切削液技术的现状和发展
众所周知，切削液是金属切削加工的重要配套材料。人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代，人们在磨制石器、铜器和铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量。在古罗马时代，车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油，16世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从1775年英国的约翰·威尔金森（J.wilkinson）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。经历了漫长发展后到1860年，车、铣、刨、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的应用。
19世纪80年代，美国科学家首先进行了切削液的评价工作。F·W·Taylor发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高30％～40％的现象和机理。针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂”一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。
随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动植物油易变质，使用周期短。20世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和动植物油合成的复合油。1924年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹和齿轮加工。
刀具材料的发展推动了切削液的发展，1898年发明了高速钢，切削速度较前提高2～4倍。1927年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高2～5倍。随着切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求，这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。1915年生产出水包油型乳化液，并于1920年成为优先选用的切削液用于重切削。1948年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在20世纪70年代由于油价冲击而使应用提高。
近十几年来，由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和工件材料的发展，推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，开发和利用可生物降解切削液的要求已势在必行[4,5]。
(1)切削液的使用现状[6，7]
目前，切削液的品种繁多，作用各异，但归纳起来分为两大类，即油基切削液和水基切削液。
1)油基切削液。油基切削液即切削油，它主要用于低速重切削加工和难加工材料的切削加工。目前使用的切削油有以下几种：
z矿物油：常用作为切削液的矿物油有全损耗系统用油、轻柴油和煤油等。它们具有良好的润滑性和一定的防锈性，但生物降解性差。
z动植物油：常用作为切削液的动植物油有鲸鱼油、蓖麻油、棉子油、菜籽油和豆油。它们具有优良的润滑性和生物降解性，但易氧化变质。
z普通复合切削液：它是在矿物油中加入油性剂调配而成。它比单用矿物油性能好。
z极压切削油：它是在矿物油中加入含硫、磷、氯、硼等极压添加剂、油溶性防锈剂和油性剂等调配而成的复合油。
2)水基切削液。水基切削液分为三大类，即乳化液、合成切削液和半合成切削液。
z乳化液：它由乳化油与水配置而成。乳化油主要是由矿物油（含量为50％～80％）、乳化剂、防锈剂、油性剂、极压剂和防腐剂等组成。稀释液不透明，呈乳白色，影响切削状况的观察，且其工作稳定性差，使用周期短。
z合成切削液：它的浓缩液不含矿物油，由水溶性防锈剂、油性剂、极压剂、表面活性剂和消泡剂等组成。稀释液呈透明状或半透明状。具有使用寿命长、优良的冷却和清洗性能，适合高速切削；溶液透明，具有良好的可见性，特
别适合数控机床、加工中心等现代加工设备上使用。但合成切削液容易洗刷
掉机床滑动部件上的润滑油，造成滑动不灵活，润滑性能相对差些，且相对
价格较高。
z半合成切削液：也称微乳化切削液。它的浓缩液由少量矿物油（含量为5％～30％），油性剂、极压剂、防锈剂、表面活性剂和防腐剂等组成。稀释液油
滴直径小于1μm，稀释液呈透明状或半透明状。它具备乳化液和合成切削液
的优点，又弥补了两者的不足，是切削液发展的趋势。
(2)切削液添加剂的现状
切削液是一种复杂的化合物，它含有几种乃至几十种不同成分的添加剂。添加剂
的成分不但直接影响切削液的切削性能（润滑、冷却和清洗性能），而且还影响切削液的非切削性能（毒性、腐蚀性、污染性、使用周期性和废液可处理性）。切削液常用的添加剂主要有极压润滑剂、防锈剂和防腐剂等。所以切削液的这些添加剂不仅要性能优良，而且要无毒无害。
1)极压润滑剂[9-11]。目前仍在使用的极压润滑剂主要是含有硫、磷、氯类的化合物，
如硫化烯烃、硫化动植物油、硫脲、磷酸酯、氯化石蜡等，它们在高温下与金属表面发生化学反应生成化学反应膜，在切削中起极压润滑作用。它们的润滑性能很好，但对环境有污染，对操作者有害。随着人们环保意识的加强，现在已限制使用此类添加剂。国内外正在着手研究它的替代物。近年来，无毒无害的硼酸盐(酯)类添加剂系列受到了广泛的重视。
2)防锈添加剂[12-14]。防锈添加剂的作用在于防止工件表面生锈，它有水溶性和油溶
性两类，分别用于水基切削液和切削油。常用的油溶性防锈添加剂有石油磺酸钡、石油磺酸钠等。对于水溶性防锈添加剂，亚硝酸钠是长期被认为有效的防锈添加剂，但人们已逐渐认识到它对人体有致癌的可能性。铬酸盐、重铬酸盐对钢铁有良好的防锈作用，但有毒、污染环境，它们的使用都受到限制。因而开发新型无毒无害防锈剂是发展趋势。目前利用多种无毒添加剂的协同效应，采用有机胺、硼酸盐、苯并三氮唑等复配成的高效防锈添加剂已取得好的效果，其中钼酸盐[54]是防锈性能优良且无毒的防锈剂之一。
3)防腐剂。切削液本身具备微生物和菌类生长繁殖的条件，容易腐败变质发臭。防
腐剂（或杀菌剂）的作用在于杀灭或抑制细菌和霉菌的生长，以达到延长切削液的使用期限。常用的防腐剂是酚类化合物、甲醛类、含氯和含苯化合物，虽有较强的防腐作用，但会伤害操作者，并污染环境，刺激人的眼、鼻，使操作者患有皮肤病和呼吸道疾病。近年来由于受到环保法规的限制，许多国家对含酚类、苯类及甲醛类的防腐剂的使用加以限制，并积极寻求新型无毒防腐剂。如日本选用油酸、硬脂酸、月桂酸等羧酸配成的铜盐具有一年以上的抗腐蚀能力。美国开发的柠檬酸单铜也有较好的抗菌效果。我国近年来利用硼酸酯、表面活性剂和整合剂复配成的防腐剂也具有较强的抗菌能力[53]。
目前国内在切削液中有防腐剂的产品很少见，在切削液使用中加入防腐剂也不多见。这主要是由于加入防腐剂使切削液的成本增加较大和使用不大方便所致，今后的任务是开发和推广价格适宜使用方便且无毒的防腐剂。
1.2 国内外切削液技术发展趋势
(1)高性能、长寿命、低污染切削液的开发及废液处理技术研究[15]
目前，国内外切削液研究的重点内容包括：研制高性能切削液，研究延长切削液
使用寿命的供液方法以减少废液排放量；研究更有效和更经济的废液处理方法，除使其达到排放标准之外，还应尽可能减少有害污染物在环境中的积累。
近年来，我国进口数控机床、加工中心等先进制造设备越来越多，所需切削液若长期依赖进口，因价格昂贵，将使生产成本大幅度上升。因此，研制高性能切削液以替代进口产品已成当务之急。目前，我国水基切削液的使用范围越来越广，且乳化切削油仍是我国目前使用的主要切削油。在发达国家，微乳化液已普遍使用，并正在大力研究环保型切削液[16]。
(2)切削液的适当用量
传统的切削液供液方法常采用浇注法，尤其对于水基切削液，通常是将一定压力、较大流量的切削液喷射覆盖到切削区，以起到润滑、冷却等作用。在加工条件发生变化时，如在更换工件材料或更换刀具类型及几何参数的情况下，通常也不会(或很少)调整切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少，与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特公司所做的试验中，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究，并对工件表面粗糙度、积屑瘤和切削力等作了分析，通过试验得出了最适当的切削液用量。美国 Thyssen制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液液流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由CNC程序控制，效果十分理想[17]。
(3)开发传统切削液的替代品
在这方面研究最多的是液氮冷却。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品，资源十分丰富。以液氮作为切削液，使用后直接挥发成气体返回大气中，不会产生任何污染物，从环保角度看，是一种极有前途的切削液替代品。液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。美国怀特州立大学的S.Y.Hong和印度工学院的S.Paul分别在车削和磨削加工中对液氮冷却进行了理论和试验研究，结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，可提高切削效率和加工质量；同时液氮可显著降低磨削区温度，减少磨削烧伤[18,19]。液氮冷却的另一种利用方法是间接利用。美国林肯大学的Z.Y.Wang在多晶体CBN刀具上部的方盒内储存液氮，由进口输入，从出口流出，用这种方式车削烧结氮化硅时，刀具寿命延长了10倍，磨损降低1/4。美国标准和技术国际研究所的Evans用金刚石刀具切削不锈钢时，利用液氮冷却刀杆或夹具，减少了刀具磨损，加工表面粗糙度低于R a0.025μm[20]。
喷气冷却也是液氮的利用方式之一，直接用于切削冷却的不是氮气本身，而是被液氮冷却过的气体。日本学者研制的喷气冷却磨削系统就是利用液氮冷却过的超低温
(-50℃以下)气体直接喷吹于磨削部位，砂轮为经固体润滑剂处理或添加了极少量超精植物油的CBN砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大，且残余应力的分布区域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命[20]。
(4)干切削
目前，国外已有严格的法规限制某些切削液的使用，这主要是由于废液处理费用极高的缘故，如德国每年废液处理约耗资10亿马克。因此，在美国、德国等工业发达国家均大力倡导采用干式切削工艺。目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题，如美国LeBlong Makino公司提出的“红月牙”铸铁加工法，采用陶瓷和CBN刀具，在高速和大进给量加工时，使热量很快聚集到刀具前端，使其呈红热状态，当工件被加热到371℃时，其屈服强度减小，可获得较高的金属切除率。铝材在发动机及动力系统中应用量很大，因此铝材的干式切削也受到重视。据报道，BigThree公司的高速金刚石干式加工系统(转速1,500r/min)，用于变速箱上铝质通道板的加工，加工精度达0.05mm，每小时可加工 600件，与磨削加工相比，每年可节约300多万美元[21]。另外，对钢和镁等材料的干式切削工艺也在研究之中[21]。
在某些应用场合，可利用激冷气体及旋风喷雾器来降低切削温度，如喷气冷却。有人预测，将来如采用高性能刀具材料和排屑性能极好的刀片断屑槽型，结合使用冷却气体，可实现不再使用切削液的目标。
(5)现代切削液发展趋势
目前，国内外学者正在努力探索减少或消除环境污染的切削加工方法，但研究目标大多集中在不使用传统切削液的加工上。从目前的发展情况看，无论液氮冷却、喷气冷却或干切削，虽然各有特点和优势，但也有其局限性，例如①上述三种方法在切屑形成过程中都存在着润滑性差，要想提高加工精度不得不使用一些润滑剂；②目前的机床主体多为铸铁材料，而工件切削后新生的金属表面具有极强的化学活性，当它们暴露在空气中时均会很快生锈，如果用液氮、喷气冷却或干式切削，则后续工序中必须用防锈液或清洗液对机床和工件进行防锈处理，而防锈和清洗废液将同样会对环境产生污染[22,23]。因此，在切削加工领域，离全面取代采用传统切削液的湿式加工还相当遥远，现代切削液的研究开发就显得更为迫切。目前研究开发的重点是[12]：
1)开发绿色切削液。大力开发对生态环境和人类健康副作用小、加工性能优越的
切削液，朝着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展。矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替；油基切削液逐渐被水基切削液所代替；开发性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂。
2)切削液的绿色使用。推广集中冷却润滑系统，即把机械加工设备各自独立的冷
却润滑装置合并为一个冷却润滑系统，使切削液维护管理上水平；研究干切削
和最小量润滑切削，以减少切削液的使用量。
3)研究和推广切削液废液处理新工艺、新技术，以确保排放的废液对环境无污染。
1.3 本课题的研究目的和意义
1.3.1传统切削液所存在的缺陷
上世纪以来，随着世界经济的发展，地球环境日趋恶化，生态环境受到严重威胁，已危及到人类的生存和发展。据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。而制造业中的切削加工将占机械加工量的90%以上。据美国工业有害废物来源统计表明：金属加工业占工业废物来源的5%，排第四位。我国机械工业年耗电300多亿度，其中60%以上都是消耗在各种切削机床上，这些消耗都在很大程度上取决于切削油剂和润滑油的质量和使用技术水平[1]。然而，随着金属切削液的广泛使用，人们发现切削液是金属切削加工的主要污染源，传统切削油的使用存在以下三个方面的缺陷：
(1)切削液危害人体键康[24,25]。传统的切削液由于有矿物油等成分，易腐败变质，腐蚀机床零件，且气味难闻，影响工人身体健康。首先是其添加剂的毒性,要使切削液具有优良的综合性能,必须同时添加各种添加剂，如乳化切削液除使用大量表面活性剂外,还有油性剂和极压添加剂、防锈剂、防霉杀菌剂、消泡剂、pH值调整剂等多种添加剂，其中许多毒性很大,如常作为杀菌剂使用的苯酚类物质毒性很大;常用的效果较好的防锈剂是亚硝酸钠,而国际上普遍认为它与胺盐在某些条件下会形成致癌物质亚硝胺；其次是对皮肤的危害,因矿物油、表面活性剂的脱脂作用,或因防腐杀菌剂的刺激性,及无机盐、有机胺等碱性物质的作用,会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎；三是对呼吸器官的危害,这主要是使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的刺激性气味引起的。因此乳化液必须经常更换，这样必然会造成大量的浪费。
(2)切削液危害环境[26-28]。切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染问题。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，其生物降解率通常为42％～49％，切削液在使用过程中通过渗透、泄漏、溢出等各种途径进入环境，能长期滞留在水和土壤中；还有切屑中带有残存切削液的问题，切削加工中使用的切削液，或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的切屑带有的切削液会污染土壤，切屑再生利用时切削液有毒有害成分也会污染环境。研究发现，矿物油富含致癌和基因诱变物质-多环芳烃类化合物，而且使用的多种添加剂对环境有害，严重危害人和其他生物健康，污染土壤和水资源，破坏生态环境和生态平衡。切削液的添加剂对环境的污染也是多方面的,如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削液中常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐的积累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮。
(3)资源再生问题。从矿物油基润滑油原料储备看，矿物油不属于再生性资源，这也是要引起注意的问题。
1.3.2可生物降解切削液开发的国际国内形势
针对切削液的安全、健康和环保问题，国外在20世纪70年代末开始进行可生物降解切削油的研究，并制定了相应的法规条例[29-31]。如美国劳动安全和保障国家机构规定，切削液油雾含量限制水平是5mg/m3，现在则更严格：在不含有芳香烃(polyraromatichydrocarbon)的切削液中限制为3mg/m3，对含有芳香烃的切削液则为0.5mg/m3；德国环保部门规定，某些切削液和带有残存切削液的切屑必须作为有毒有害废物处理。这些法规对切削液生产者、使用者都增加了生产成本，不利于激烈的市场竞争，因此有关切削液安全、健康与环保问题成为本领域的研究热点和重点。而传统的环境治理方法是末端治理，不能从根本上实现对环境的保护，在解决这些问题的众多方法中，研究开发绿色切削液是最有前途的。
目前世界各国的大石油公司都已经开始研制开发环境兼容型绿色切削液以取代传统的矿物基切削液[32-35]。在各国政府的大力支持，以及相关科学技术日新月异的发展下，可生物降解切削液的研究和开发在过去30年里取得了长足的进步，国际上已经研制出多种可生物降解切削液商品。如Igol工业公司以植物油为基础的润滑油系列产品Biolube，用豆油或菜籽油作为攻螺纹切削油、世纪石油公司的Plantohyd系列、Total润滑油公司Neptuna系列、Bechem公司的Biolubricant系列、德士古公司的Mot exsoutboard系列、RandoBioE40系列和ClingtexBio60系列润滑油等等。总的来说，可生物降解切削液发展态势良好，已广泛地应用于金属加工业领域[36-39]，并为公司带来了巨大的经济效益，尤其是一些国际跨国公司如美孚、壳牌、嘉德士、BP等知名品牌不断地打造以全球高端环保生态润滑油新兴科技、生产油品虽然只占据了20%的市场份额，却拿走了80%的利润，从而掀起了新型油品开发的高潮。“这是一种极不正常的现象。外国润滑油企业主要生产利润高的高端产品，而中国绝大多数企业还停留在低端产品阶段。”统一公司总经理李嘉说，一场彻底重新刷洗全球传统石化污染性极为严重的润滑油产业彻底升级换代时代开始了。中国已成为世界第三大润滑油消费国，年消耗量超过400万吨，传统润滑油企业别无选择，最佳的竞争战略也将是投资新兴润滑油产品的开发。
然而在我国国内可生物降解润滑油品系列在市场上少有出现，可生物降解金属切削加工液更是少见，国内研究人员主要是在可生物降解基础油（主要是菜籽油等）性能改性，以及生物降解性试验等方面进行了初步探讨：如曹月平、余来贵[40-44]等对菜籽油的抗磨性能和各种抗磨剂对菜籽油摩擦学性能的影响进行了研究；冯薇荪[45]、冯克权[46]等对生物降解性试验方法及润滑油的生物降解性能与其结构及组成关系进行
了研究；胡志孟[47-49]、方建华等[50,51]对菜籽油在润滑油添加剂中的应用作了深入研究；苍秋菊对植物油用做液压油基础油进行了研究[52]，等等。总的来说，国内在可生物降解润滑油方面的研究起步较晚，至今还没有进行比较系统的研究，少有商业化的产品问世，没有形成自己相应的法规标准。
在添加剂方面，德国的“蓝色天使”法规对用在可生物降解性润滑油中的添加剂做出了以下基本要求:①无致癌、致残和诱变因素;②不含氯、亚硝酸盐;③不含金属(除最大可含0.1%的钙外);④一个配方中可潜在生物降解添加剂最多7%(根据OECD－302B,这些添加剂降解率>20%);⑤在7%的添加剂中,最多可有2%的低毒性且难降解的添加剂。近年来国内不少研究致力于实现添加剂无毒、无污染或低毒、低污染。如杨晓霞,董蔚,李明利[53]等研究的一种新型的极压添加剂有机硼酸酯,无毒,极压润滑性良好,并兼有防锈性和抗菌、杀菌功能；利用多种无毒添加剂的协同效应配制成的防锈剂，如由有机胺、硼酸盐、苯丙三氮唑等复配成的高效防锈添加剂，或杨文庆,富笑男,许金兰[54]研究有机缓蚀剂对钼酸盐的协同缓蚀作用，硼酸单乙醇胺酯和钼酸钠组合可制得高极压性的溶液，可以作为水基润滑剂使用，从而扩展了这类缓蚀剂的应用范围，防锈性能良好,且几乎没有毒性和对环境的危害性；新型无毒杀菌剂，我国近年来利用硼酸酯、表面活性剂和整合剂复配成的防腐剂也具有较强的抗菌能力。
1.3.3本课题研究的目的和意义
随着环保意识和环保立法的不断加强，人们越来越重视切削液对环境的污染问题。绿色制造是21世纪的制造业最具生命力的发展方向之一，未来的切削加工也必须适应绿色制造的要求[55]。为此，面对市场油品的急剧竞争及人们环保意识的逐步提高，研究和开发可生物降解切削液在我国显得尤为必要，本课题的目的就是致力于可生物降解通用切削液的试验性研究。以菜籽油代替矿物油，加入合理的乳化剂，配制乳化基础油，针对乳化基础油的不足，添加不同的添加剂对其进行改性试验研究，探讨合理的配制工艺，使所配制的乳化切削液母液(由菜籽油配制而成的乳化基础油加入适当的添加剂后研制而成的油膏)满足切削液的基本性能。
1.4 本课题研究的主要内容
目前，尽管乳化切削液被广泛视为一种降低油耗、改善加工性能的有效方法，然而乳化液的推广应用范围仍十分有限，要使该技术大面积推广使用还有若干技术问题需要进一步解决。可生物降解乳化切削液的研制首先必须满足切削液性能的要求，而且要求其可生物降解性好、经济实用。传统的切削液以矿物油为基础油，要么达不到切削液的基本性能(尤其是防锈性能差)，要么可生物降解性差，严重影响了金属加工的精度以及产品的外观，也直接影响了生产效率及产品的寿命，甚至污染环境，不能适应当今工业发展的要求。因此，针对目前切削液研究的不足，本课题进行基于菜籽
油的乳化切削液改性试验研究，着重以下的研究内容：
(1)研究切削液对切削加工的作用机理及切削液必须满足的基本性能；
尽管切削液的作用随不同的加工条件、加工材料、加工工件、机床等侧重点不同，但作为金属加工的辅助材料，其基本作用必须满足切削液的基本性能。
(2)研究乳化液乳化机理，配制稳定的乳化基础油；
不同乳化液的乳化机理基本相同，但乳化液的配制不仅与被乳化的基础油和乳化剂有关，而且受所配制的工艺及各种因素的影响。为了使所配制的乳化液稳定，必须确定影响乳化液稳定性的因素，并对其加以改进。
(3)加入添加剂对乳化切削母液进行改性研究；
金属加工过程中所使用的乳化液由乳化油加水而成，要满足一定的切削加工性能必须添加一些特殊的添加剂以达预期的效果，而不同的添加剂及剂量对基础油的感受性和配伍性也不同，必须通过大量的单剂和全配方试验确定最佳添加剂及最适剂量。
(4)乳化切削母液配制工艺的确定
乳化切削液配制试验涉及的因素较多，评价指标之间相互联系、相互影响。运用正交试验对乳化切削母液进行全配方试验，并对结果进行数据处理，运用方差分析与灰关联度评价方法评价得出最佳配方。
(5)对所研制的乳化切削母液和参比油(市售皂化油)进行COD、BOD试验，比较二者
的可生物降解性。
(6)对所配制的乳化切削母液与市售皂化油进行现场加工试验对比研究。
2.乳化切削液的使用性能与评价方法
金属切削液(Metal Cutting Fluid)是指金属的切削加工过程中所采用的润滑冷却液。金属切削过程可分为车、铣、钻、刨、镗、铰、拉、齿轮切削、螺纹切削及磨削等。这些过程有一共同点就是用带刃口(研齿除外)的工具(即刀具和磨具)切削金属。与一般润滑部件不同，在切削过程中97%的工作能量都转化为热能，其中2/3的能耗于塑性形变，1/3的能耗于刀具与切屑、刀具与工件的摩擦。由于切削区域极小，加之切削区材料的变形，刀具与工件之间不断摩擦，切削力及热量均高度集中。刀刃与高温区接触，一方面会与切屑粘结，同时自身也会逐渐被熔化，当为了提高工作效率而加快切削速度，或增大进给量和切深时，刀刃的钝化就愈快，严重地影响了刀具的寿命、切削效率及加工质量。因此，如何减少切削力和降低切削温度是切削加工中的一个重要问题[56,57]。
减少切削力和降低温度，固然可以从改善刀具的几何形状、材料等方面着手。但是最常用和最经济的方法是选用合适的切削液。实践证明：合理选用切削液可以提高加工光洁度1~2级，减少切削力15~30%，降低切削温度100~200℃，成倍地提高刀具耐用度并能带走切屑，保证产品的质量[58]。
2.1 节能切削理论和切削液
切削液的主要作用是：①延长刀具寿命；②保证和提高加工尺寸精度；③改善加工面，降低工件表面粗糙度；④随时排除碎切屑；⑤洗净加工面迅速均匀地冷却加工的刀具、工件和机床有关部件；⑥防止工件和机床腐蚀生锈；⑦提高切削加工效率；
⑧降低能耗和生产成本。不同的切削液的作用效能与切削加工的加工材料及加工过程中的状态变化密切相关。
2.2.1切削原理[59,60]
切削加工时切屑的形成并不是单一的，虽然切屑具有许多中间状态，但大致可分为挤裂型、塑变型、崩碎型、剪断型四种情况。从切削液的有效性看，挤裂型切削是对延性好的材料进行的低速切屑，切屑容易熔焊在刀面上，因此切削液的效应大。使用恰当的切削液，能够使挤裂型切削转化为塑变型切削；与此相比，崩碎型切削是切削脆性材料时出现的形态，使用切削油对切屑的形成没有太大影响；在剪断型切削中，材料本身容易发生剪切滑移，有时象以极低速切削钢材那样，刀面上有显著的熔焊现象，切削剪切区的变形过于集中而发生断裂，对于前者，由于刀面的摩擦小而剪切角大，使用切削油对切屑的形成几乎没有影响，对于后者则相反，使用切削油的效应显著，而剪断型切屑转化为塑变型切屑。塑变型切屑的情况也相同，取决于什么情况下
产生塑变型切屑，例如，对于7-3黄铜，切削油的效应较小，而对于纯铁、钝铜、纯
镍纯金属，效应就显著。综上所述，在材料的切削过程中，切削油的有效性不仅仅取决于切削油与被切削材料之间的吸附性、化学反应、切削油本身的极性、粘度或一般摩擦试验中的润滑性能，而且根据其所取的切削状态、刀面摩擦、塑性变性状态、应力状态的不同而不同。
2.2.2节能切削理论和切削液[61]
图2.1 剪切角(Φ)和切削比?关系 图2.2 切屑表现在刀具面(AC)和
剪切面(AB)上的力的作用
β-α
Figure 2.1 The relationship between shearing Figure 2.2 The force of the chip on the surface AC and AB angle and cutting
ratio
如图2.1所示，AB线为受剪切作用的面，称为剪切平面，与剪切速度矢量(V)形成的角(Φ)称为剪切角，刀面与速度矢量垂直线间的角(α)，称为刀面角，γ称为后角。
切削机床工作中(如图 2.2)，切除每个单位体积加工材料所需的能耗，称为比切
削能。总比切削能(E
c
)一般可由下式计算：
E
c =F
p
V/(V
bt
)=F
p
/bt (2-1)
式中，V
bt
—切除加工材料的体积率；
Fp—速度矢量V方向的切削力；
V—速度矢量即切削速度；
b--切屑宽度；
t--未变形切屑厚度。
总比切削能(Ec)为由比剪切能和比摩擦能Es所组成。而摩擦能E
f
是直接受切削油(液)的润滑性能的影响的。
E
s =F
s
V
s
/V
bt
=τγ (2-2)
式中, F
s
--剪切力；
V
s
—剪切速度；
τ--剪切平面上的平均剪切应力；
γ--刀具与被切件间的后角，亦称剪切应变。
E
f = F
s
V
c
/V
bt
= Fr/bt=((F
p
sinα+F
Q
cosα)/bt)r (2-3)
式中， F—切削力；
V
c
—切削对刀具的比速度；
r--切削比=t/t
c
=ABsinΦ/Abcos(Φ-α)，Φ=剪切角，t=变形切屑厚度(如图2-1)。
α--刀面角；
AB=Φ的余割线(弦)，即剪切平面；
F
Q
--进给力
由于比面积能和比动量能很小而可忽略，故包括研磨在内的所有金属切削操作的总比切削能：
E
c =E
s
+E
f
(2-4)
在金属切削操作中，影响比能耗(E
c
)的主要常变的因素是加工件的化学性质和硬
度。
一般切削速度及深度对比切削能耗的影响很小，但刀面角及未变形切屑厚度则有明显的影响。当金属切削E值变化接近(Ec~1/t0.2)的具有未变形切削厚度(t)时，刀面
角(α)每增加一度，则比切削能(E
c
)减少1%。
因此，必需选用有利于增加刀面角的润滑冷却和渗透性好的切削油(液)，以节约能源和延长刀具耐用寿命。选用润滑性能好的切削油，以降低比摩擦能而减少比切削能，以节约能源。
2.2 乳化切削液的作用机理
2.2.1切削液的渗透
切削状态随切削条件的变化与切削液的效应关
系，必须以切削液作为液体渗透到刀面与切屑之间而
起作用的问题作为前提。因而必须首先考虑向前刀面
渗透的问题。切削液到达刀尖的路径，可以认为如 图2.3中所示的渗透路线为图2-3所示Figure 2.3 Permeable route of cutting fluid
的A、B、C、 2.3 切削油的渗透路线
渗D四个方向。1)先考虑A的前刀面状况。在前刀面上，由于切削液不得不逆切屑流而入，切屑与刀具间的正压力很高(100kgf/cm2)，温度也高达500℃以上等原因，切削
液从前刀面渗入是难以想像的。因而从流体力学角度看，在常用切削速度下切削液不可能从这个方向涌入而阻止切屑流出[62]。2)再考虑后刀面的状况。由于刀具带有后角，假若尚未磨钝，则刀尖与金属接触部分短，压力和温度也比前刀面低，因此可以认为，后刀面有可能成为切削液的渗透路径。例如，在中低速的非塑变型切屑或有刀瘤和刀刃而附着物等情况下，在切屑被切断时才有可能向前刀面渗透，即沿B方向从后刀面越过刀刃而进行渗透，但当切削速度(切削温度)很高，在刀刃上无刀瘤和附着物的塑变型切削状态下，油不能越过刀刃以液态渗透到刀尖一侧的前刀面上。3)切削液分子从被加工的微小裂纹直接渗入的机理(路径C)。油可以通过下列方法从其切屑侧面渗透[64]：
①借助于切屑与刀具之间的微细毛细管作用或者适当的压力差进行渗透； inder 效应的一种性便它们能使两个相互接触的②依靠切屑与刀具之间的相对振动而产生的泵油作用进行渗透。
此外，切削液还可以从图中的D 方向或切屑侧面进行渗透即为Rehb 。这种情况仅仅是渗透到表层的微观裂纹中，而不是渗透到切削剪切面上。 无论对渗入路径作何解释，因为切削液得以深入的间隙小，所以，切削液的渗透成为其重要性质。与渗透性有关的切削液的性质为液体的粘度和浸润性。液体的浸润性通常用接触角的大小来表示，接触角的大小受固体的材质、表面状态(凹凸、清洁程度等)、温度等的影响。尽管在某些方面还不能说在常温静态下评定出的接触角的大小与切削区的易渗透性有直接的联系，但接触角毕竟是给出浸润性的大致程度的指标。一般说来，低粘度油的浸润性比高粘度油的好。水的浸润性虽比油的差，但如果使用有效的表面活性剂，能使水的浸润性大大提高。
2.2.2切削液的润滑机理
我们所说的润滑剂，是对具有这样一种性质的物质的总称，固体表面在相对运动时产生的摩擦减轻。在切削加工中，刀具－切屑、刀具－加工表面之间产生摩擦，切削液就是减轻这种摩擦的润滑剂。但是，刀刃附近的摩擦状态在前刀面和后刀面的情况大不相同。考察后刀面的摩擦状况，因为刀具带有后角，它与被加工材料的金属接触部分比前刀面少，接触压力也低。因此，后刀面的摩擦、润滑状态被认为接近于一般润滑理论所称的边界润滑状态。关于边界润滑状态的详细内容有专著论述[63]。概括地说，这是一种依靠部分金属接触(粘结部分)和吸附膜支持载荷的润滑状态。在减少摩擦方面，使用吸附性强的物质(油性剂)和使金属接触部分的抗剪切强度降低的物质(极压剂)是有效的。例如S、CL、P等的化合物，这些物质与摩擦面起反应，其生成物能防止热粘附。在实际工作中，含有油性剂、极压剂的切削液能有效地防止后刀面磨损。后刀面的状况基于边界润滑理论去认识是恰当的[64]。 但是，刀具前刀面的状况与后刀面不同。在剪切区经变形的切屑在受到刀具所作
所为摩擦状态，M.C.Shaw [63]认为，随着接触压力增大，接触面给切削液使前刀面上的刀－屑接触长度及切屑与刀具间的金属接触面积减小，同时还使剪切应力降低。积屑瘤的抑制作用
不仅使已加工表面粗糙度变坏，而且会因为积工表面粗糙度得到改善具的后刀面或侧面到达前刀面，极压添加剂中的Cl、S、P等成分就形成之类的情况下被强迫排出，其接触压力大，切屑也会由于塑性变形能而达到高温。在这里会形成完全的金属接触。
关于前刀面上刀具与切屑的积亦增大，直到产生与名义接触面积同等大小的金属接触。一般润滑理论的适用范围在Amontons法则的成立范围之内。具体地说，就是在真实接触面积与名义接触面积相比很少以至于与垂直载荷成比例的区域。Shaw假定，刀具前刀面上的摩擦状态处于真实接触面积与名义接触面积相接近的情况下。在这里，摩擦力就是粘结部分的剪切力。在全面接触下，剪切应力成为与垂直载荷无关的某一定值(材料的屈服应力)。这个推论的正确性从臼井、竹山[62]应用光弹技术研究刀－屑接触面应力分布的实验结果中也得到证实。从刀刃到刀－屑接触长度的大约2/3处，与垂直应力无关，剪切应力为一定值，其后急剧地减小。这表明在刀－屑接触长度的1/2~2/3区间内几乎处于完全的金属接触状态。后续的剪切应力急剧减小部分正是过渡到Amontons法则能够通用的边界润滑阶段。面用限制接触面积的刀具测量切削力时，切削力值开始急剧变化的临界接触长度与这个1/2~2/3数值一致。在此实验中指出：如果供给切削液，则前刀面的剪切应力分布发生变化，一旦供给切削液，则平均剪切应力降低，同时，能测出剪切应力的距离(从刀刃算起)也变短。这表明，由于使用切削液，刀—屑接触长度减小，切屑在刀具前刀 面上处于完全接触状态的面积也减小。
基于上述认识，在刀具前刀面上切削液的作用可归纳如下。供从切削机理上看，这导致了剪切角的增大和切削力的减小，从而使工件材料的切削加工性得到改善。
2.2.3切削液对低速切削钢料时，由于积屑瘤的附着，屑瘤导致切深变大从而难于达到规定的尺寸精度。对硬质合金刀具而言，伴随着积屑瘤的脱落，容易使刀刃产生剥落，从而降低刀具耐用度。
供给含有极压添加剂的切削液，能使积屑瘤的附着减少，已加，由于切削液的介入，在切屑－刀具界面上存在着妨碍切屑底层与刀具前刀面金属粘结的物质。
切削液沿着刀由各自的金属化合物和金属氧化物等混合而成的固体润滑剂或聚合物，如同防止极压润滑状态的热粘附那样，防止切屑的粘结，抑制积屑瘤的生长。大库等[65]曾研究过刀具前刀面上氯、硫的浓度分布，显示出前刀面上极压添加剂在起作用。
F.P.Bowden等[62]认为，含氯和硫的极压添加剂与铁反应生成氧化铁和硫化铁
的固已加工表面光洁，加工效率也提高。但是，因为刀尖温度寸精度得以提高；
直接冷却了刀尖，而是因为从切屑背面把热量近温度的降低机理，有多种研究成果。关于供给切削液时的刀尖温度，度之所以比干切削的高，是由于急冷使切屑卷单独分离出来考虑，而应该与另一个效果是保持尺寸精度。刀具与被加工材料的体润滑膜，而这种固体润滑膜的抗剪切强度比原来的生铁低。Ernst和Merchant [66]基于这种看法，在低速切削条件下，用实验值和计算值比较了前刀面摩擦的减小比例，其结果大体上一致。虽然极压添加剂的作用机理和反应生成物的详细情况目前还有很多不清楚，但实际的使用已证实，只要使用极压添加剂就能抑制积屑瘤的生长。因此，Cl、S等成分在刀尖起着有效的作用是毋庸置疑的。
2.2.4切削液的冷却机理
高速切削时，积屑瘤消失，升高会使刀具耐用度降低；由于热膨胀的影响导致尺寸精度变坏。所以有必要进行冷却，供给切削液时，可以得到下述冷却效果：
1) 使刀尖温度下降，刀具耐用度延长；
2) 控制被加工材料和刀具的热膨胀，使尺3) 使工件的装卸等损伤容易进行。
A.Dorinson 认为，切削液并不是因为带走了。正如上面所述，在刀具的刀尖处存在着多量的切削液这一点是令人难以想像的。应该说是切削液冷却被加工材料、切屑和刀具全体，因此防止了从刀尖传出的热量的积蓄。
关于切削刃附M.C.Shaw [67]等指出，在轻切削时，刀尖温度明显地降低；而重切削时没什么差别，若提高切削速度，温度反而比干切削时升高。正野崎[68]也曾指出，当切削速度越过160m/min时，干切削比湿切削的刀尖温度低，由于高温使被加工材料软化，因而塑性变形变得更容易了，切屑剪切部分的发热就受到抑制的缘故。在这种场合如果使其冷却就会阻碍被加工材料的软化，因此，反而会使剪切部分的发热增大。一般认为，冷却性能差的油基切削液在使用中实测刀尖温度较低，正是因为它的润滑作用和抗粘结作用使得发热被抑制在较低水平的缘故。
Shaw [69]等曾断言，加水湿切削的刀尖温曲半径减小，因而导致切屑与前刀面接触而产生的高温区向刀刃附近移动的缘故。由于这种原因，有时在刀刃附近形成深的环形月牙洼磨损及刃口破损。在这种情况下，如果加大进给量就能使月洼磨损的位置远离刀刃。
一般说来，在供给切削液的场合，没有必要把冷却效应抑制发热的润滑效应合并考虑。
切削液的冷却性方面，希望得到的热膨胀是使尺寸精度变差的原因。切削液的冷却作用能防止工件的热膨胀，并使其装卸方便。这种冷却作用可根据一般的冷却理论用传热系数来分析。例如，假设液