環保型切削液在軸承套圈磨削加工中的應用分析

王衛東，李海清，楊泳烽

(1.浙江工業職業技術學院 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、結合度、組織等特性外，金屬切削液對軸承套圈磨削加工質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，破壞生態環境，在低溫焚燒處理時會產生有害物質；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，排到河流中會出現赤潮現象，同時，酚類和甲醛等殺菌劑也會對環境造成危害[1]。隨著環保法規的日益完善和人們環境意識的增強，切削液的使用和廢液處理備受關注[2]。因此，軸承生產企業對切削液提出了新的要求，選擇合適的環保型切削液進行軸承的磨削加工成為備受關注的話題。

環保型切削液使用無毒無害的溶劑和催化劑進行合理的配比，在使用及后處理過程中對環境的污染降到最低。現研制一種環保型切削液，并通過與普通水基切削液進行試驗對比，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進行切削液的摩擦性能對比試驗，該試驗機可實現60～10 000 N的無級調速，摩擦力測試范圍為0～300 N，測試誤差為±3%，主軸轉速為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。計算機實時讀取力傳感器的數值，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行單片試驗，環保型切削液中復合有機硼酸酯的添加量為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，試片經打磨拋光處理后用汽油、酒精洗凈后吹干待用，在已經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為起點進行連續試驗，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細菌測試片分別蘸取2種切削液，放置于30～35 ℃環境下進行菌絲培養，培養時間為72 h，然后取1環菌臺放入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 工件表面質量試驗

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

2 結果與分析

2.1 摩擦性能

硼酸酯在水基切削液中是一種多功能環保型添加劑，油酸三乙醇胺、硼酸酯和硫脲的協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)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，達到減少粘結的目的[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，表明環保型切削液減摩效果更好。

圖1 環保型切削液與普通水基切削液P-F對比

2.2 防銹性能

環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；環保型切削液在24～36 h的測試結果均為A級，48 h后開始出現輕微銹蝕現象，說明其防銹性能逐漸減弱，此時普通切削液則已出現較明顯銹跡現象；環保型切削液在72 h后出現較明顯銹蝕，說明環保型切削液在長時間的持續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，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、大小和數量明顯高于環保型切削液，環保型切削液中的硼原子本身就具有殺菌作用，硼酸在醫藥行業常用作消毒劑，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，環保型切削液在不需要添加其他添加劑的情況下就可實現防腐殺菌的效果，節約了成本。

圖2 2種切削液菌絲顯微圖(×2 000)

2.4 工件表面質量

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

表3 2種切削液下軸承內圈表面粗糙度Ra

圖3 2種切削液加工內圈酸洗后的對比圖

3 切削液的處理與排放

目前，應用較多的水基切削液的廢液處理方式主要有物理處理、化學處理、生物處理、燃燒處理。對于環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，將每臺機床應用后的切削液匯集到一起，通過過濾處理后經管網再輸送到每臺機床進行循環使用，對于含有切屑、磨粒等雜質的切削液通過地溝或管道流回切削液廢液處理系統進行再處理，廢液所含雜質等進行收集處理，環保型切削液的生物降解率可達90%～100%[6]。切削液在使用過程中應通過指標檢測與維護，及時了解切削液的變化趨勢，保證加工的正常進行，延長切削液的使用壽命。

4 環保型切削液的使用成本及使用周期分析

環保型切削液在使用過程中不僅應具有良好的環保性能，使用成本也應合理。分別在軸承內磨1，2車間的軸承磨削生產線中使用普通水基切削液和環保型切削液，均采用切削液循環再利用系統，通過廢液處理及切削液自身價格核算后發現：使用環保型切削液生產線切削液的成本降低50%～60%。通過統計發現，使用普通水基切削液的軸承內磨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；使用環保型切削液的軸承內磨2車間通過監測切削液微生物指標后約每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，使用環保型切削液不僅降低對環境的污染，而且使用成本及使用周期均得到了改進。

5 結束語

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