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.廣東工業大學輕工化工學院，廣東 廣州 510006；3.廣工?方川金屬加工液及工業潤滑研發中心，廣東 廣州 510765；4.廣東省傳動潤滑流體工程技術研究中心，廣東 廣州 510765）

汽車鋁合金輪轂以其質量輕、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、容易制造等優點，在汽車工業中顯示了巨大的發展潛力[1]。根據鋁車輪質量協會統計的數據，中國汽車鋁輪轂市場規模已從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。

國內外鋁合金輪轂的市場吸引力將刺激我國鋁合金輪轂行業的發展，由此給汽車鋁輪轂的精密制造帶來巨大商機。因此，用于鋁輪轂加工過程的潤滑材料也迎來良好的發展機會。隨著汽車鋁合金輪轂外觀質量追求的不斷提升，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，如國產大多數產品存在鋁防腐蝕時間短、工件表面精度低、抗硬水性差、生物穩定性不足的缺點。美國某進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間短，而且價格昂貴。根據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定性[3-5]。基于此，本文開發了一種環保型鋁合金輪轂高光切削液，并對其性能和工程實際應用情況進行了研究。

1 實驗

1.1 環保型高光切削液的制備

切削液的基本組成(按100質量份計)如下：有機醇胺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 環保型高光切削液的性能指標

按SH/T 0365–1992《乳化油》的方法對所研制的環保型高光切削液與某進口及國產品牌切削液樣品進行測試，結果見表1。

表1 環保高光切削液及對比樣品的測試結果Table 1 Test results of different cutting fluids

1.3 表征方法

采用四球試驗機，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。采用行業內默認的非標方法測試抗硬水性，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，具有較強的物理吸附性[7]，能大大降低摩擦因數，但泡沫多、抗硬水性差。針對鋁輪轂高光切削對潤滑性、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，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。

實驗一：按配方比例加入原料基礎成分(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，再取進口切削液、國產切削液樣品各一款，分別配制質量分數5%的水稀釋液，按GB/T 3142–2019的方法測出PB值。從表2給出的結果可看出：加5%的蓖麻油基潤滑劑可很好地提高產品的潤滑性。

實驗二：將自制高光切削液、某國產切削液和某進口切削液分別配成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、轉速600 r/min分別測量溶液的攻絲扭矩。由圖1可以看出，環保型高光切削液的攻絲扭矩最低，而后是進口切削液，某國產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間。在鋁合金加工時，當加工液的pH大于8.5時，在鋁金屬表面的氧化鋁膜非常不穩定，堿性較高的加工液會對鋁產生污斑腐蝕[8]。

根據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，結果見圖2和表3。自制高光切削液和進口輪轂切削液防鋁腐蝕性均為A級，而某國產輪轂切削液為C級，表明本文研制的高光切削液具有優異的防鋁腐蝕性能。

表3 鋁腐蝕測試結果Table 3 Test results of aluminum corrosion

圖2 鋁腐蝕試驗后的照片Figure 2 Phots of aluminum corrosion test specimens

2.3 切削液的抗硬水性

一般采用有機羧酸作為新型防銹劑以替代傳統的亞硝酸鹽，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，其通過與有機醇胺反應生成羧酸鹽。有機羧酸類物質具有良好的抗銹性能，但容易與水中的鈣鎂離子結合而生成沉淀，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口輪轂切削液的抗硬水性均在500 mg/L以上，而國產輪轂切削液的抗硬水性在300 ～ 500 mg/L之間。

2.4 切削液的生物穩定性

抗生物腐敗是切削液的重要指標之一。本文研制的環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，其優異的生物穩定性和安全性，可確保工作液持久穩定，不產生細菌和變質，滿足長時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Figure 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定性能。從中可以看出，1個月后環保型高光切削液的pH變化最小，并且基本保持無味，顯示出更優異的抗微生物性能。

表5 1個月內不同切削液的pH和生物穩定性Table 5 pH and biological stability of different cutting fluids within one month of storage

2.5 應用測試

廣州某大型鋁合金輪轂制造企業從事精密高光鋁輪轂的制造，采用臺灣遠東機床、瑞士ABB機器人，對A356.20鋁合金進行高光精加工，刀具材質為單晶鉆PCD(人造聚晶金剛石)，主軸轉速大于2 000 r/min，要求防腐蝕時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，切削液可循環使用，無需更換。現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 合格產品Figure 5 Qualified products

使用所研制的環保型高光切削液進行現場產品應用測試，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過程中的變化。在試驗期間，切削液外觀呈正常的均勻狀態，消泡性良好，對工件和設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口品牌切削液明顯小很多，無刺激、過敏等不適。

對加工后的工件進行檢查，沒有發現表面白線情況，合格率為100%(之前只有85%)，也沒有發生刀具粘刀、斷刀的現象。加工后的工件沒發現腐蝕氧化現象，加工精度可滿足品質要求。

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

3 結論

基于國內市場需求，研制了一款環保高光切削液，它具有優異的潤滑性、防鋁腐蝕性、抗硬水性和生物穩定性，性價比高，可以替代同類進口產品，并且滿足出口型加工企業的環保要求。