一种用于精密制造汽车铝轮毂的切削液及其制备方法与流程

本发明涉及精密制造汽车铝轮毂的金属切削润滑材料领域，具体涉及一种用于精密制造汽车铝轮毂的切削液及其制备方法。

背景技术：

切削液是一种由多种超强功能的助剂经科学复合配合而成，应用在金属切、削、磨加工过程中，冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体，可满足工件更高要求的精密制造，甚至镜面高光加工要求。

中国是全球汽车轮毂制造中心，轮毂产品的镜面高光精密制造离不开高质量的专用铝轮毂切削液。目前市面用于加工汽车铝轮毂使用的大多是经过乳化的油性乳液，这些切削液可以满足工件加工所需要的冷却和润滑效果，但是含有大量容易滋养细菌的矿物油，切削现场油烟大，工件加工完成后难清洗，工作液容易变脏，更换周期较短，综合成本较高，更换出来的废液含有大量的石油有机物和各种电解质、表面活性剂，面临排放的环保问题。少部分企业使用以水为分散介质的全合成切削液，这类切削液液以水为主要成分，并含有润滑剂、防锈剂等，具备一定的润滑、防锈等性能，但现有技术的此类以水为分散使用介质的切削液润滑性差，防锈性差，成品合格率较低，刀具磨损大，铝防腐蚀性时间短，消泡性差，正处于精密加工成品合格率技术瓶颈期，部分产品还添加了对人体有害的亚硝酸钠来弥补防锈性缺陷。例如，有些产品添加(c10-c13)短链氯化石蜡、亚硝酸钠以增加润滑性和防锈性，氯化石蜡具有较好的润滑性，但是这类物质不稳定，成分中含有的大量游离氯会腐蚀机床丝锥，且加工过程中容易分解，释放出的氯化氢气体会对人体的肝脏和肾脏产生一定的影响，亚硝酸钠具有良好的防锈性，但其实是一种潜在的致癌物质。

基于上述现状，有必要对切削液的组成进行调整，开发一种用于精密制造汽车铝轮毂的切削液，提高该切削液的产品润滑性、防腐蚀性、消泡性、生物稳定性和使用安全性，改善车间烟雾环境、生态环境，改善产品清洗性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种用于精密制造汽车铝轮毂的切削液及其制备方法，该切削液具有良好的防锈性、润滑性、消泡性、生物稳定性和使用安全性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于精密制造汽车铝轮毂的切削液，包括以下质量百分比的组分：防锈剂a5％-15％、防锈剂b3％-8％、润滑剂5％-15％、特种功能剂2％-5％、平衡剂2％-5％、微生物控制剂2％-5％、表面活性剂5％-15％、矿物油30％-50％和去离子水余量，其中，所述防锈剂a包括二甘醇胺、单乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇中的至少一种；所述防锈剂b包括硼酸、十碳二元酸、十一碳二元酸、三元羧酸、苯甲酸钠、多元羧酸酯中的至少一种；所述特种功能剂为脂肪酸多元醇酯。

本发明通过添加脂肪酸多元醇酯作为特种功能剂，该物质不仅具有很强的附着性、边界润滑性，且泡沫低，可以解决目前常用植物油脂润滑性好但泡沫多的缺陷，可以替代目前常用的有机硅类消泡剂，从而解决现有技术添加此类消泡剂容易析出，造成滤网、切削液管路堵塞、消泡持久性不佳的缺陷。

精密制造汽车铝轮毂的机床工作台面、导轨等黑色金属材质，因加工过程水基切削液的存在，其表面长期暴露在潮湿的环境中，其表面对环境中的水吸附，形成很薄的湿气层，逐渐累计的水膜达到20-30个分子厚左右，将会形成电化学腐蚀，表面的铁原子不断被氧化，形成fe(oh)2，而fe(oh)2在水中不稳定，会继续与水膜中的氧和水形成难溶的fe(oh)3，fe(oh)3分散在不断循环的切削液中，使切削液变成红褐色，同样也附着在加工件表面上，防锈剂则是缓解溶液中的氧气和酸性物质与工件表面的接触，并在工件表面定向吸附形成防锈层来达到防锈目的。本发明通过选用不易与钙镁离子形成皂沉淀的二甘醇胺、单乙醇胺或2-氨基-2-甲基-1-丙醇作为防锈剂a，并与防锈剂b复配，进一步提高切削液的防锈性，对机床有良好的防锈作用，保护机床台面、冷却液管路、冷却液槽等不生锈。

本发明通过优选各组分的用量，制备得到的切削液具有优异的润滑、防锈、清洗、消泡、冷却和抗菌性能，不易发臭变质，使用寿命长、不污染环境、对皮肤无刺激，且不含亚硝酸盐和氯化石蜡，有利于环境保护和人体健康。

在诸多添加剂中，有机醇胺具有良好的ph稳定性、金属防锈性和乳化性，是金属加工液中最为常用的原料之一。目前常用的有机醇铵主要有：三乙醇胺(tea)、二乙醇胺(dea)、单乙醇胺(mea)、二甘醇胺(dga)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(amp-95)。

在铝金属加工中，当加工液的ph值大于8.5时，在铝金属表面的氧化铝膜非常不稳定，从而导致较高碱性的加工液对铝金属产生污斑腐蚀。

发明人根据gb/t6144-2010，在55±2℃温度条件下，100g2.5％醇胺的水溶液，以柠檬酸调整ph值至8.80，用打磨干净的铝标准试片(测试四种型号的铝材：al7075，al6061，al2021，2a12)，完全浸泡24h，利用原子吸收光谱仪测试不同有机醇胺浸泡后溶液中铝离子的浓度。由图1可以看出dga，dea，amp-95和mea对铝金属的腐蚀较小，其溶解的铝的浓度低于10ppm，tea对铝金属腐蚀最为严重，铝离子的浓度高达235ppm。然而，dea近年来被发现会引起潜在健康问题，欧盟已禁止使用。因此，本发明优选单乙醇胺、二甘醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇中的至少一种作为切削液的材料。

抗生物腐败是有机醇胺在金属加工液应用中的另外一个重要指标。硼酸是在金属加工液中常用的原料，它具有较好的抗腐蚀性能，并可提高抗生物性能。五种有机醇胺的硼酸盐在金属加工液中表现的抗生物性有所不同，表1列出几种常用有机醇胺的硼酸盐在金属加工液中的ph和不良气味值随时间变化的比较，反映五种有机醇胺的硼酸盐的生物稳定性能。从表1中可以看出，amp-95具有优异的生物稳定性。

表1五种常用有机醇胺的硼酸盐的ph和生物稳定性

优选地，所述防锈剂a包括二甘醇胺和单乙醇胺，更优选地，二甘醇胺在切削液中的质量百分比为2％-5％，单乙醇胺在切削液中的质量百分比为2％-5％。

优选地，所述防锈剂b包括硼酸、十碳二元酸和三元羧酸，更优选地，硼酸在切削液中的质量百分比为2％-5％、十碳二元酸在切削液中的质量百分比为0.5％-4％，三元羧酸在切削液中的质量百分比为1％-5％。

由于当前汽车轮毂多采用a356.20铝合金材质，铝这种两性金属，在偏酸、偏碱的环境中，均易发生腐蚀，而微生物细菌的活跃生长环境为弱酸性，上述技术方案中选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇或单乙醇胺结构的有机胺以及多元聚羧酸或多元羧酸酯复配，将ph值控制在弱碱范围，能够有效控制微生物细菌的生长，更有利于汽车轮毂a356.20铝合金在长时间加工的耐腐蚀性，特殊结构的有机胺使体系具备较强的碱储备量，能够维持长时间加工或受到外来细菌污染，而维持ph值长时间不发生变化，使切削液工作液保持长时间的稳定性。

优选地，所述润滑剂包括蓖麻油酸、二聚酸、棕榈酸、妥尔油、四聚蓖麻油酸酯、季戊四醇油酸酯、植物油酸聚酯、三羟甲基丙烷油酸酯中的至少一种，优选地，所述润滑剂包括蓖麻油酸和妥尔油，更优选地，蓖麻油酸在切削液中的质量百分比为2％-7％，妥尔油在切削液中的质量百分比为2％-7％。

切削液常用硫、磷、氯元素添加剂作为极压润滑剂，此类物质严重影响操作环境和生态环境友好，产生含硫、磷、氯元素的废气、废液。本发明采用大量可生物降解的蓖麻油酸、二聚酸、四聚蓖麻油酸酯和妥尔油，植物油脂含有大量的羧基功能团，具有极强的物理吸附性，加工过程中，牢牢吸附在金属表面形成隔离膜，降低刀具磨损，提高产品表面精度，尤其适合铝合金等软质有色金属的机械加工过程。

优选地，所述表面活性剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸、烷氧基化脂肪醇、失水山梨醇油酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种，优选地，表面活性剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸、烷氧基化脂肪醇和脂肪醇聚氧乙烯醚，更优选地，脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸在切削液中的质量百分比为1％-5％，烷氧基化脂肪醇在切削液中的质量百分比为2％-7％，脂肪醇聚氧乙烯醚在切削液中的质量百分比为2％-8％。

优选地，所述脂肪酸多元醇酯采用蓖麻油酸、亚麻油酸和妥尔油酸作为原料，并加入丙三醇、二甘醇、异丙醇、二聚酸、聚乙二醇400中的至少一种，在160℃-240℃反应3-10h得到。

优选地，所述微生物控制剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。本发明选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇替换常见的甲醛释放体类杀菌剂，其优异的生物稳定性和安全性。

优选地，所述平衡剂为甘油、乙二醇、二甘醇、异丙醇中的至少一种。

优选地，所述矿物油为变压器油、环烷基油中的至少一种。优选地，所述环烷基油的40℃运动粘度为15-35mm²/s。

优选地，所述切削液包括以下质量百分比的组分：防锈剂a6％、防锈剂b5％、润滑剂6％、特种功能剂5％、平衡剂3％、表面活性剂11％、微生物控制剂2％、矿物油42％和去离子水20％。

本发明还提供了上述用于精密制造汽车铝轮毂的切削液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按比例添加防锈剂a、防锈剂b和部分去离子水，加热至70-90℃，以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min至防锈剂a和防锈剂b完全溶解，得到混合物a；

(2)按比例添加表面活性剂、润滑剂、特种功能剂和矿物油，常温下以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min直至混合均匀，得到混合物b；

(3)将混合物a加入到混合物b中，常温下以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min直至混合均匀，加入平衡剂、微生物控制剂和剩余的去离子水，搅拌混合均匀，即得所述切削液。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)产品润滑性好：本发明通过优选润滑剂种类，利用植物油脂极强的金属吸附作用，避免刀具重负荷的加工直接作用于工件表面，提高摩擦表面的润滑性和加工精度，加工制得的工件在高倍显微镜下无明显的白线，将产品合格率提高10％以上，大大降低刀具磨损20％以上。

(2)产品防铝腐蚀时间长：本发明的切削液对铝合金具有优异的防腐蚀性，可满足轮毂镜面高光加工之后，进入清洗、喷涂工艺之前的长时间等待的防腐蚀要求。

(3)产品防锈性好：本发明优选多种不易与钙镁离子形成皂沉淀的防锈剂复配，对机床有良好的防锈作用，保护机床台面、冷却液管路、冷却液槽等不生锈。

(4)产品消泡性好：本发明加入脂肪酸多元醇酯，该物质不仅具有很强的附着性、边界润滑性，且泡沫低，可以解决常用植物油脂润滑性好但泡沫多的缺陷，可以替代目前常用的有机硅类消泡剂，从而解决现有技术添加此类消泡剂容易析出，造成滤网、切削液管路堵塞、消泡持久性不佳的缺陷。

(5)产品使用性安全：该切削液不挥发、不燃不爆、无毒无害，保障现场工人身心健康、生产安全，可满足出口要求。

(6)清洗性好，使用寿命长，成本低：本发明为水溶性切削液，工件加工完成后容易清洗；本发明兑水使用，兑水比例高达1:30，且循环使用，反复利用，大大降低轮毂加工企业使用成本；本发明选用不易与钙镁离子产生皂沉淀的原料，使产品硬水适应性达500ppm以上，使切削液维持长时间性能稳定性。

(7)产品绿色、环保：本发明具有优异的生物稳定性和安全性，可在确保工作液持久稳定，不产生细菌变质情况，不影响工人健康，因此本发明的切削液可长时间使用而无需更换，从而改善废液排放问题。

(8)产品适用性强：本发明可满足不同材质铝合金的轮毂精密加工，无须更替切削液。

附图说明

图1为铝片在不同有机醇胺中浸泡后溶液中铝离子浓度。

图2为采用本发明的切削液进行汽车铝轮毂工件加工的现场加工图。

图3为采用本发明的切削液加工得到的汽车铝轮毂工件。

图4为采用市面常见的乳化型切削液加工得到的汽车铝轮毂工件。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1-9的用于精密制造汽车铝轮毂的切削液的组成成分如表2所示，其中，实施例1-9的切削液的制备方法包括以下步骤：

(1)按比例添加防锈剂a、防锈剂b和部分去离子水，加热至70-90℃，以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min至防锈剂a和防锈剂b完全溶解，得到混合物a；

(2)按比例添加表面活性剂、润滑剂、特种功能剂和矿物油，常温下以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min直至混合均匀，得到混合物b；

(3)将混合物a加入到混合物b中，常温下以300-500rpm的速度搅拌反应20-30min直至混合均匀，加入平衡剂、微生物控制剂和剩余的去离子水，搅拌混合均匀，即得所述切削液。

表2实施例1-9的切削液组分及用量

以上实施例中的甘油为工业精甘油。

以上实施例的脂肪酸多元醇酯的制备方法为：采用蓖麻油酸、亚麻油酸和妥尔油酸作为原料，并加入丙三醇、二甘醇、异丙醇、二聚酸、聚乙二醇400中的至少一种，在160℃-240℃反应3-10h，得到脂肪酸多元醇酯。

将上述实施例制备得到的切削液、市售的乳化切削液和合成切削液按1:20加水进行稀释得到浓度为5％的稀释液后进行性能检测，各项技术指标检测结果见表3。

表3

由表3可以看出，实施例1-4的切削液消泡性均小于20s、最大无卡咬负荷pb值高达850n以上，硬水适应性可达1000ppm以上，具有优异的消泡性、减摩抗磨性及硬水适应性，且防铝腐蚀性优异，使用寿命均可以长达2年，放置7天溶液仍然澄清无析油析皂现象，综合性能优于市面常见的乳化型切削液和全合成型切削液。由实施例4-6结果可知，防锈剂a含量过高容易导致防铝腐蚀性降低。由实施例4和实施例7结果可知，优选硼酸、十碳二元酸和三元羧酸复配有助于提高切削液的防锈性。由实施例1-2和实施例8结果可知，优选润滑剂种类有助于提高切削液的最大无卡咬负荷pb值和硬水适应性。由实施例4和实施例9可知，优选表面活性剂种类可提高切削液的最大无卡咬负荷pb值和硬水适应性。

分别采用实施例4的切削液和市面常见的乳化型切削液进行汽车铝轮毂加工，本发明的切削液加工制得的工件(图2、图3)在无明显的白线，将产品合格率提高10％以上，大大降低刀具磨损20％以上；而采用市面常见的乳化型切削液加工制得的工件(图4)存在明显的白线。可见，本发明的切削液有助于提高摩擦表面的润滑性和加工精度。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。