电解水油气三相微量润滑冷却关键技术及应用

来源:用户上传      作者:张乃庆 吴启东

　　摘   要：针对金属加工中切削油液使用量大、泄漏严重、容易造成环境污染和现有微量润滑技术存在的问题创造性发明了包括电解水油气三相微量润滑冷却系统和可降解微量润滑剂;电解水油气三相微量润滑冷却系统包括电解水发生器、微量喷油装置、油水气喷射装置;电解水发生装置的进水端外接水源，碱性水出水端通过软管与油水气喷射装置连接;电解碱性水发生器包括电解槽、隔膜、阳极电极和阴极电极;隔膜将电解槽分割成两个腔体;两个腔体分别放置阳极电极和阴极电极，形成阳极室和阴极室;净水分别进入阳极电解槽和阴极电解槽;阴极电解槽内的水经过电解后，供水油气三相节能微量润滑冷却系统使用;解决了机加工的切削油液等冷却介质使用量大，泄漏量大，浪费严重，造成环境污染问题。可降解润滑油添加剂，解决微量润滑剂的极压抗磨性、润滑性和环境友好的可降解问题，在实际应用中取得良好的技术效果。
　　关键词：金属加工  微量润滑  电解水  三相微量润滑冷却系统  可降解微量润滑剂
　　中图分类号：TG506.1                              文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0099-04
　　现有的金属加工润滑和冷却中一般采用切削油液等冷却介质进行润滑，这些切削油液在金属加工时被大量喷洒在加工部位，通常是采用间断或不间断冲淋喷洒进行的，因而其他不需要润滑和冷却的加工部件或刀具部位也喷洒不少的切削油液，造成切削油液等冷却介质使用量大，泄漏量大，浪费严重，造成环境污染。
　　微量润滑技术代替切削油液、干式加工技术已经成为必然趋势，适应了绿色制造和可持续发展的理念。传统的零件制造采用供给大量切削油液的浇注式方法已有百年的历史，解决了切削加工刀具/工件界面强热/力耦合作用下的冷却、润滑和排屑等技术难题。然而零件成形制造过程中切削油液的大量使用在环保、成本、职业健康等方面存在问题，已经成为制约制造业绿色发展的瓶颈。在ISO环境标准和碳排放要求日益苛刻背景下，发展清洁、低耗、高效和可持续的绿色制造新技术迫在眉睫。绿色制造是可持续生产的必由之路，也是《中国制造2025》制造强国战略。
　　近年来不少研究机构对微量润滑技术进行了研究[2-5]，微量润滑技术采用压缩空气作为动力，将微量的极压抗磨性能和润滑性能良好的微量潤滑剂[6，7]输送需要润滑冷却的部位进行润滑冷却，杜绝了润滑冷却剂的浪费。
　　1  电解水油气三相微量润滑冷却技术
　　对于有些加工时由于加工变形量或摩擦热大，需要另外冷却介质进行冷却，因此本企业开发了油水气三相微量润滑冷却系统[8-10]，微量润滑油提供润滑和部分冷却功能，压缩空气提供动力和部分冷却清洁功能，水在到达加工表面时汽化可以带走大量的热量，冷却效果明显。不过此技术在实际的使用过程中存在以下问题：（1）添加防锈剂不方便，导致用户不加防锈剂，因而工件容易生锈;（2）加水不方便，需要停机卸压后才能加水，不能多台设备一起供水;（3）水压不稳定，受水容器内的压力影响很大。
　　为解决以上问题，本公司研发团队联合青岛理工大学对现有技术进行分析和研究，并创造性地开发了电解水油气三相节能微量润滑冷却系统[1]，以克服上述现有技术的缺陷，提高工作效率。
　　1.1 电解水油气三相微量润滑冷却系统结构和工作原理
　　电解水油气三相微量润滑冷却系统[1]，如图1：包括1-电解水发生器、2-微量喷油装置、3-油水气喷射装置;电解水发生器的进水端外接水源，碱性水出水端通过软管与油水气喷射装置连接;压缩空气分成两路，一路直接与油水气喷射装置连接;另一路作为动力与微量喷油装置连接，微量喷油装置的出油口与油水气喷射装置相连接。
　　电解水发生器：如图2，包括：11-电解槽、12-隔膜、13-阳极电极和14-阴极电极;隔膜将电解槽分割成两个腔体;两个腔体分别放置阳极电极和阴极电极，形成阳极室和阴极室;净水分别进入阳极电解槽和阴极电解槽;阴极电解槽内的水经过电解后，供水油气三相节能微量润滑冷却系统使用。
　　微量喷油气装置包括：油杯、精密气动泵、频率控制器;精密气动泵上设置油杯，频率控制器控制精密气动泵的出油频率;精密气动泵上设置有油量调节装置，控制精密气动泵的出油量;精密气动泵上设置有气量调节装置，控制精密气动泵的出气量，空气调压过滤器，压缩空气通过空气调压过滤器，经过频率控制器，通入精密气动泵;电磁阀设置于空气调压过滤器和频率控制器之间，用于控制频率控制器的气体通断。
　　油水气喷射装置包括：油水气混合控制装置、节能喷嘴、第一液体输入管、第二液体输入管、第一液体输出管、第二液体输出管、气体输入管、气体输出管、调节水阀和油水气三通模块;第一液体输入管、第二液体输入管、气体输入管都与油水气混合控制装置相连;第一液体输出管、第二液体输出管和气体输出管一端与油水气混合控制装置，另一端与节能喷嘴相连;节能喷包括喷嘴本体、嵌套环、三通柱、密封圈和水油混合输出管;油水混合，从水油混合输出管喷出，气体进入喷嘴本体内，经过嵌套环从水油混合输出管外侧喷出。
　　1.2 电解水油气三相微量润滑冷却系统技术优势
　　电解水油气三相节能微量润滑冷却系统解决了传统技术中润滑剂用量大，环境污染严重，现有技术中水油混合不均匀，出液效果不佳以及加水频繁增加劳动强度的问题;电解水装置生成的碱性电解水有效解决了机床、工件的防锈问题。 　　2  可降解微量润滑剂
　　为解决极少量的润滑剂就能达到润滑冷却的目的，传统微量润滑剂往往需要添加大量的含硫、氯、磷等对环境有较大压力的添加剂来增加产品的极压抗磨性，延长刀具使用寿命，但这些添加剂对环境和工人有一定的危害。如何解决这些问题，使微量润滑技术能够普及应用，需要解决微量润滑剂的极压抗磨性和润滑性问题，同时还须考虑环境和工人的身体健康问题，本公司为此开发了多款润滑性、极压抗磨性、可降解性优异的微量润滑油添加剂和可降解微量润滑剂[6，7]，并申请了专利保护。在实际应用中取得良好的技术效果。
　　2.1 可降解微量润滑剂技术内容
　　为了方便说明，特别选择发明专利：丁烯二酸树脂及其制备方法和用该树脂制备可降解微量润滑油（ZL201510112410.X）[6]进行详细描述。
　　本公司研发了一种可以全部或部分替代传统含硫、含氯的极压抗磨添加剂并且生物降解性能优良的微量润滑油添加剂：丁烯二酸树脂。丁烯二酸树脂由丁烯二酸或丁烯二酸酐和脂肪醇先进行酯化反应后，再加入引发剂进行聚合反应制备而成的。
　　丁烯二酸树脂合成路线的具体工艺步骤如下：步骤一，将丁烯二酸（或丁烯二酸酐）和脂肪醇加入聚合釜内，加入催化剂（稀硫酸或阳离子交换树脂），充入氮气转换出聚合釜内空气进行反应，反应温度为：180℃～220℃，反应时间为：3～5h;反应后减压排出水分，即为丁烯二酸酯;步骤二，往聚合釜内加入引发剂（引发剂为：过氧化二苯甲酰、过氧化月桂酰、异丙苯过氧化氢、叔丁基过氧化氢、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化叔戊酸叔丁基酯、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二乙基己酯、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的一种或几种）搅拌，保持反应温度160℃～180℃，聚合反应4～8h以后，将聚合釜内的聚合物排出，在100℃以上的温度过滤去除等杂质，即为丁烯二酸树脂。
　　一种可降解微量润滑油，由以下组分组成：丁烯二酸树脂、多元醇酯、脂肪酸单酯、酰基肌氨酸或其钠盐、脂肪醇磷酸酯。
　　其中多元醇酯是由多元醇与一元脂肪酸进行酯化反应人工合成所得的合成酯，也可选用天然脂肪酸多元醇酯。合成多元醇酯优选：三异辛酸甘油酯、三羟甲基丙烷三异辛酸酯、季戊四醇四异辛酸酯，三月桂酸甘油酯、三羟甲基丙烷三月桂酸酯 、季戊四醇四月桂酸酯、三油酸甘油酯、三羟甲基丙烷三油酸酯 、季戊四醇四油酸酯、三棕榈酸甘油酯、三羟甲基丙烷三棕榈酸酯 、季戊四醇四棕榈酸酯;天然脂肪酸多元醇酯优选：菜籽油、大豆油、花生油一种或几种。
　　其中脂肪酸单酯是指一元醇和一元脂肪酸制备的酯，可选由天然油脂衍生的直链脂肪酸和一元低碳醇酯化反应得到的酯，优选：油酸甲酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、硬脂酸甲酯、硬脂酸乙酯、棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯、油酸乙酯、油酸丁酯一种或几种。
　　其中酰基肌氨酸或其钠盐是脂肪酸和肌氨酸进行酰化反应的产物，优选月桂酰肌氨酸、月桂酰肌氨酸钠、肉豆蔻酰肌氨酸、肉豆蔻酰肌氨酸钠、椰油酰肌氨酸、椰油酰肌氨酸钠中的一种或几种。
　　其中脂肪醇磷酸酯是饱和或不饱和脂肪醇和磷酸或五氧化二磷反应生成的脂肪醇酯，优选：三月桂醇磷酸酯、亚磷酸三月桂醇酯、异构十三醇磷酸酯、油醇磷酸酯、三异辛醇磷酸酯中的一种或几种。
　　2.2 可降解微量润滑剂技术优势
　　（1）丁烯二酸树脂具有优异的润滑性、极压抗磨性、生物可降解性，可全部或部分取代传统的含氯、硫、磷的极压抗磨剂使用于微量润滑油中，少量的微量润滑油就能满足金属加工的润滑冷却、极压抗磨和防锈要求。
　　（2）多元醇酯具有优异的润滑性和可生物降解性。
　　（3）脂肪酸单酯提供良好的润滑性和分散性，同时生物可降解性良好。
　　（4）脂肪醇磷酸酯是良好的极压抗磨剂，可有效延长刀具使用寿命，同时可生物降解。
　　（5）酰基肌氨酸或其钠盐，有较好的防锈性能，自身的生物降解性良好，还可促进其他组分的生物降解。
　　3  电解水油气三相微量润滑冷却技术的应用
　　微量润滑技术针对传统润滑剂处理费用高昂、污染环境的技术瓶颈，率先在理论上揭示了不同极端工况条件下的润滑剂微/纳界面热交换特性的本质规律。本公司率先构建了应用在9个行业14种不同工况的微量润滑工艺体系，解决了航空航天、轨道交通、模具和汽车等领域难加工材料准干式高效加工的技术难题。
　　目前已在国内1000多个金属加工企业成功应用，包括中国中车、中国铝业、中航工业、中国中铁、上海大众、一汽大众、上海电气、中国二汽、晟通集团、格力集团、华峰股份、常铝股份、亚太科技、双环传动、中马传动、丛林集团、宁波富邦、浙江巨科、三花股份、万达铝业、万丰奥威、明泰铝业、鑫泰铝业、山东兖矿、秦川机床、法士特、富士康、捷安特等企業进行了使用，用户反映效果良好，大大减少了用户的切削油液的使用成本，降低对环境和工人的危害，提高了生产效率。同时已经成功配套50多家机床生产商：如德力数控、晨龙锯床、金工机械、日发精机、雷德数控等。
　　3.1 案例1：某传动件加工央企
　　中间轴齿轮生产线，加工产品：12JS160T系列中间轴齿轮，数控滚齿机数量3台，数控滚齿机型号：YKX3132M，班产280件，原使用机械油进行润滑冷却，现进行改造安装电解水油气三相微量润滑冷却系统。
　　使用电解水油气三相微量润滑冷却系统（微量润滑装置+微量润滑剂）改造效果对比见表1。
　　经分析用油成本下降约80%，总加工成本约下降50%。
　　3.2 案例2：某飞机零部件生产企业
　　在CNC和铣床的使用加工铝合金过程中存在以下问题：
　　（1）CNC和铣床用切削液润滑冷却、消耗量大; 　　（2）切削液容易发臭，需定期更换槽里面的废液，增加管理成本;
　　（3）更换的切削液需处理后才能排放，大大增加切削液的使用成本;
　　（4）用切削液加工，工件表面发黑，光洁度差，存在明显接刀痕迹，工件易变形;
　　（5）加工效率低。
　　自运用了电解水油气三相微量润滑冷却和可降解微量润滑油后，解决了这些困扰公司多年的以上问题。
　　3.3 案例3：某中小板上市科技企业
　　高速锯床锯切铝合金大棒材中存在以下缺点：切削液用量比较大，造成周围车间地面到处油污，生产环境污染严重;加工速度慢，刀具损耗大，切削的工件沾切削油液过多。
　　自运用了电解水油气三相微量润滑冷却和可降解微量润滑油后，解决了这些困扰公司多年的老问题：首先润滑剂的用量大大减少;其次周围地面不再有油污;第三加工效率大大提高;第四锯片的使用寿命大大延长;第五无后处理费用。
　　4  结语
　　电解水油气三相微量润滑冷却关键技术及应用，扩大了微量润滑技术的应用范围，改变了金属加工领域的润滑冷却方式，降低了金属加工用切削油液的使用量及生产成本，减少了金属加工过程中切削油液排放对环境的污染，改良了金属加工工件的表面精度，有效缓解机床、工具及加工工件的锈蚀，优化了金属加工工序环节，提高了生产率和产品质量，对节能减排、环境保护意义重大。
　　参考文献
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