CN110129118A - Elid磨削铝基复合材料专用磨削液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了ELID磨削铝基复合材料专用磨削液及其制备方法，属于精密超精密在线电解修整磨削领域。磨削液的组成成分为：机油、斯盘、聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、水溶性有机硅氧烷、油酸三乙醇胺、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、聚丙烯酰胺、异噻唑啉酮、硫酸钠、磷酸钠、自来水配制而成。该磨削液既能使金属结合结砂轮中的金属和粘附在砂轮表面的铝基磨屑电解去除，达到修锐砂轮的作用，又能与砂轮表面露出的金属结合剂和已加工表面露出来的铝基体发生氧化反应，形成一层针对砂轮表面金属结合剂和铝基体的抗腐蚀氧化膜。

Description

ELID磨削铝基复合材料专用磨削液及其制备方法

技术领域

本发明涉及的技术领域为铝基复合材料精密超精密磨削，广泛适用于航空航天、军工、精密电子等精密加工领域。该磨削液为ELID磨削技术的重要组成部分之一，与金属结合剂和高频脉冲电解电源构成ELID磨削工艺系统，在ELID磨削过程中利用阳极溶解的原理对砂轮实施在线修锐，同时清除附着在砂轮表面的铝基磨屑，使砂轮保持良好的磨削状态，获得高质量的加工表面。

背景技术

铝基复合材料具有质量轻、具有良好的导电性、导热性、可塑性、熔点低、耐氧化等优点，结合金刚石、碳化硅等材料形成的铝基复合材料在精密仪器、航天、军工、汽车制造等领域具有广阔应用与发展空间。由于铝基复合材料中铝基体熔点较低、质量较轻，在磨削热的影响下极易熔化，在磨削加工中由于铝基体软化涂抹会产生积屑瘤，导致加工件表面质量低，加工精度低，并产生堵塞砂轮现象。现有的磨削液不能解决上述加工问题，该磨削液有助于解决铝基复合材料的加工难题。

发明内容

本发明为了克服现有的普通磨削液对铝基复合材料加工后，被加工件表面质量不均匀、发生烧伤、砂轮堵塞严重，无法实现镜面级精密加工等问题。应用该磨削液能减少工件表面缺陷以及砂轮堵塞现象，有效提高铝基复合材料加工表面质量和精度，满足实际生产要求。

ELID磨削铝基复合材料专用磨削液，其特征在于：包括机油、斯盘、聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、水溶性有机硅氧烷、油酸三乙醇胺、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、聚丙烯酰胺、异噻唑啉酮、硫酸钠、磷酸钠和自来水。各组分质量百分含量为：2％～4％的机油、5％～7％的斯盘、0.7％～0.9％的聚苯胺、0.4％～0.6％的偏硅酸钠、0.4％～0.6％的四乙氧基硅烷、2％～3％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5％～2％烷基酚聚氧乙烯醚、1％～1.5％磷酸酯、0.5％～0.7％的水溶性有机硅氧烷、1.5％～2.5％的油酸三乙醇胺、0.8％～0.9％的氯化脂肪酸、4％～6％的含氮硼酸酯(5％为最佳)、3％～4％的石油磺酸钠、0.2％～0.4％的聚丙烯酰胺、0.8％～1.2％的异噻唑啉酮、0.3％～0.9％的硫酸钠、0.2％～0.9％的磷酸钠、63.8％～74.8％的自来水。

进一步，其特征在于各组分质量百分含量为：2％的机油、6％的斯盘、0.8％的聚苯胺、0.5％的偏硅酸钠、0.5％的四乙氧基硅烷、2.5％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5％烷基酚聚氧乙烯醚、1.5％磷酸酯、0.6％的水溶性有机硅氧烷、2％的油酸三乙醇胺、0.9％的氯化脂肪酸、5％的含氮硼酸酯、4％的石油磺酸钠、0.3％的聚丙烯酰胺、1％的异噻唑啉酮、0.3％的硫酸钠、0.3％的磷酸钠、70.3％的自来水。

所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1将机油、油酸三乙醇胺和斯盘充分混合后，搅拌均匀备用；

S2将聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、水溶性有机硅氧烷、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、异噻唑啉酮、磷酸钠、硫酸钠与自来水混合，均匀搅拌并加热至75～85℃反应35～45min，降温至45℃以下备用；

S3将S1、S2的备用溶液进行混合，均匀搅拌，冷却备用；

S4将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、聚丙烯酰胺加入到S3的混合溶液中，在40～55℃匀速搅拌55～65min，搅拌均匀，冷却得到该磨削液。

所述机油为油性剂，在磨削过程中增强磨削液的油性和渗透能力且形成润滑膜，降低砂轮损耗，保证边界润滑，有较低的摩擦系数，从而达到减小磨削力，降低磨削温度之功效；

所述斯盘兼有油性剂和挤压剂的双重功效，与加入的极压抗磨剂协同作用，形成高强度物理化学吸附膜，减小工件、切屑、刀具三者之间的直接接触，减小摩擦和黏结，起到极好的润滑作用；

所述聚苯胺为防腐添加剂，能够有效阻止空气、水、盐分发挥作用，从而遏止金属生锈和腐蚀，延长磨削液使用时间，同时成本低、用法简单、对环境无污染；

所述偏硅酸钠、四乙氧基硅烷为缓蚀剂，与聚苯胺协同防锈并能在砂轮表面产生致密氧化膜；

所述脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯为表面活性剂，与水混合后产生乳状液实现磨削液乳化，增加接触面积且有杀菌消毒作用；

所述水溶性有机硅氧烷为消泡剂，抑制磨削过程中泡沫产生或消除已产生的泡沫，保持磨削液稳定；

所述油酸三乙醇胺为润滑剂，易在砂轮与工件之间形成物理吸附膜，同时与极压抗磨剂有良好的协同抗磨作用，使润滑性能显著提高；所述氯化脂肪酸、含氮硼酸酯为极压抗磨剂，保证边界极压润滑，延长砂轮的使用寿命，提高工件表面加工质量；

所述石油磺酸钠为防锈剂，防止机床、砂轮锈蚀，保持良好磨削性能并在砂轮表面形成氧化物的保护膜；

所述聚丙烯酰胺为絮凝剂，絮凝在磨削金属过程中产生的磨屑和油泥，清理磨削加工过程中产生的杂质，保持磨削液的清洁度；

所述异噻唑啉酮为杀菌剂，抑制和杀灭磨削液及磨削加工过程中的细菌和真菌，同时起到防腐蚀的作用；

所述硫酸钠、磷酸钠为电解质，使磨削液具有一定的电解能力，确保砂轮在磨削过程中得到在线电解修锐。

所述自来水，在磨削过程中起到冷却和冲洗作用，防止磨具砂轮出现热化学磨损和金刚石碳化的现象。

本发明所涉及的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液与传统磨削液不同，主要的优点在于：

1)既具有普通磨削液的性能，又具有电解去除、氧化成膜的特性，在加工过程中，既能使金属结合结砂轮中的金属和粘附在砂轮表面的铝基磨屑电解去除达到修锐砂轮的作用，又能与已加工表面露出来的铝基发生氧化反应，形成一层针对铝基体的抗腐蚀氧化膜，减少划伤、降低残余加工应力，提高加工质量和加工精度；

2)无腐蚀性，对环境无污染、无毒害，防锈、润滑、冷却效果好；

3)可以及时电解磨具和工件表面附着的铝基体产生的磨屑，解决铝基体软化粘附堵塞砂轮的问题，同时抑制泡沫的产生；

4)具有优良的稳定性。

附图说明

图1是采用专用磨削液磨削后的工件表面形貌SME图。

图2是采用普通磨削液磨削后的工件表面形貌SME图。

图3是加工前与加工后60％体积分数铝基碳化硅复合材料对比图，(a)是加工前，(b)是加工后。

具体实施方式

设计ELID磨削铝基复合材料磨削实验检验该磨削液的磨削效果、特点，并与传统磨削液相对比验证、突出该磨削液的优越性。

1、实施例1

(1)实施条件

实验设备：ELID磨削模块化改造后的MSG-612CNC超精密成型平面磨床，TR300表面粗糙度测量仪，S-3400NⅡ型扫描电子显微镜、BCPCAS4800扫描电子显微镜。

磨削条件：室温，本发明的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液，体积分数为60％的铝基碳化硅复合材料，铁基金刚石砂轮。

磨削参数：主轴转速n＝1800r/min，磨削深度ap＝3μm，工件移动速度vw＝4m/mim，试件经过粗磨、半精磨、精磨、光磨后，对其表面加工质量进行检测、分析。

(2)专用磨削液的配制

按下列质量分数：2％的机油、6％的斯盘、0.8％的聚苯胺、0.5％的偏硅酸钠、0.5％的四乙氧基硅烷、2.5％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5％烷基酚聚氧乙烯醚、1.5％磷酸酯、0.6％的水溶性有机硅氧烷、2％的油酸三乙醇胺、0.9％的氯化脂肪酸、5％的含氮硼酸酯、4％的石油磺酸钠、0.3％的聚丙烯酰胺、1％的异噻唑啉酮、0.3％的硫酸钠、0.3％的磷酸钠、70.3％的自来水配制而成。

专用磨削液的制备方法，具体步骤如下：

①将机油、油酸三乙醇胺和斯盘充分混合后，搅拌均匀备用；

②将聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、水溶性有机硅氧烷、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、异噻唑啉酮、磷酸钠、硫酸钠与自来水混合，均匀搅拌并加热至75～85℃反应35～45min，降温至45℃以下备用；

③将步骤①②的溶液进行混合，均匀搅拌，冷却备用；

④将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、聚丙烯酰胺加入到步骤③的混合溶液中，在40～55℃匀速搅拌55～65min，搅拌均匀，冷却得到该磨削液。

本实验的磨削效果见附表1，附图1所示。

2、对比试验A

(1)实施条件同实施例1。

(2)普通水基磨削液

按下列质量分数：15％的煤油，7％的甘油，4％的油酸三乙醇胺皂，5％的石油磺酸钠、4％的壬基酚聚氧乙烯醚、65％的蒸馏水。

普通水基磨削液的制备方法：

①将15％的煤油、7％的甘油加热至60℃，使之熔化；

②将4％的油酸三乙醇胺皂，5％的石油磺酸钠、4％的壬基酚聚氧乙烯醚混合，搅拌均匀备用；

③将①、②所得溶液混合加热至60℃，冷却备用；

④将上述溶液与65％的蒸馏水混合，均匀搅拌即可。

本实验的磨削效果见附表2所示。

3、对比试验B

(1)实施条件同实施例1。

(2)普通金属加工用磨削液

按下列质量分数：5％的脂肪酸聚氧乙烯醚，4％的苯甲酸钠、32％的矿物油、14％的高碳酸钾皂，12％的有机羟酸盐，7％的聚亚烷基二醇，26％的水配制而成。

普通金属加工磨削液的制备方法：将各组分混合均匀即可。

本实验的磨削效果见附表3，附图2所示。

分别采用上述三种磨削液对体积分数为进行磨削加工。从图1和表1可以看出，采用专用磨削液对60％体积分数的铝基碳化硅复合材料进行磨削加工后，加工表面较平整、有少量的划痕、凹坑、烧伤等缺陷，但并不明显，加工质量好、加工精度高、表面粗糙度低；从图2、表2和表3可发现采用普通水基磨削液和普通金属加工用磨削液对60％体积分数的铝基碳化硅复合材料进行磨削加工后，工件表面有明显的划痕、凹坑、烧伤等缺陷，加工精度低、加工表面差、表面粗糙度高。通过表4的磨削效果对比表以及上述对比可得，专用磨削液磨削效果优于普通磨削液。

表1磨削后的表面粗糙度

表2磨削后的表面粗糙度

表3磨削后的表面粗糙度

表4磨削效果对比

4、实施例2

(1)实施条件同实施例1

(2)专用磨削液的配制

按下列质量分数：2.5％的机油、5.5％的斯盘、0.7％的聚苯胺、0.6％的偏硅酸钠、0.4％的四乙氧基硅烷、2.5％的脂肪醇聚氧乙烯醚、2％烷基酚聚氧乙烯醚、1.5％磷酸酯、0.5％的水溶性有机硅氧烷、1.6％的油酸三乙醇胺、0.8％的氯化脂肪酸、5％的含氮硼酸酯、3％的石油磺酸钠、0.4％的聚丙烯酰胺、0.9％的异噻唑啉酮、0.3％的硫酸钠、0.2％的磷酸钠、71.6％的自来水配成。

配置步骤如下：

①将机油、斯盘、油酸三乙醇胺、搅拌均匀，混合备用；

②将聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、水溶性有机硅氧烷、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、异噻唑啉酮、磷酸钠、硫酸钠与自来水混合，均匀搅拌并加热至65～75℃反应30～40min，降温至50℃以下备用；

③将步骤进行混合，均匀搅拌，冷却备用；

④将步骤①②的溶液一起与脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、石油磺酸钠、聚丙烯酰胺混合，在35～45℃匀速搅拌45～55min，搅拌均匀，冷却，得到磨削液。

表5磨削后的表面粗糙度

5、实施例3

(1)实施条件同实施例1

(2)专用磨削液的配制

按下列质量分数：4％的机油、5.6％的斯盘、0.7％的聚苯胺、0.5％的偏硅酸钠、0.4％的四乙氧基硅烷、2.8％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.9％烷基酚聚氧乙烯醚、1.3％磷酸酯、0.6％的水溶性有机硅氧烷、2.2％的油酸三乙醇胺、0.8％的氯化脂肪酸、4％的含氮硼酸酯、3.4％的石油磺酸钠、0.3％的聚丙烯酰胺、1.1％的异噻唑啉酮、0.6％的硫酸钠、0.5％的磷酸钠、69.3％的自来水。

配置步骤如下：

①将聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、水溶性有机硅氧烷、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、异噻唑啉酮、石油磺酸钠、磷酸钠、硫酸钠与自来水混合，均匀搅拌并加热至60～70℃反应30～40min，降温至40℃以下备用；

②将步骤①的溶液与机油、斯盘、油酸三乙醇胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、聚丙烯酰胺混合，在55～70℃匀速搅拌55～65min，搅拌均匀，冷却，得到磨削液。

表6磨削后的表面粗糙度

Claims (10)

1.ELID磨削铝基复合材料专用磨削液，其特征在于：包括机油、斯盘、聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、水溶性有机硅氧烷、油酸三乙醇胺、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、聚丙烯酰胺、异噻唑啉酮、硫酸钠和自来水；各组分质量百分含量为：2％～4％的机油、5％～7％的斯盘、0.7％～0.9％的聚苯胺、0.4％～0.6％的偏硅酸钠、0.4％～0.6％的四乙氧基硅烷、2％～3％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5％～2％烷基酚聚氧乙烯醚、1％～1.5％磷酸酯、0.5％～0.7％的水溶性有机硅氧烷、1.5％～2.5％的油酸三乙醇胺、0.8％～0.9％的氯化脂肪酸、4％～6％的含氮硼酸酯、3％～4％的石油磺酸钠、0.2％～0.4％的聚丙烯酰胺、0.8％～1.2％的异噻唑啉酮、0.3％～0.9％的硫酸钠、0.2％～0.9％的磷酸钠、63.8％～74.8％的自来水。

2.利用权利要求1所述所述磨削液进行的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，制备具体步骤如下，

S1将机油、油酸三乙醇胺和斯盘充分混合后，搅拌均匀备用；

S2将聚苯胺、偏硅酸钠、四乙氧基硅烷、水溶性有机硅氧烷、氯化脂肪酸、含氮硼酸酯、石油磺酸钠、异噻唑啉酮、硫酸钠、磷酸钠与自来水混合，均匀搅拌并加热至75～85℃反应35～45min，降温至45℃以下备用；

S3将S1、S2的备用溶液进行混合，均匀搅拌，冷却备用；

S4将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯、聚丙烯酰胺加入到S3的混合溶液中，在40～55℃匀速搅拌55～65min，搅拌均匀，冷却得到该磨削液。

3.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述机油为油性剂。

4.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述斯盘兼有油性剂和挤压剂的双重功效，与加入的极压抗磨剂协同作用，形成高强度物理化学吸附膜，减小工件、切屑、刀具三者之间的直接接触，减小摩擦和黏结，起到润滑作用。

5.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述聚苯胺为防腐添加剂，能够有效阻止空气、水、盐分发挥作用，从而遏止金属生锈和腐蚀，延长磨削液使用时间。

6.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述偏硅酸钠、四乙氧基硅烷为缓蚀剂，与聚苯胺协同防锈并能在砂轮表面产生致密氧化膜。

7.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、磷酸酯为表面活性剂，与水混合后产生乳状液实现磨削液乳化，增加接触面积且有杀菌消毒作用。

8.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述水溶性有机硅氧烷为消泡剂，抑制磨削过程中泡沫产生或消除已产生的泡沫，保持磨削液稳定。

9.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述油酸三乙醇胺为润滑剂，易在砂轮与工件之间形成物理吸附膜，同时与极压抗磨剂有良好的协同抗磨作用，使润滑性能显著提高；所述氯化脂肪酸、含氮硼酸酯为极压抗磨剂，保证边界极压润滑，延长砂轮的使用寿命，提高工件表面加工质量。

10.根据权利要求2所述所述的ELID磨削铝基复合材料专用磨削液的其制备方法，其特征在于，所述石油磺酸钠为防锈剂，防止机床、砂轮锈蚀，保持良好磨削性能并在砂轮表面形成氧化物的保护膜；

所述聚丙烯酰胺为絮凝剂，絮凝在磨削金属过程中产生的磨屑和油泥，清理磨削加工过程中产生的杂质，保持磨削液的清洁度；

所述异噻唑啉酮为杀菌剂，抑制和杀灭磨削液及磨削加工过程中的细菌和真菌，同时起到防腐蚀的作用；

所述硫酸钠、磷酸钠为电解质，使磨削液具有一定的电解能力，确保砂轮在磨削过程中得到在线电解修锐；

所述自来水，在磨削过程中起到冷却和冲洗作用，防止磨具砂轮出现热化学磨损和金刚石碳化的现象。