表面活性剂对滚磨光整加工影响的实验研究

2018-11-12李文辉王燕青刘一睿

机械设计与制造 2018年11期

申欢，李文辉，王燕青，刘一睿

1 引言

滚磨光整加工是将工件、磨块和磨液按一定混合比装入滚筒中，当滚筒运动时，在工件和磨块间产生强大的挤压力和强制流动力，迫使磨块对工件产生碰撞、滚压、滑擦和刻划，从而实现对工件表面的光整加工[1]。在滚磨光整加工中，表面活性剂作为磨液最重要成份，其作用是别的添加剂不可替代，能够起到润滑、防锈缓蚀、表面活性、防腐杀菌、消泡和稳定。表面活性剂在工业生产和人类日常生活中的应用越来越广，并占有特殊重要的地位，被称作为“工业味精”[2]。

国内外对磨液配方研究处于保密状态，对于如何选取表面活性剂尚不明确，并且在滚磨光整领域中，表面活性剂作用机理的研究处于真空阶段，所以研究表面活性剂在滚磨光整加工中的作用效果和作用机理具有重要的意义。

由于国内外对表面活性剂在滚磨光整加工中应用及作用机理研究较少，且出于商业利益的考虑，适合滚磨的表面活性剂没有相关参考标准。所以通过理论分析，选取合适的表面活性剂进行实验，研究表面活性剂在滚磨光整加工中的作用效果和机理。

2 表面活性剂

2.1 适合滚磨光整加工的表面活性剂参考因素

针对如何初步选取适合滚磨光整加工的表面活性剂，应从以下几个方面：（1）表面活性剂的HLB值大小：HLB即亲水亲油平衡值[3]，HLB 值在（10～18）期间时，乳化性、去污性及增溶性较好，但过大会造成去污性能减小，所以HLB值位于（10～15）之间利于才满足滚磨光整加工的要求；（2）电离能力：表面活性剂所带电荷，对表面活性剂-聚合物相互作用具有重要影响[4]，可以改变磨块之间及磨块与工件之间的作用力，减小磨块的磨耗率，增长磨块的使用寿命，但不是电离能力越大越好，过大会造成磨削力下降；（3）降低表面张力的大小：表面活性剂具有两亲性，能够使水的表面张力降低，增大润滑角[5]，润湿角增加磨液与工件，磨液与磨块的接触，使磨液充分湿润工件，最大化发挥磨液润滑、增大磨削力和稳定等作用。

2.2 选取表面活性剂

（1）十二烷基苯磺酸钠，英文名，简称SDBS。白色或淡黄色粉状或片状固体。易溶于水，对碱，稀酸，硬水化学性质稳定，微毒，具有腐蚀性[6]。

（2）脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，简称AES。无色、白色或浅黄色粘稠液体，易溶于水，具有优良的去污、乳化、发泡性能和抗硬水性能，是常用的阴离子型表面活性剂[7]。

（3）椰油酸二乙醇酰胺，简称CDEA。琥珀色粘稠液体，无异味，易溶于水，具有良好的发泡、稳泡、渗透去污、抗硬水等功能，是常用的非离子型表面活性[8]。

3 试件及实验仪器选择

3.1 实验试件

试件选用挤压成型的AL6061管。试件尺寸外径38mm，内径34mm，长70mm，考虑到滚磨光整加工一般作为工艺的最后的一道工序，管的外表面经车削加工，平均粗糙度Ra 0.9左右。

3.2 实验仪器

实验中采用仪器，如表1所示。

表1 实验所用的仪器设备Tab.1 Instrumental Equipment Used in the Experiment

4 实验结果与分析

4.1 实验过程

实验对象为AL6061铝合金，光整加工区域为管的外表面，采用BKL-LL05设备。实验过程在滚筒中加入250ml的纯水与不同的浓度表面活性剂进行混合，每次运转10min，采用Mahr粗糙度仪测量表面粗糙度。为了提高测量的精度，同一位置点测量5次，并旋转一定角度测量5个位置，取平均值。

4.1.1 SDBS对表面粗糙度影响分析

水的表面张力比固体临界表面张力高，不能发生铺展。在水中加入一些表面活性剂，使水能很好地润湿固体，该作用的实质是降低液相的表面张力，使之小于固体的临界表面张力而满足铺展发生的条件[9]。如图1所示，浓度度在2%之前，下降趋势不明显，SDBS浓度过小，水的张力降低不够，工件不能够充分与SDBS接触，并且泡沫量太少不能及时带走金属微粒。浓度在（2～5）%期间时，随着SDBS浓度增大，表面张力降低到一定程度使磨液更容易起泡且泡沫不易破裂，产生的大量泡沫有利于除油污带走微粒金属。加工40min后，滚筒依然保持湿润的状态，如图2所示。

图1 SDBS浓度与表面粗糙度的关系Fig.1 The Relationship Between SDBS Concentration and Surface Roughness

图2 干磨和湿磨现象Fig.2 Dry Grinding and Wet Grinding Phenomenon

当达到6%时，粗糙度下降速度减小，主要随着浓度增大，泡沫量增多，水分减小流动性变差，冷却性能下降，另外过多的SDBS电离过多离子使的排斥力增强，造成工件和磨块吸附表面活性剂能力下降。当浓度达到7%时，在（0～10）min，工件粗糙度依然呈下降趋势，因为SDBS浓度虽然过高，但不能在短时间内全部溶解于水中并起作用，随着加工时间的增长，SDBS完全溶解，造成电离程度过大，表面张力过低，润滑性过大，磨块之间的作用力及与工件作用力减小过多，并且浓度过高，表面张力太低使得磨液产生过多泡沫，造成水分极速流失，从而导致流动性变的极差不能及时带走切下来金属微粒，使加工环境变差，如图3所示。当浓度超过8%时，加工40min后甚至造成干磨的现象。

图3 滚筒内水流失状况Fig.3 Drum Water Loss Situation

4.1.2 AES、CDEA（1：1）对表面粗糙影响分析

AES具有良好的去污、润湿和乳化分散性能，CDEA（1：1）也具有较强的去油污能力和润湿能力，有利于滚磨光整加工。如图4、图5所示，整体曲线趋势跟SDBS相差不多，但粗糙降低速度不如SDBS，因为AES的HLB值为12，CDEA的HLB值为14都大于SDBS的HLB值，随着HLB值增大，湿润作用减小，工件及磨块不能充分润滑，而电离能力过强造成表面张力降低速度加快，产生泡沫量也增多，水分蒸发速度加快，流动性短时间内变差，故粗糙度降低随着时间减缓，当浓度达到7%时，由于AES和CDEA（1:1）比SDBS具有更好的湿润能力，加工环境变差，但磨块和工件依然保持湿润状态，所以粗糙度依然处于稳定状态。

图4 AES浓度与表面粗糙度的关系Fig.4 The Relationship Between AES Concentration and Surface Roughness

图5 CDEA（1：1）浓度与表面粗糙度关系Fig.5 The Relationship Between CDEA（1：1）Concentration and Surface Roughness

4.2 SDBS浓度对光亮级别的影响分析

光亮级别是判定滚磨光整加工表面质量好坏一个重要的参数。为了进一步验证SDBS对光亮级别的效果，选取对粗糙度参数影响较大的SDBS浓度，工件经过砂纸打磨，保持工件表面均匀性。在这四种浓度下，加工40min，用目测法对工件表面的光泽进行评定管的外表面光亮级别[10]，光亮级别变化，如图7所示。

SDBS本身随着浓度的提高，腐蚀性增大，当添加的浓度达到一定值时，对合金有保护作用，浓度达到4%时，表面光亮级别下降，但加工均匀性较好，如图6所示。当浓度达到5%时光亮级别依然不变，因为此时铝表面形成氧化膜，阻止了缓蚀和氧化，但加工均匀性不好，浓度进一步提高达到6%时，腐蚀性过大，氧化层被腐蚀，光亮级别最低，表面质量不符合实际需求，如图7所示。

图6 SDBS浓度对光亮级别的影响Fig.6 The Impact of SDBS Concentration on the Brightness Level

图7 四种浓度下加工后工件Fig.7 Four Concentrations of the Workpieces Under Processing

4.3 SDBS浓度对材料去除量的影响

材料去除量是影响滚磨光整加工效率一个重要参数。由于滚磨光整加工属于精加工中最后一道工序，材料的去除量很小，为了减小大毛次及附着物对实验结果的造成的误差，实验前将将试件分为六组，每组四个，除了进行打磨工艺，采用50目的百叶轮对试件进行电动研磨，使工件表面处于光滑状态，每组对应不同的SDBS浓度。用MP200A电子称，称取每组加工前和加工后工件平均质量，记录数据，如表2所示。分析表2的数据可以发现，纯水状态下材料去除量最小，加入SDBS材料去除量相比于纯水环境下加工，材料去除量得到了很大提高，浓度在（0～4）%时，材料去除量随着浓度增大而增大，当浓度达到4%后材料去除量增长缓慢，其浓度在（4～6）%期间时，材料去除量基本不变。