1.切削液系統(tǒng)的構(gòu)成及綠色特性分析
1．1 傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)的構(gòu)成及缺陷
切削液系統(tǒng)是切削加工系統(tǒng)的重要組成部分。切削液系統(tǒng)主要包括切削液供給系統(tǒng)和切削液。傳統(tǒng)的壓力供液式噴霧冷卻系統(tǒng)通常由以下部分構(gòu)成：①切削液泵（冷卻泵）：按要求的壓力和流量向切削區(qū)供給切削液；②切削液箱：儲(chǔ)存待用切削液及沉淀用過(guò)的切削液；③輸送裝置（管道、噴嘴等）：將切削液送達(dá)加工區(qū)；④凈化（過(guò)濾）裝置：從切削液中去除切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑及其它機(jī)械雜質(zhì)，使加工區(qū)使用的切削液保持清潔；⑤防護(hù)裝置（防護(hù)罩、擋板等）：防止切削液四處飛濺并
浸入機(jī)床部件內(nèi)。
對(duì)照綠色制造理論的相關(guān)要求，傳統(tǒng)的切削液供給系統(tǒng)存在以下缺陷：
（1）使用成本高
據(jù)德國(guó)公司的統(tǒng)計(jì)資料，切削加工中使用切削液的費(fèi)用約占制造總成本的7%～17%，其中切削液供給系統(tǒng)的使用成本（包括系統(tǒng)的清洗、維護(hù)費(fèi)用及附屬環(huán)保設(shè)備費(fèi)用）占有較大比例。
（2）切削液用量不易控制
傳統(tǒng)的切削液供液方法（如澆注法、壓力噴射法、噴霧法等）是通過(guò)用較大壓力和流量的切削液覆蓋切削區(qū)來(lái)起到潤(rùn)滑、冷卻、沖洗等作用。當(dāng)加工條件發(fā)生變化時(shí)（如更換工件、刀具等），不易對(duì)切削液用量進(jìn)行調(diào)整與控制。
（3）資源消耗大
傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)使用的冷卻泵、液壓閥、噴嘴等零部件精度不高，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)切削液供給方式和供給量的精確控制，達(dá)不到微量、均勻、連續(xù)、精確供給潤(rùn)滑液的要求，從而需要消耗大量資源。
（4）環(huán)境污染嚴(yán)重
傳統(tǒng)的切削液供給系統(tǒng)主要采用切削液內(nèi)循環(huán)方式，其凈化裝置在切削加工過(guò)程中凈化效率較低，廢液和切屑造成的環(huán)境污染程度較嚴(yán)重，相應(yīng)的治理費(fèi)用較高。
（5）管路清洗難度大
傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)中的管線(xiàn)材料主要為不銹鋼、銅、橡膠等，地溝則由水泥抹成，不適合進(jìn)行化學(xué)清洗。切削液流經(jīng)管線(xiàn)時(shí)間較長(zhǎng)后會(huì)形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的黑色垢層，給清洗工作造成困難。
1．2 切削液的構(gòu)成及環(huán)境影響?yīng)?BR>
切削液可分為水基和油基兩大類(lèi)。水基切削液具有較強(qiáng)的冷卻能力，其主要成分為水、化學(xué)合成液或乳化液，通常添加有防銹劑、極壓添加劑等；油基切削液具有較好的潤(rùn)滑性能，其主要成分為各種礦物油、動(dòng)物油、植物油或復(fù)合油，可視需要添加極壓添加劑、油性添加劑等。
切削液的環(huán)境影響主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響?yīng)?BR>
切削液對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害主要表現(xiàn)為廢切削液（廢油、廢液）對(duì)水資源的污染。在切削加工中產(chǎn)生的廢油、廢液如未經(jīng)有效處理而直接排放，將會(huì)造成嚴(yán)重的水污染。此外，切削加工中使用的切削液會(huì)或多或少存留在切屑上，大量堆積的切屑上帶有的切削液會(huì)污染土壤；對(duì)切屑再生利用時(shí)切削液的有毒、有害成分也會(huì)污染環(huán)境。
�。�2）對(duì)人體健康、安全、衛(wèi)生的影響?yīng)?BR>
切削液對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)為：①切削液中的某些添加劑（如常用作殺菌添加劑的苯酚類(lèi)物質(zhì)）對(duì)人體具有毒性；②切削液中礦物油、表面活性劑的脫脂作用以及防腐、殺菌添加劑的刺激性會(huì)使人體皮膚干燥、脫脂、開(kāi)裂，甚至引起紅腫、化膿等；③油基切削液中的礦物油、水基切削液中的堿性物質(zhì)對(duì)人的呼吸器官具有一定危害作用。
（3）對(duì)安全生產(chǎn)的影響?yīng)?BR>
由于切削液中含有各種添加劑，在其使用過(guò)程中容易使設(shè)備產(chǎn)生腐蝕、生銹，油基切削液則易引發(fā)火災(zāi)等，對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。
2．切削液系統(tǒng)的優(yōu)化策略
面向綠色制造的切削液系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：①供液裝置成本低、易安裝，供液方式靈活；②供液方法先進(jìn)，供液參數(shù)合理，供液量適當(dāng)，冷卻、潤(rùn)滑、防銹、清洗功能強(qiáng)；③切削液無(wú)毒、無(wú)刺激性，對(duì)操作者無(wú)危害，具有生產(chǎn)安全性，對(duì)環(huán)境無(wú)污染或低污染；④系統(tǒng)通用性強(qiáng)，適用于多種切削加工方式和多種工件材料；⑤切削液透明(或半透明)，便于觀察加工狀態(tài)；⑥具有相應(yīng)的廢液處理方法，廢液處理方便、價(jià)廉；⑦具有高效的過(guò)濾、回收裝置，可延長(zhǎng)切削液的使用壽命和重復(fù)利用率，同時(shí)可避免較大切屑隨廢液排出，造成環(huán)境污染。為了更好地改進(jìn)切削液系統(tǒng)的使用性能，實(shí)現(xiàn)潔凈化、高效化生產(chǎn)，可從供液系統(tǒng)和切削液兩方面采取合理措施對(duì)切削液系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
2．1 切削液供給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
（1）合理使用多種型式、多個(gè)數(shù)量的噴嘴
傳統(tǒng)的切削液供給系統(tǒng)由低壓泵、管路系統(tǒng)和噴嘴組成。由泵送出的切削液經(jīng)噴嘴流出澆注到刀具、工件和切屑上，然后對(duì)切屑進(jìn)行過(guò)濾分離后又回到供液箱。為了更有效地發(fā)揮切削液的潤(rùn)滑、冷卻、沖洗作用，可同時(shí)使用多種型式、多個(gè)數(shù)量的噴嘴。如在車(chē)削加工中，安裝一個(gè)噴嘴時(shí)，必須保證供液量充足，才可使切削液從側(cè)面滲入刀尖附近。若安裝兩個(gè)噴嘴，則可使切削液更容易滲入切削區(qū)，更好地發(fā)揮潤(rùn)滑、冷卻作用。在銑削加工中也可設(shè)置兩個(gè)噴嘴，右側(cè)噴嘴的切削液對(duì)切削區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻，左側(cè)噴嘴的切削液則用于沖洗切屑。當(dāng)?shù)毒邔挾容^窄時(shí)，可選用普通的圓形噴嘴；若刀具較寬時(shí)，則選用扇形噴嘴更為有效。
（2）采用外部噴霧冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)和細(xì)微噴淋技術(shù)
外部噴霧冷卻潤(rùn)滑方式是將懸浮在空氣中的細(xì)微切削液霧滴（尺寸僅為納米級(jí)）連續(xù)不斷地噴注到加工刀具上，對(duì)刀具起到冷卻和潤(rùn)滑作用。該方法的切削液使用量少于50ml/h，而傳統(tǒng)的澆注法供液方式的切削液使用量則超過(guò)6000ml/min。細(xì)微噴淋技術(shù)是通過(guò)噴嘴將少量(10～100ml/h)高質(zhì)量切削液（如植物油、合成油）噴淋于刀具與工件接觸處，該方法可有效延長(zhǎng)刀具使用壽命。如對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改進(jìn)，還可通過(guò)主軸或刀具中的孔道將氣霧劑或潤(rùn)滑油直接輸送至切削刃，以獲得更好的冷卻潤(rùn)滑效果。
（3）設(shè)計(jì)最小潤(rùn)滑系統(tǒng)
最小潤(rùn)滑技術(shù)主要包括氣霧外部潤(rùn)滑和氣霧內(nèi)部冷卻兩種方式：①氣霧外部潤(rùn)滑方式：將切削液送入高壓噴射系統(tǒng)并與氣體混合霧化，然后通過(guò)一個(gè)多頭噴嘴將霧滴尺寸達(dá)毫微米級(jí)的氣霧連續(xù)不斷地噴射到加工刀具表面，對(duì)刀具進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑；②氣霧內(nèi)冷卻方式：通過(guò)主軸和刀具中的孔道直接將冷卻氣霧送至切削區(qū)域，進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。
根據(jù)加工需要，可將兩種冷卻潤(rùn)滑方式配合使用，以獲得最佳冷卻潤(rùn)滑效果。最小潤(rùn)滑技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可使切削區(qū)域外的刀具、工件和切屑保持干燥，并可避免處理大量切削廢液的難題。最小潤(rùn)滑技術(shù)主要用于在鑄鐵、鋼、鋁合金等材料上進(jìn)行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削、鋁合金端面銑削等。由于切削液用量很小，因此切削液供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，易布局，可集成設(shè)計(jì)于主軸電機(jī)中，切削液流量由CNC程序控制。采用最小潤(rùn)滑系統(tǒng)的加工單元可在6.5秒時(shí)間內(nèi)鉆削10個(gè)φ8mm、中心距為20mm的孔，加工1小時(shí)僅需一杯潤(rùn)滑液（大部分被蒸發(fā)消耗），切屑中的切削液含量很少，回收處理費(fèi)用大幅度下降。
2．2 綠色切削液的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
（1）改善切削液成分——替換礦物油
用植物油替代礦物油配制油基切削液是改善切削液綠色特性的重要途徑之一。與礦物油不同，植物油屬可再生資源，可完全自然降解，對(duì)人和自然環(huán)境無(wú)危害性。雖然植物油在切削液中的應(yīng)用受到氧化、水解性能不穩(wěn)定、易老化等缺點(diǎn)的制約，但由于其揮發(fā)性低，加入一定添加劑（如抗氧化劑等）后能較好滿(mǎn)足加工要求，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，還可采用酯類(lèi)油替代礦物油。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的各種酯類(lèi)油的生物降解率已可達(dá)90％～100%，其缺點(diǎn)是成本較高。研制可完全降解、價(jià)格低廉的酯類(lèi)油產(chǎn)品已成為各國(guó)研究開(kāi)發(fā)綠色切削液的重要內(nèi)容。
（2）研究開(kāi)發(fā)新型切削液添加劑
開(kāi)發(fā)新型添加劑是提高切削液質(zhì)量和綠色水平的有效途徑。為了增強(qiáng)切削液的環(huán)境友好性，面向綠色制造的切削液系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用以下幾種高效無(wú)毒添加劑：①硼酸酯類(lèi)添加劑：有機(jī)硼酸酯作為新型減摩抗磨添加劑已受到廣泛重視。硼酸酯易于合成，大部分硼酸酯均由帶羥基的物質(zhì)(如醇)與硼化劑(如硼酸)反應(yīng)生成，目前關(guān)于水溶性硼酸酯合成技術(shù)的研究已取得一定進(jìn)展，通過(guò)在硼酸酯中引入硫、氮，可生成含硫硼酸酯和含氮硼酸酯，并已證實(shí)硼酸酯是一種多功能環(huán)保型添加劑。②鉬酸鹽系緩蝕劑：鉬酸鹽屬陽(yáng)性緩蝕劑，添加到切削液中可在加工金屬表面生成FeMoO4Fe2O3鈍化膜，使工件獲得良好的緩蝕效果。通常認(rèn)為鉬酸鹽是一種無(wú)毒、無(wú)污染的防銹劑，但其價(jià)格昂貴，影響了進(jìn)一步推廣應(yīng)用。通過(guò)研究鉬酸鹽與其它有機(jī)、無(wú)機(jī)緩蝕劑配伍使用的協(xié)同效應(yīng)，已合成出一種由鉬酸鹽、硼酸鹽、有機(jī)胺等組成的高效、價(jià)廉的防銹絡(luò)合物。此外，鉬酸鹽還能提高切削液的極壓抗磨性能。③新型防腐殺菌劑：切削液本身具有細(xì)菌等微生物滋生繁衍的條件，容易腐敗變質(zhì)。通過(guò)添加防腐殺菌劑可抑制細(xì)菌、霉菌等的滋生，殺滅切削液中已存在的細(xì)菌，以延長(zhǎng)切削液的使用壽命。新型防腐殺菌劑應(yīng)具有高效、價(jià)廉、無(wú)污染等綠色特性。
（3）開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)切削液的替代品
氮?dú)馐谴髿庵泻孔疃嗟某煞郑旱鳛橹蒲豕I(yè)的副產(chǎn)品，資源豐富。以液氮作為切削液，使用后直接揮發(fā)為氮?dú)夥祷卮髿庵�，不�?huì)產(chǎn)生任何污染物，從環(huán)保角度看，是一種極有發(fā)展前途的切削液替代品。液氮冷卻方法之一是將液氮作為切削液直接噴射于切削區(qū)。
除上述研究課題外，還應(yīng)進(jìn)一步研究廢液的回收利用和無(wú)害化處理技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)用化技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)以及適用范圍等方面的研究。
3．應(yīng)用實(shí)例
某機(jī)床廠在滾齒加工中采用傳統(tǒng)的切削液冷卻系統(tǒng)，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，加工噪音大；切削液采用32#機(jī)油，對(duì)工人健康及加工設(shè)備都有一定危害性，且廢油較難處理；為提高企業(yè)的綠色制造水平，該廠希望對(duì)該切削液冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造并采用新型綠色切削液替代傳統(tǒng)切削油。為此，作者運(yùn)用多級(jí)模糊評(píng)價(jià)方法，建立了面向綠色制造的切削液綜合選擇模型，并據(jù)此對(duì)三種切削液系統(tǒng)優(yōu)化方案（A1～A3）進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和系統(tǒng)決策：方案A1為采用傳統(tǒng)切削液32#機(jī)油；方案A2為采用國(guó)產(chǎn)新型綠色合成切削液SG-3；方案A3仍采用32#機(jī)油，但將供液裝置改為雙噴嘴型式（主要比較其能耗與方案A1的區(qū)別）。有關(guān)決策目標(biāo)體系的建立、決策變量的分解、切削液選擇模型的求解等問(wèn)題已有詳細(xì)論述，本文從略。方案A1～A3的綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)體系分析及優(yōu)化結(jié)果表明：方案A2、A3的綜合性能均優(yōu)于方案A1，而方案A2的環(huán)保性能優(yōu)勢(shì)更明顯，方案A3的節(jié)能、降噪性能更突出�？紤]大規(guī)模批量生產(chǎn)的綜合成本因素，該廠最后采用A2與A3相結(jié)合的優(yōu)化方案（即采用新型綠色合成切削液SG-3并對(duì)供液系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造）。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該切削液系統(tǒng)優(yōu)化方案效果明顯，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
4．結(jié)語(yǔ)
為適應(yīng)綠色制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)切削加工過(guò)程的潔凈化，在研究開(kāi)發(fā)干切削加工技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)重視傳統(tǒng)切削液系統(tǒng)的優(yōu)化改造，研制先進(jìn)的切削液供給系統(tǒng)以及有利于環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康、加工性能優(yōu)越的新型綠色切削液。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)供液方法，優(yōu)化供液參數(shù)、加強(qiáng)使用管理等措施，可延長(zhǎng)切削液使用壽命，減少切削液使用量及廢液排放量。
