切削液系統(tǒng)的綠色特性分析及優(yōu)化策略

1、切削液系統(tǒng)的綠色特性分析及優(yōu)化策略江志剛 張華 譚顯春 王立華 楊勇1 切削液系統(tǒng)的構成及綠色特性分析 1) 傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)的構成及缺陷 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)(見圖1)通常由以下部分構成：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；切削液箱：儲存待用切削液及沉淀用過的切削液；輸送裝置(管道、噴嘴等)：將切削液送達加工區(qū)；凈化(過濾)裝置：從切削液中去除切削過程中產(chǎn)生的切屑及其它機械雜質，使加工區(qū)使用的切削液保持清潔；防護裝置(防護罩、擋板等)：防止切削液四處飛濺并浸入機床部件內(nèi)。 圖1

2、壓力供液式噴霧冷卻系統(tǒng)對照綠色制造理論的相關要求，傳統(tǒng)的切削液供給系統(tǒng)存在以下缺陷： 使用成本高 據(jù)德國公司的統(tǒng)計資料，切削加工中使用切削液的費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、維護費用及附屬環(huán)保設備費用)占有較大比例。 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)是通過用較大壓力和流量的切削液覆蓋切削區(qū)來起到潤滑、冷卻、沖洗等作用。當加工條件發(fā)生變化時(如更換工件、刀具等)，不易對切削液用量進行調(diào)整與控制。 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，難以實現(xiàn)對切削液供給方式和供給量的精確控

3、制，達不到微量、均勻、連續(xù)、精確供給潤滑液的要求，從而需要消耗大量資源。 環(huán)境污染嚴重 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)境污染程度較嚴重，相應的治理費用較高。 管路清洗難度大 傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)中的管線材料主要為不銹鋼、銅、橡膠等，地溝則由水泥抹成，不適合進行化學清洗。切削液流經(jīng)管線時間較長后會形成具有一定機械強度的黑色垢層，給清洗工作造成困難。 切削液的構成及環(huán)境影響 切削液可分為水基和油基兩大類。水基切削液具有較強的冷卻能力，其主要成分為水、化學合成液或乳化液，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滑性

4、能，其主要成分為各種礦物油、動物油、植物油或復合油，可視需要添加極壓添加劑、油性添加劑等。 2) 切削液的環(huán)境影響主要表現(xiàn)在以下方面： 對生態(tài)環(huán)境的影響 切削液對生態(tài)環(huán)境的危害主要表現(xiàn)為廢切削液(廢油、廢液)對水資源的污染。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，將會造成嚴重的水污染。此外，切削加工中使用的切削液會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污染土壤；對切屑再生利用時切削液的有毒、有害成分也會污染環(huán)境。 對人體健康、安全、衛(wèi)生的影響 切削液對人體的危害主要表現(xiàn)為：切削液中的某些添加劑(如常用作殺菌添加劑的苯酚類物質)對人體具有毒性；切削液中礦物油、表面活性

5、劑的脫脂作用以及防腐、殺菌添加劑的刺激性會使人體皮膚干燥、脫脂、開裂，甚至引起紅腫、化膿等；油基切削液中的礦物油、水基切削液中的堿性物質對人的呼吸器官具有一定危害作用。 對安全生產(chǎn)的影響 由于切削液中含有各種添加劑，在其使用過程中容易使設備產(chǎn)生腐蝕、生銹，油基切削液則易引發(fā)火災等，對安全生產(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)應具備如下性能：供液裝置成本低、易安裝，供液方式靈活；供液方法先進，供液參數(shù)合理，供液量適當，冷卻、潤滑、防銹、清洗功能強；切削液無毒、無刺激性，對操作者無危害，具有生產(chǎn)安全性，對環(huán)境無污染或低污染；系統(tǒng)通用性強，適用于多種切削加工方式和多種工件

6、材料；切削液透明(或半透明)，便于觀察加工狀態(tài)；具有相應的廢液處理方法，廢液處理方便、價廉；具有高效的過濾、回收裝置，可延長切削液的使用壽命和重復利用率，同時可避免較大切屑隨廢液排出，造成環(huán)境污染。為了更好地改進切削液系統(tǒng)的使用性能，實現(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切削液系統(tǒng)進行優(yōu)化。 1)切削液供給系統(tǒng)的優(yōu)化設計 合理使用多種型式、多個數(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，然后對切屑進行過濾分離后又回到供液箱。為了更有效地發(fā)揮切削液的潤滑、冷卻、沖洗作用，可同時使用多種型式、多個數(shù)量的

7、噴嘴。如在車削加工中，安裝一個噴嘴時(見圖2a)，必須保證供液量充足，才可使切削液從側面滲入刀尖附近。若安裝兩個噴嘴(見圖2b)，則可使切削液更容易滲入切削區(qū)，更好地發(fā)揮潤滑、冷卻作用。在銑削加工中也可設置兩個噴嘴，右側噴嘴的切削液對切削區(qū)進行潤滑、冷卻，左側噴嘴的切削液則用于沖洗切屑。當?shù)毒邔挾容^窄時，可選用普通的圓形噴嘴；若刀具較寬時，則選用扇形噴嘴更為有效。 (a) (b) 圖2 車削加工時切削液噴嘴的使用 采用外部噴霧冷卻潤滑系統(tǒng)和細微噴淋技術 外部噴霧冷卻潤滑方式是將懸浮在空氣中的細微切削液霧滴(尺寸僅為納米級)連續(xù)不斷地噴注到加工刀具上，對刀具起到冷卻和潤滑作用。該方法的切削液使用

8、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6000ml/min。細微噴淋技術是通過噴嘴將少量(10100ml/h)高質量切削液(如植物油、合成油)噴淋于刀具與工件接觸處，該方法可有效延長刀具使用壽命。如對主軸結構進行一定改進，還可通過主軸或刀具中的孔道將氣霧劑或潤滑油直接輸送至切削刃，以獲得更好的冷卻潤滑效果。 設計最小潤滑系統(tǒng) 最小潤滑技術主要包括氣霧外部潤滑和氣霧內(nèi)部冷卻兩種方式：氣霧外部潤滑方式：將切削液送入高壓噴射系統(tǒng)并與氣體混合霧化，然后通過一個多頭噴嘴將霧滴尺寸達毫微米級的氣霧連續(xù)不斷地噴射到加工刀具表面，對刀具進行冷卻和潤滑；氣霧內(nèi)冷卻方式：通過主軸和刀具中的

9、孔道直接將冷卻氣霧送至切削區(qū)域，進行冷卻和潤滑。根據(jù)加工需要，可將兩種冷卻潤滑方式配合使用，以獲得最佳冷卻潤滑效果。最小潤滑技術的最大優(yōu)點是可使切削區(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。最小潤滑技術主要用于在鑄鐵、鋼、鋁合金等材料上進行鉆孔、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)結構簡單、體積小，易布局，可集成設計于主軸電機中，切削液流量由CNC程序控制。采用最小潤滑系統(tǒng)的加工單元可在6.5秒時間內(nèi)鉆削10個f8mm、中心距為20mm的孔，加工1小時僅需一杯潤滑液(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

10、用大幅度下降。 2) 綠色切削液的開發(fā)與應用 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，對人和自然環(huán)境無危害性。雖然植物油在切削液中的應用受到氧化、水解性能不穩(wěn)定、易老化等缺點的制約，但由于其揮發(fā)性低，加入一定添加劑(如抗氧化劑等)后能較好滿足加工要求，因此具有廣闊的應用前景。此外，還可采用酯類油替代礦物油。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的各種酯類油的生物降解率已可達90%100%其缺點是成本較高。研制可完全降解、價格低廉的酯類油產(chǎn)品已成為各國研究開發(fā)綠色切削液的重要內(nèi)容。 研究開發(fā)新型切削液添加劑 開發(fā)新型

11、添加劑是提高切削液質量和綠色水平的有效途徑。為了增強切削液的環(huán)境友好性，面向綠色制造的切削液系統(tǒng)應重點開發(fā)應用以下幾種高效無毒添加劑：硼酸酯類添加劑：有機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(如醇)與硼化劑(如硼酸)反應生成，目前關于水溶性硼酸酯合成技術的研究已取得一定進展，通過在硼酸酯中引入硫、氮，可生成含硫硼酸酯和含氮硼酸酯，并已證實硼酸酯是一種多功能環(huán)保型添加劑。鉬酸鹽系緩蝕劑：鉬酸鹽屬陽性緩蝕劑，添加到切削液中可在加工金屬表面生成Fe-MoO4-Fe2O3鈍化膜，使工件獲得良好的緩蝕效果。通常認為鉬酸鹽是一種無毒、無污染的防銹劑，但其

12、價格昂貴，影響了進一步推廣應用。通過研究鉬酸鹽與其它有機、無機緩蝕劑配伍使用的協(xié)同效應，已合成出一種由鉬酸鹽、硼酸鹽、有機胺等組成的高效、價廉的防銹絡合物。此外，鉬酸鹽還能提高切削液的極壓抗磨性能。新型防腐殺菌劑：切削液本身具有細菌等微生物滋生繁衍的條件，容易腐敗變質。通過添加防腐殺菌劑可抑制細菌、霉菌等的滋生，殺滅切削液中已存在的細菌，以延長切削液的使用壽命。新型防腐殺菌劑應具有高效、價廉、無污染等綠色特性。 3) 開發(fā)傳統(tǒng)切削液的替代品 氮氣是大氣中含量最多的成分，液氮作為制氧工業(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)為氮氣返回大氣中，不會產(chǎn)生任何污染物，從環(huán)保角度看，是一種

13、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，還應進一步研究廢液的回收利用和無害化處理技術，加強實用化技術、經(jīng)濟性評價以及適用范圍等方面的研究。 3 應用實例 某機床廠在滾齒加工中采用傳統(tǒng)的切削液冷卻系統(tǒng)，資源浪費嚴重，加工噪音大；切削液采用32#機油，對工人健康及加工設備都有一定危害性，且廢油較難處理；為提高企業(yè)的綠色制造水平，該廠希望對該切削液冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化改造并采用新型綠色切削液替代傳統(tǒng)切削油。為此，作者運用多級模糊評價方法，建立了面向綠色制造的切削液綜合選擇模型，并據(jù)此對三種切削液系統(tǒng)優(yōu)化方案(A1A3)進行了綜合評價和系統(tǒng)決策：

14、方案A1為采用傳統(tǒng)切削液32#機油；方案A2為采用國產(chǎn)新型綠色合成切削液SG-3；方案A3仍采用32#機油，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)。有關決策目標體系的建立、決策變量的分解、切削液選擇模型的求解等問題在文獻中已有詳細論述，本文從略。方案A1A3的綜合評價目標體系分析及優(yōu)化結果分別如表1、表2所示。 表1 三種方案綜合評價目標體系 評價方面 評價要素 評價等級 序號i uj 權重ai 序號j uij 權重aij 序號k v1 v2 v3 模糊矩陣     好 一般 差 1 質量 0.3 1 潤滑 0.3 A1 0.45 0.35 0.20

15、A2 0.70 0.25 0.05 A3 0.60 0.30 0.10 2 冷卻 0.3 A1 0.45 0.35 0.20 A2 0.70 0.25 0.05 A3 0.60 0.30 0.10 3 清洗 0.3 A1 0.50 0.35 0.15 A2 0.70 0.25 0.05 A3 0.60 0.30 0.10 4 利用率與使用周期 0.1 A1 0.50 0.30 0.20 A2 0.70 0.25 0.05 A3 0.60 0.30 0.10   無 有 多 2 環(huán)境 0.3 1 毒性危害 0.25 A1 0.50 0.30 0.20 A2 0.70 0.25 0.05

16、 A3 0.50 0.30 0.10 2 安全指標 0.355 A1 0.60 0.30 0.10 A2 0.70 0.25 0.05 A3 0.50 0.30 0.20 3 環(huán)境指標 0.4 A1 0.45 0.30 0.25 A2 0.60 0.25 0.15 A3 0.45 0.30 0.25 3 能源 0.2 1 能源利用率 0.5 A1 0.45 0.30 0.25 A2 0.60 0.25 0.15 A3 0.65 0.30 0.05 2 減少使用能耗 0.5 A1 0.40 0.30 0.30 A2 0.70 0.20 0.10 A3 0.55 0.25 0.20 4 經(jīng)濟性 0

17、.2 1 生產(chǎn)成本 0.5 A1 0.50 0.25 0.25 A2 0.68 0.22 0.10 A3 0.55 0.25 0.20 2 用戶成本 0.2 A1 0.45 0.25 0.30 A2 0.60 0.20 0.20 A3 0.55 0.25 0.20 3 社會成本 0.3 A1 0.30 0.30 0.40 A2 0.60 0.30 0.10 A3 0.30 0.30 0.40表2 三種方案評價結果比較 方案 評價方面矩陣 綜合評價矩陣 綜合評價分數(shù) A1 質量 (0.470, 0.345, 0.185) (0.456, 0.3015, 0.2475) 66.555 環(huán)境 (0.

18、480, 0.300, 0.220) 能源 (0.425, 0.275, 0.325) 經(jīng)濟性 (0.430, 0.265, 0.305) A2 質量 (0.700, 0.250, 0.050) (0.666, 0.243, 0.091) 77.250 環(huán)境 (0.660, 0.250, 0.050) 能源 (0.650, 0.225, 0.090) 經(jīng)濟性 (0.640, 0.240, 0.120) A3 質量 (0.600, 0.300, 0.100) (0.539, 0.288, 0.173) 70.980 環(huán)境 (0.480, 0.300, 0.220) 能源 (0.600, 0.275, 0.125) 經(jīng)濟性 (0.475, 0.265, 0.260)最終評價結果表明：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