切削液的绿色发展

1、序号： 编码： 第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 切削液的可持续发展 学院名称： 机械工程 申报者姓名 （集体名称）： 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类 摘要 切削液的使用是尺寸精度控制和表面质量提高的关键因素，但由于其大量的使用会给环境和人体带来很大的危害。本文详细论述了切削液在金属切削中的作用，深入的介绍了传统切削液的种类及其使用情况，提出了几种当今机械行业较为先进的绿色加工技术及绿色添加剂的使用，最后总结了未来切削液的发展动向。切削液不应该因为其污染问题而受到排斥，未来的方向是不断地改良切削液成

2、分，研究新型高效无毒的添加剂，建立合理的在线循环利用系统，真正的把切削液的应用提到可持续发展的高度上来。关键词： 切削液 污染 绿色加工 可持续ABSTRACTThe use of cutting fluid is the key factor to control the dimension precision and surface quality improved, but because of its extensive use will do great harm to the environment and human body.This article discusses in

3、detail effect of cutting fluid in metal cutting, further introduces the types of traditional cutting fluid and its using situation, proposed the use of several of today's machinery industry green machining technology is more advanced and green additives, finally summarized the development trends

4、 of future cutting fluid.Cutting fluid should not be because of the problems of pollution and exclusion, the future direction of cutting fluid composition is improved constantly, the additive model of efficient non-toxic, establish online recycling system reasonably, really put the cutting fluid app

5、lication reference to sustainable development level.Keyword：cutting fluid pollution green machine sustainableIII目录摘要.ABSTRACT.绪论.1第1章 切削液在机械加工中作用.21.1冷却作用.21.2润滑作用.21.3其它作用.3第二章切削液的种类.42.1油性切削液.42.2水基切削液.52.3合成与半合成切削液.6第3章 传统切削液的危害.73.1生态环境.73.2人体健康.7第4章 绿色加工技术.84.1干切削.84.2准干切削.94.3植物基切削液的使用.10第5章 绿

6、色添加剂.125.1硼酸脂类添加剂.125.2钼酸盐系列添加剂.12第6章 总结.13第7章 参考文献.14绪论 今天的制造业讲究的是高效率、高质量、低成本，就要不断地提高切削速度、进给量和背吃刀深。这同时由于刀具和工件的摩擦，切削热的大量增加也是不可避免的，这使产品质量得不到保证，尺寸精度和表面光洁度受到严重影响。切削液的使用可以起到润滑、冷却、减小切学力等效果，不仅能得到较好的表面质量，控制尺寸精度，还能收到很好的美学效果。金属切削液占整个机械加工液总量的52%，在钻、铣、磨、轧等加工过程中是必不可少的。但是其对环境和人体的伤害是很大的，企业在废液排放时必需经过严格的物理化学处理，通常要经

7、过24级处理才能保证排放后对环境没有太大的污染。处理程序繁琐、难度大，这使整个产品的生产成本大大提高，在欧美国家，切削液的成本、维护、处理费用占到总成本的16%以上。如何解决切削液的污染处理问题？如何执行绿色切削原则？成了机械行业发展的关键点。现今出现了很多绿色切削的方法，例如：干切削、植物基油液、微润滑技术等。但其适用范围都各有一定的局限性。本文主要是通过查阅大量中外文献的方式来归纳总结绿色切削液的发展动向，对绿色切削理念进行全面的阐述。第一章 切削液在机械加工过程中的作用 1907年，Taylor发现使用水作冷却液时，高速钢刀具切削可以将切削速度增加40%。但是水也会加速刀具和工件的腐蚀速

8、度。从那以后，人们一直在追求集成润滑、防腐、冷却功能的最佳切削液。1.1 冷却作用 在进行金属切削加工时，工件和刀具表面相互摩擦，切削区的温度会集聚升高。随着切削速度的增加，切削热也会不断升高，加速刀具的粘接磨损和扩散磨损，将会降低刀具的寿命。比热容大的切削液能带走大量的热，从而延长了刀具的寿命。此外，液体具有较低的膜系数，表面张力较低，能够维持工件和刀具表面的湿度。1.2 润滑作用 切削液在工件和刀具之间形成很薄的膜层，可以减小工件和刀具表面的接触。减少摩擦，切削热也会减小，改善了刀具的磨损和粘结问题。润滑液减小了刀具前刀面的摩擦，加大了剪切角，使得切屑薄而卷，便于排屑。但在高速切削中，可能

9、会因为温度过高而导致切削液蒸发。润滑性很好的切削液非常适合于低速切削，加工难材料的加工。1.3 其它作用 切削液在使用过程中不断的冲刷工件和刀具，切屑和金属粉末容易被切削液带走，防止切屑的堆积对加工过程和已加工表面的影响。所以切削液的粘度和流动性也是切削液质量的判断标准。在切削液中加入合适的添加剂，例如有机硼酸脂等，可以大大减小抗腐蚀性和防锈能力。此外，在应用了切削液以后，切削力会降低。第2章 切削液的种类 切削液最初是被认为是简单的油，用刷子刷来给机床润滑和冷却用的。随着切削的条件越来越苛刻，切削液的配方也变得很复杂。切削液的分类方法很多，一般分为油、气和水基三类，如图2.1。2.1 油性切

10、削液油基润滑剂是来自矿物，动物，植物，和合成油。由于矿物油其理想的润滑特性，在传统切削液中，矿物油（石油）占主导地位。为了增强其应用性能，通常还加入一些添加剂，例如脂肪油，香味剂和一些极压添加剂。矿物基油液主要是由于润滑工件和刀具表面，减小摩擦，降低切削热的产生。润滑作用同时也减少了前刀面的磨损，在已加工表面形成油膜也可以降低切屑划伤的影响。还对机床和刀具起到防腐功能。矿物油在润滑性能上很好，但是由于其易燃性的缺点不适合在高载荷，高切削温度中使用，因为高温加速油液的蒸发形成油雾油烟。2.2 水基切削液 通常，水基切削液是有溶胶产品和水混合以后形成溶液才能使用的。水和油的比例一般为30：1。加入

11、的乳化液能乳化油液使其分解与水完全混合。乳化性能的稳定是这种切削液的关键因素。水表现出的优良性能是冷却，油液则是避免水对工件和刀具的氧化。水基油液非常适合于高速切削，切削热较高的加工过程。溶液的优点主要在没有火灾危险且形成的油烟油雾较少。此外，它的成本是很低的。但是，由于溶液中含有大量的水细菌、酵母菌、真菌可以生存，这将会破环溶液的稳定性，使熔剂和熔剂混合不均。当然也可以添加一些抗菌剂，但这对操作者是有害的。2.3 合成与半合成切削液 合成切削液是各种添加剂的组合，用水作为溶剂，按一定的比例稀释而成，没有添加矿物油。有机和无机化学合成物可以软化水，提高耐腐蚀性、润滑性，减小表面张力，促进融合。

12、合成切削液在冷却性能上很优越，但由于缺少油性成分起润滑特性较差。这决定了合成切削液主要适用于切削力低，切削速度高的加工场合。 半合成切削液则是在合成切削液的基础上添加油性溶质和一些能减小油性微粒的添加剂，以使其获得良好的润滑效果。各种半合成切削液的矿物油含量不同通常是10%50%之间。合成切削液和半合成切削液在冷却性能上都是很好的，腐蚀率也相对要低一些。第三章 传统切削液的危害 在过去，人们为了更高的产量、质量和效率，不断地提高切削速度、进给量和背吃刀量，这使得切削液的使用大大增加。同时，为了集润滑、冷却、抗腐蚀、稳定等优良特性于一种切削液中，导致大量的有害添加剂被频繁使用，例如亚硝酸盐、甲醛

13、、硫、氯、磷等。给加工者的工作环境带来的了隐患，同时排放的废液得不到很好的处理对生态环境造成了恶劣的影响。3.1 环境污染 切削液本身的污染是不大的，造成污染的最大因素时添加了大量的化学添加剂，他们在排放处理过程中式很难完全处理掉，通常要经过3级物理化学处理。处理难度大，处理费用高，所以过去国内很多企业都是直接排放到环境中去。大量的氯、磷、硫会直接参透到地下水中，危险的人们的饮用水质量。同时，在湖、河里的化学添加剂富集多后会直接导致水生生物死亡、赤潮等严重生态问题。3.2 人体健康 在切削加工过程中油性切削液会蒸发，切削温度越高蒸发的速度越快，如果温度过高时还会导致油烟的产生。油烟和油雾对人体

14、都是有害的。有些添加了甲醛的切削液会刺激鼻眼，加工者接触到会导致皮肤组织坏死。长期工作在这样的工作环境内容易导致职业疾病。第四章 绿色加工技术进入二十一世纪以后，随着人们的环境保护意识逐渐增强，对环境有害的切削液也慢慢被抛弃，对新型、高效、绿色切削液的研究成为了机械行业的重要课题。4.1 干切削 金属切削污染的根本源头是切削液的使用，如果能够避免切削液的使用，那么切削污染的问题就基本不存在了。干切削正是一种不需要切削液的新技术。从人们意识到切削液带来的污染问题后，干切削的概念就被提出来了，早在2003年，德国的干切削加工就已经占总金属切削的20%了，其干切削技术引领着世界水平，在切削液成本占总

15、生产成本16%的情况来看，这无疑给德国在环保和经济上带来的巨大的利益。由于干切削技术不使用切削液，所以切削条件比较苛刻，对刀具材料、机床配置、冷却系统要求很严格；（1）干式切削刀具材料应具备更高的耐热性和热韧性，良好的耐热冲击性、抗粘结性及高的耐磨性。硬质合金，陶瓷及金属陶瓷，立方氮化硼（CBN），聚晶金刚石（PCD）等都具有良好的干切削性能。对刀具表面进行涂层处理也是一种提升刀具寿命，控制加工精度的先进技术，如德国的Guhring公司开发的“Movic”软涂层工艺，它实质上是固体润滑剂（MOS2）和刀具相结合后在刀具表面形成了良好的滑动表面，因此具有较好的润滑功能，在切削加工中可使切屑与排屑

16、槽之间的摩擦降到很小（一般只有0.01左右）。此外刀具的几何参数也有要求，尽量减少刀具与工件表面的接触。（2）干切削中切屑能带走95%的切削热，降低切削区30%的温度，所以合理的排屑装置很重要。工件应保持在室温下加工，应有良好的通风系统。（3）在加工过程中，由于不使用切削液，所以对冷却系统的要求更高。可采用喷气冷却的方法，利用液氮冷却的方法，最低冷却温度可达-45。由于不使用切削液，保持了切屑、刀具、工件的干燥，减少了废物的处理过程，必要时还便于回收切屑。4.2准干切削 准干切削技术不同于干切削技术的最大不同点在于使用了切削液，但其使用切削液的量很少，比起传统的湿切削来说，用量最低可达湿切削的

17、1/10000。现今的准干切削技术主要有微量油膜附水滴切削、低温切削、微润滑切削等方面。（1）微量油膜附水滴切削的应用机理是物质的相变带来能量的吸收释放原理。切削液、水、空气经混合雾华后喷洒在切削区，雾滴落在工件刀具表面会形成汽化中心，气泡脱离，且带动雾滴液体翻动，加速雾滴的汽化，发生相变，从而带走切削区的热量。（2）低温切削是指对切削区进行降温处理，在低温环境下进行切削加工的金属加工技术。根据采用的介质不同有可分为低温冷风切削和液氮冷却切削。液氮冷却是指在压力作用下，将氮气发生装置生成的氮气以液态的形式送入切削区，汽化吸热达到冷却效果。低温冷却技术是将混有微量植物性润滑剂的低温冷风经由风嘴喷

18、向切削区的技术，它可以大大降低切削区的温度，同时引发工件材料的低温脆性，使切削加工便于进行。（3）微润滑技术又称MQL(Minimal Quantity Lubrication)，是一种先进的绿色加工技术，其机理是在压缩空气中混入微量的无公害油雾来对切削区进行冷却润滑。切削液以高速雾粒的形式进行供给，增加了切削液的渗透性，提高了冷去润滑效果。准干切削是传统湿式切削向干切削的过渡，在解决干切削的润滑冷却问题时，也集成了湿式切削的优点。在干切削在实际应用上还有很大的难度，且使用范围较小，在现在和将来一段时间内，准干切削技术将会有很大的提高进步。4.3 植物基切削液的使用 传统的油性切削液在生态环境

19、中是很难降解的，其在土壤河流中存留的时间很长，微生物很难将其分解。而保护环境的呼声越来越强烈，可降解的切削液必须被研究出来代替传统油性切削液。植物基油液正是很好的选择。植物油基切削液主要成分是从植物中提取出来的，其是由3个长链的甘油分子附着在一个羟基上所形成的甘油三酯其分子式如图4.1。植物油基切削液在未来的发展优势主要有以下三点；（1）实际上植物油比起矿物油其润滑特性要好得多，它在工件和刀具表面形成的润滑膜层不易破裂。在重负荷下进行金属加工，不添加极压添加剂也能正常使用，因为其分子结构本身就是极性的。（2）植物油和矿物油在相同的环境条件下，前者的降解率更高（图4.2）。对环境保护方面植物油基

20、无疑是很好的选择，同时它对人体的危害更小。（3）植物油基切削液是可再生的，从植物中提取出来，排放到环境中被细菌分解后仍能被植物吸收利用，是可再生资源，而且其碳循环模式是封闭的，而矿物油基的碳循环是开放的。不会加重地球上的碳循环失调。第五章绿色添加剂 不论是什么样的切削液，没有添加剂的作用，在切削加工中是很难达到预期的效果的。耐磨抗压、防腐蚀、防锈等性能都需要添加剂的辅助，而往往这些添加剂都会加重切削液的污染能力。例如极压抗磨剂硫、磷、氯等元素对水的污染很严重，亚硝酸钠则用来防腐蚀，其具有强烈的致癌性。所以在控制切削液的污染时，添加剂是一大考虑因素。大力研究无毒高效的添加剂也是一大热点。目前，存

21、在的绿色添加剂有很多，主要的有硼酸脂类添加剂和钼酸盐系列缓蚀剂等。5.1 硼酸脂类添加剂 它是作为一种新型的减摩抗磨剂使用，毒性低，极压润滑性好，并兼有防锈、抗菌等功能，是一种特殊的表面活性剂。其在工件和刀具表面形成的油膜层强度高不易破裂。硼酸脂类添加剂是一种集多种功能于一身的环保型添加剂。5.2钼酸盐类系列添加剂 钼酸盐是阳性的缓蚀剂，研究表明，使用钼酸盐做添加剂时，能在工件和刀具表面生成Fe-MoO4-Fe2O3钝化膜可以得到很好的缓蚀效果。单独的钼酸盐价格比较昂贵，目前人们正在最求钼酸盐添加剂与其他添加剂配合使用，以达到协同效应。总结 干切削技术被认为是最清洁的加工方法，不使用切削液，无毒无污染，但是现今干切削技术的最大难题冷却润滑还没有完全解决，在金属切削加工中有很大的局限性，例如磨削和钻削加工中产生大量的切削热，必须由切削液带走大部分的热量。准干切削，由于其对切削液的使用量很少也被认为是绿色切削的一种，但是其加工条件是比较苛刻的，有时需要气体压缩、高压、低温冷却。这在能源消耗和设备维护上付出的代价是很高的。笔者认为其在未来的发展也不是很好的。在传统的湿式切