切削液系统构成及绿色特性分析

1、切削液系统构成及绿色特性分析1. 切削液系统及现状分析11 传统切削液供给系统构成及缺陷切削液系统是切削加工系统重要组成部分。切削液系统主要包括切削液供给系统和切削液。传统压力供液式喷雾冷却系统通常由以下部分构成：切削液泵（冷却泵）：按要求压力和流量向切削区供给切削液；切削液箱：储存待用切削液及沉淀用过切削液；输送装置（管道、喷嘴等）：将切削液送达加工区；净化（过滤）装置：从切削液中去除切削过程中产生切屑及其它机械杂质，使加工区使用切削液保持清洁；防护装置（防护罩、挡板等）：防止切削液四处飞溅并浸入机床部件内。对照绿色制造理论相关要求，传统切削液供给系统存以下缺陷：（1）使用成本高据德国公司统

2、计资料，切削加工中使用切削液费用约占制造总成本7%17%，其中切削液供给系统使用成本（包括系统清洗、维护费用及附属环保设备费用）占有较大比例。（2）切削液用量不易控制传统切削液供液方法（如浇注法、压力喷射法、喷雾法等）是用较大压力和流量切削液覆盖切削区来起到润滑、冷却、冲洗等作用。当加工条件发生变化时（如更换工件、刀具等），不易对切削液用量进行调整与控制。（3）资源消耗大传统切削液供给系统使用冷却泵、液压阀、喷嘴等零部件精度不高，难以实现对切削液供给方式和供给量精确控制，达不到微量、均匀、连续、精确供给润滑液要求，需要消耗大量资源。（4）环境污染严重传统切削液供给系统主要采用切削液内循环方式，

3、其净化装置切削加工过程中净化效率较低，废液和切屑造成环境污染程度较严重，相应治理费用较高。（5）管路清洗难度大传统切削液供给系统中管线材料主要为不锈钢、铜、橡胶等，沟则由水泥抹成，不适合进行化学清洗。切削液流经管线时间较长后会形成具有一定机械强度黑色垢层，给清洗工作造成困难。12 切削液构成及环境影响切削液可分为水基和油基两大类。水基切削液具有较强冷却能力，其主要成分为水、化学合成液或乳化液，通常添加有防锈剂、极压添加剂等；油基切削液具有较好润滑性能，其主要成分为各种矿物油、动物油、植物油或复合油，可视需要添加极压添加剂、油性添加剂等。切削液环境影响主要表现以下方面：（1）对生态环境影响切削液

4、对生态环境危害主要表现为废切削液（废油、废液）对水资源污染。切削加工中产生废油、废液如未经有效处理而直接排放，将会造成严重水污染。此外，切削加工中使用切削液会或多或少存留切屑上，大量堆积切屑上带有切削液会污染土壤；对切屑再生利用时切削液有毒、有害成分也会污染环境。（2）对人体健康、安全、卫生影响切削液对人体危害主要表现为：切削液中某些添加剂（如常用作杀菌添加剂苯酚类物质）对人体具有毒性；切削液中矿物油、表面活性剂脱脂作及防腐、杀菌添加剂刺激性会使人体皮肤干燥、脱脂、开裂，引起红肿、化脓等；油基切削液中矿物油、水基切削液中碱性物质对人呼吸器官具有一定危害作用。（3）对安全生产影响切削液中含有各种

5、添加剂，其使用过程中容易使设备产生腐蚀、生锈，油基切削液则易引发火灾等，对安全生产造成威胁。2切削液系统优化策略面向绿色制造切削液系统应具备如下性能：供液装置成本低、易安装，供液方式灵活；供液方法先进，供液参数合理，供液量适当，冷却、润滑、防锈、清洗功能强；切削液无毒、无刺激性，对操作者无危害，具有生产安全性，对环境无污染或低污染；系统通用性强，适用于多种切削加工方式和多种工件材料；切削液透明(或半透明 ，便于观察加工状态；具有相应废液处理方法，废液处理方便、价廉；具有高效过滤、回收装置，可延长切削液使用寿命和重复利用率，同时可避免较大切屑随废液排出，造成环境污染。更好改进切削液系统使用性能，

6、实现洁净化、高效化生产，可从供液系统和切削液两方面采取合理措施对切削液系统进行优化。21 切削液供给系统优化设计（1）合理使用多种型式、多个数量喷嘴传统切削液供给系统由低压泵、管路系统和喷嘴组成。由泵送出切削液经喷嘴流出浇注到刀具、工件和切屑上，然后对切屑进行过滤分离后又回到供液箱。更有效发挥切削液润滑、冷却、冲洗作用，可同时使用多种型式、多个数量喷嘴。如车削加工中，安装一个喷嘴时，必须保证供液量充足，才可使切削液从侧面渗入刀尖附近。若安装两个喷嘴，则可使切削液更容易渗入切削区，更好发挥润滑、冷却作用。铣削加工中也可设置两个喷嘴，右侧喷嘴切削液对切削区进行润滑、冷却，左侧喷嘴切削液则用于冲洗切

7、屑。当刀具宽度较窄时，可选用普通圆形喷嘴；若刀具较宽时，则选用扇形喷嘴更为有效。（2）采用外部喷雾冷却润滑系统和细微喷淋技术外部喷雾冷却润滑方式是将悬浮空气中细微切削液雾滴（尺寸仅为纳米级）连续不断喷注到加工刀具上，对刀具起到冷却和润滑作用。该方法切削液使用量少于50ml/h，而传统浇注法供液方式切削液使用量则超过6000ml/min。细微喷淋技术是喷嘴将少量(10100ml/h高质量切削液（如植物油、合成油）喷淋于刀具与工件接触处，该方法可有效延长刀具使用寿命。如对主轴结构进行一定改进，还可主轴或刀具中孔道将气雾剂或润滑油直接输送至切削刃，以获更好冷却润滑效果。（3）设计最小润滑系统最小润滑

8、技术主要包括气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式：气雾外部润滑方式：将切削液送入高压喷射系统并与气体混合雾化，然后一个多头喷嘴将雾滴尺寸达毫微米级气雾连续不断喷射到加工刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；气雾内冷却方式：主轴和刀具中孔道直接将冷却气雾送至切削区域，进行冷却和润滑。加工需要，可将两种冷却润滑方式配合使用，以获最佳冷却润滑效果。最小润滑技术最大优点是可使切削区域外刀具、工件和切屑保持干燥，并可避免处理大量切削废液难题。最小润滑技术主要用于铸铁、钢、铝合金等材料上进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削、铝合金端面铣削等。切削液用量很小，切削液供给系统结构简单、体积小，易布局，可集成设计于主

9、轴电机中，切削液流量由CNC 程序控制。采用最小润滑系统加工单元可6.5秒时间内钻削10个8mm 、中心距为20mm 孔，加工1小时仅需一杯润滑液（大部分被蒸发消耗），切屑中切削液含量很少，回收处理费用大幅度下降。22 绿色切削液开发与应用（1）改善切削液成分替换矿物油用植物油替代矿物油配制油基切削液是改善切削液绿色特性重要途径之一。与矿物油不同，植物油属可再生资源，可完全自然降解，对人和自然环境无危害性。植物油切削液中应用受到氧化、水解性能不稳定、易老化等缺点制约，但其挥发性低，加入一定添加剂（如抗氧化剂等）后能较好满足加工要求，具有广阔应用前景。此外，还可采用酯类油替代矿物油。目前国内外生

10、产各种酯类油生物降解率已可达90100%，其缺点是成本较高。研制可完全降解、价格低廉酯类油产品已成为各国研究开发绿色切削液重要内容。（2）研究开发新型切削液添加剂开发新型添加剂是提高切削液质量和绿色水平有效途径。增强切削液环境友好性，面向绿色制造切削液系统应重点开发应下几种高效无毒添加剂：硼酸酯类添加剂：有机硼酸酯作为新型减摩抗磨添加剂已受到广泛重视。硼酸酯易于合成，大部分硼酸酯均由带羟基物质(如醇 与硼化剂(如硼酸 反应生成，目前水溶性硼酸酯合成技术研究已取一定进展，硼酸酯中引入硫、氮，可生成含硫硼酸酯和含氮硼酸酯，并已证实硼酸酯是一种多功能环保型添加剂。钼酸盐系缓蚀剂：钼酸盐属阳性缓蚀剂，

11、添加到切削液中可加工金属表面生成FeMoO4Fe2O3钝化膜，使工件获良好缓蚀效果。通常认为钼酸盐是一种无毒、无污染防锈剂，但其价格昂贵，影响了进一步推广应用。研究钼酸盐它有机、无机缓蚀剂配伍使用协同效应，已合成出一种由钼酸盐、硼酸盐、有机胺等组成高效、价廉防锈络合物。此外，钼酸盐还能提高切削液极压抗磨性能。新型防腐杀菌剂：切削液本身具有细菌等微生物滋生繁衍条件，容易腐败变质。添加防腐杀菌剂可抑制细菌、霉菌等滋生，杀灭切削液中已存细菌，以延长切削液使用寿命。新型防腐杀菌剂应具有高效、价廉、无污染等绿色特性。（3）开发传统切削液替代品氮气是大气中含量最多成分，液氮作为制氧工业副产品，资源丰富。以

12、液氮作为切削液，使用后直接挥发为氮气返回大气中，不会产生任何污染物，从环保角度看，是一种极有发展前途切削液替代品。液氮冷却方法之一是将液氮作为切削液直接喷射于切削区。 除上述研究课题外，还应进一步研究废液回收利用和无害化处理技术，加强实用化技术、经济性评价以及适用范围等方面研究。3应用实例某机床厂滚齿加工中采用传统切削液冷却系统，资源浪费严重，加工噪音大；切削液采用32#机油，对工人健康及加工设备都有一定危害性，且废油较难处理；为提高企业绿色制造水平，该厂希望对该切削液冷却系统进行优化改造并采用新型绿色切削液替代传统切削油。为此，作者运用多级模糊评价方法，建立了面向绿色制造切削液综合选择模型，

13、并据此对三种切削液系统优化方案（A1A3）进行了综合评价和系统决策：方案A1为采用传统切削液32#机油；方案A2为采用国产新型绿色合成切削液SG-3；方案A3仍采用32#机油，但将供液装置改为双喷嘴型式（主要比较其能耗与方案A1区别）。有关决策目标体系建立、决策变量分解、切削液选择模型求解等问题已有详细论述，本文从略。方案A1A3综合评价目标体系分析及优化结果表明：方案A2、A3综合性能均优于方案A1，而方案A2环保性能优势更明显，方案A3节能、降噪性能更突出。考虑大规模批量生产综合成本因素，该厂最后采用A2与A3相结合优化方案（即采用新型绿色合成切削液SG-3并对供液系统进行优化改造）。生产实践证明，该切削液系统优化方