切削液系统的绿色特性分析及优化策略
1 切削液系统的构成及绿色特性分析
- 传统切削液供给系统的构成及缺陷
- 切削液系统是切削加工系统的重要组成部分。切削液系统主要包括切削液供给系统和切削液。传统的压力供液式喷雾冷却系统(见图1)通常由以下部分构成：①切削液泵(冷却泵)：按要求的压力和流量向切削区供给切削液；②切削液箱：储存待用切削液及沉淀用过的切削液；③输送装置(管道、喷嘴等)：将切削液送达加工区；④净化(过滤)装置：从切削液中去除切削过程中产生的切屑及其它机械杂质，使加工区使用的切削液保持清洁；⑤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。
- 对照绿色制造理论的相关要求，传统的切削液供给系统存在以下缺陷：
- 使用成本高
- 据德国公司的统计资料，切削加工中使用切削液的费用约占制造总成本的7%~17%，其中切削液供给系统的使用成本(包括系统的清洗、维护费用及附属环保设备费用)占有较大比例。
- 切削液用量不易控制
- 传统的切削液供液方法(如浇注法、压力喷射法、喷雾法等)是通过用较大压力和流量的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。
- 资源消耗大
- 传统切削液供给系统使用的冷却泵、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的精确控制，达不到微量、均匀、连续、精确供给润滑液的要求，从而需要消耗大量资源。
- 环境污染严重
- 传统的切削液供给系统主要采用切削液内循环方式，其净化装置在切削加工过程中净化效率较低，废液和切屑造成的环境污染程度较严重，相应的治理费用较高。
- 管路清洗难度大
- 传统切削液供给系统中的管线材料主要为不锈钢、铜、橡胶等，地沟则由水泥抹成，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的黑色垢层，给清洗工作造成困难。
- 切削液的构成及环境影响
- 切削液可分为水基和油基两大类。水基切削液具有较强的冷却能力，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的润滑性能，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。
- 切削液的环境影响主要表现在以下方面：
- 对生态环境的影响
- 切削液对生态环境的危害主要表现为废切削液(废油、废液)对水资源的污染。在切削加工中产生的废油、废液如未经有效处理而直接排放，将会造成严重的水污染。此外，切削加工中使用的切削液会或多或少存留在切屑上，大量堆积的切屑上带有的切削液会污染土壤；对切屑再生利用时切削液的有毒、有害成分也会污染环境。
- 对人体健康、安全、卫生的影响
- 切削液对人体的危害主要表现为：①切削液中的某些添加剂(如常用作杀菌添加剂的苯酚类物质)对人体具有毒性；②切削液中矿物油、表面活性剂的脱脂作用以及防腐、杀菌添加剂的刺激性会使人体皮肤干燥、脱脂、开裂，甚至引起红肿、化脓等；③油基切削液中的矿物油、水基切削液中的碱性物质对人的呼吸器官具有一定危害作用。
- 对安全生产的影响
- 由于切削液中含有各种添加剂，在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。
图1 压力供液式喷雾冷却系统 |
2 切削液系统的优化策略
- 切削液供给系统的优化设计
- 合理使用多种型式、多个数量的喷嘴
(a)
(b)图2 车削加工时切削液喷嘴的使用 - 传统的切削液供给系统由低压泵、管路系统和喷嘴组成。由泵送出的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。为了更有效地发挥切削液的润滑、冷却、冲洗作用，可同时使用多种型式、多个数量的喷嘴。如在车削加工中，安装一个喷嘴时(见图2a)，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(见图2b)，则可使切削液更容易渗入切削区，更好地发挥润滑、冷却作用。在铣削加工中也可设置两个喷嘴，右侧喷嘴的切削液对切削区进行润滑、冷却，左侧喷嘴的切削液则用于冲洗切屑。当刀具宽度较窄时，可选用普通的圆形喷嘴；若刀具较宽时，则选用扇形喷嘴更为有效。
- 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在空气中的细微切削液雾滴(尺寸仅为纳米级)连续不断地喷注到加工刀具上，对刀具起到冷却和润滑作用。该方法的切削液使用量少于50ml/h，而传统的浇注法供液方式的切削液使用量则超过6000ml/min。细微喷淋技术是通过喷嘴将少量(10~100ml/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，还可通过主轴或刀具中的孔道将气雾剂或润滑油直接输送至切削刃，以获得更好的冷却润滑效果。
- 设计最小润滑系统
- 最小润滑技术主要包括气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式：①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，然后通过一个多头喷嘴将雾滴尺寸达毫微米级的气雾连续不断地喷射到加工刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；②气雾内冷却方式：通过主轴和刀具中的孔道直接将冷却气雾送至切削区域，进行冷却和润滑。根据加工需要，可将两种冷却润滑方式配合使用，以获得最佳冷却润滑效果。最小润滑技术的最大优点是可使切削区域外的刀具、工件和切屑保持干燥，并可避免处理大量切削废液的难题。最小润滑技术主要用于在铸铁、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。由于切削液用量很小，因此切削液供给系统结构简单、体积小，易布局，可集成设计于主轴电机中，切削液流量由CNC程序控制。采用最小润滑系统的加工单元可在6.5秒时间内钻削10个f8mm、中心距为20mm的孔，加工1小时仅需一杯润滑液(大部分被蒸发消耗)，切屑中的切削液含量很少，回收处理费用大幅度下降。
- 合理使用多种型式、多个数量的喷嘴
- 绿色切削液的开发与应用
- 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的重要途径之一。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。虽然植物油在切削液中的应用受到氧化、水解性能不稳定、易老化等缺点的制约，但由于其挥发性低，加入一定添加剂(如抗氧化剂等)后能较好满足加工要求，因此具有广阔的应用前景。此外，还可采用酯类油替代矿物油。目前国内外生产的各种酯类油的生物降解率已可达90%~100%其缺点是成本较高。研制可完全降解、价格低廉的酯类油产品已成为各国研究开发绿色切削液的重要内容。
- 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的有效途径。为了增强切削液的环境友好性，面向绿色制造的切削液系统应重点开发应用以下几种高效无毒添加剂：①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的物质(如醇)与硼化剂(如硼酸)反应生成，目前关于水溶性硼酸酯合成技术的研究已取得一定进展，通过在硼酸酯中引入硫、氮，可生成含硫硼酸酯和含氮硼酸酯，并已证实硼酸酯是一种多功能环保型添加剂。②钼酸盐系缓蚀剂：钼酸盐属阳性缓蚀剂，添加到切削液中可在加工金属表面生成Fe-MoO4-Fe2O3钝化膜，使工件获得良好的缓蚀效果。通常认为钼酸盐是一种无毒、无污染的防锈剂，但其价格昂贵，影响了进一步推广应用。通过研究钼酸盐与其它有机、无机缓蚀剂配伍使用的协同效应，已合成出一种由钼酸盐、硼酸盐、有机胺等组成的高效、价廉的防锈络合物。此外，钼酸盐还能提高切削液的极压抗磨性能。③新型防腐杀菌剂：切削液本身具有细菌等微生物滋生繁衍的条件，容易腐败变质。通过添加防腐杀菌剂可抑制细菌、霉菌等的滋生，杀灭切削液中已存在的细菌，以延长切削液的使用寿命。新型防腐杀菌剂应具有高效、价廉、无污染等绿色特性。
- 改善切削液成分———替换矿物油
- 开发传统切削液的替代品
- 氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品，资源丰富。以液氮作为切削液，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的切削液替代品。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的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的研究。
3 应用实例
| 评价方面 | 评价要素 | 评价等级 | |||||||
| 序号 i | uj | 权重 ai | 序号 j | uij | 权重aij | 序号 k | v1 | v2 | v3 |
| 模糊矩阵 | |||||||||
| 好 | 一般 | 差 | |||||||
| 1 | 质量 | 0.3 | 1 | 润滑 | 0.3 | A1 | 0.45 | 0.35 | 0.20 |
| A2 | 0.70 | 0.25 | 0.05 | ||||||
| A3 | 0.60 | 0.30 | 0.10 | ||||||
| 2 | 冷却 | 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 | 利用率与 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 | ||||||
| 无 | 有 | 多 | |||||||
| 2 | 环境 | 0.3 | 1 | 毒性危害 | 0.25 | A1 | 0.50 | 0.30 | 0.20 |
| A2 | 0.70 | 0.25 | 0.05 | ||||||
| A3 | 0.50 | 0.30 | 0.10 | ||||||
| 2 | 安全指标 | 0.355 | A1 | 0.60 | 0.30 | 0.10 | |||
| A2 | 0.70 | 0.25 | 0.05 | ||||||
| A3 | 0.50 | 0.30 | 0.20 | ||||||
| 3 | 环境指标 | 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 | 减少 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 | 经济性 | 0.2 | 1 | 生产成本 | 0.5 | A1 | 0.50 | 0.25 | 0.25 |
| A2 | 0.68 | 0.22 | 0.10 | ||||||
| A3 | 0.55 | 0.25 | 0.20 | ||||||
| 2 | 用户成本 | 0.2 | A1 | 0.45 | 0.25 | 0.30 | |||
| A2 | 0.60 | 0.20 | 0.20 | ||||||
| A3 | 0.55 | 0.25 | 0.20 | ||||||
| 3 | 社会成本 | 0.3 | A1 | 0.30 | 0.30 | 0.40 | |||
| A2 | 0.60 | 0.30 | 0.10 | ||||||
| A3 | 0.30 | 0.30 | 0.40 | ||||||
| 方案 | 评价方面矩阵 | 综合评价矩阵 | 综合评价分数 | |
| A1 | 质量 | (0.470, 0.345, 0.185) | (0.456, 0.3015, 0.2475) | 66.555 |
| 环境 | (0.480, 0.300, 0.220) | |||
| 能源 | (0.425, 0.275, 0.325) | |||
| 经济性 | (0.430, 0.265, 0.305) | |||
| A2 | 质量 | (0.700, 0.250, 0.050) | (0.666, 0.243, 0.091) | 77.250 |
| 环境 | (0.660, 0.250, 0.050) | |||
| 能源 | (0.650, 0.225, 0.090) | |||
| 经济性 | (0.640, 0.240, 0.120) | |||
| A3 | 质量 | (0.600, 0.300, 0.100) | (0.539, 0.288, 0.173) | 70.980 |
| 环境 | (0.480, 0.300, 0.220) | |||
| 能源 | (0.600, 0.275, 0.125) | |||
| 经济性 | (0.475, 0.265, 0.260) | |||
4 结语
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