王麗丹，陶桂寶，b，鐘金龍

（重慶大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.機械傳動國家重點實驗室，重慶400044）

環(huán)保切削液的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王麗丹a，陶桂寶a，b，鐘金龍a

（重慶大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.機械傳動國家重點實驗室，重慶400044）

面向綠色制造的環(huán)保型切削液的研究是未來金屬切削液的發(fā)展趨勢。綜述了環(huán)保切削液的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了切削液的作用與分類，在滿足加工性能與環(huán)境保護要求的基礎(chǔ)上，分析了油基切削液和水基切削液的特點，最后對環(huán)保切削液的發(fā)展趨勢進行了探討。

切削液；環(huán)境保護；水基型；發(fā)展趨勢

環(huán)境資源問題是當(dāng)前人類面臨的一個重要問題。對于綠色制造而言，就是實現(xiàn)資源利用最大化和環(huán)境影響最小化。切削液在制造加工當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用，盡管干式切削技術(shù)在某些加工工藝當(dāng)中得到成功應(yīng)用，但由于冷卻性能較差及所應(yīng)用工藝的限制，切削液的運用仍不可或缺。

在切削加工過程當(dāng)中，為了減少摩擦帶來的能量消耗，保證工件質(zhì)量以及提高刀具壽命，切削液必須具有良好使用性能［1］。切削液廣泛使用給我們帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時，也威脅著生態(tài)環(huán)境和人體健康［2］：未經(jīng)處理的切削液當(dāng)中，由于防銹劑磷酸鈉的累積，會導(dǎo)致水質(zhì)富營養(yǎng)化進而引發(fā)赤潮；殺菌劑苯酚的生物降解性較差，對水生物具有很大的危害；一些表面活性劑會使人體皮膚脫脂、紅腫，甚至出現(xiàn)開裂、化膿的嚴(yán)重后果；亞硝酸鈉和磷酸鈉等添加劑對環(huán)境和人體危害非常大。因此，在滿足加工性能的條件下，研究和開發(fā)性能優(yōu)越、對環(huán)境友好、對人體無毒無害并且生物降解性好的環(huán)保切削液具有非常重要的現(xiàn)實意義［3］。

1　環(huán)保切削液的研究現(xiàn)狀

切削液是切削加工的重要配套材料。在遠(yuǎn)古時代，人們就學(xué)會利用水進行降溫來制造石器，使用動植物油來拋光盔甲。直到各類機床陸續(xù)涌現(xiàn)之后，金屬切削液才開始有較大規(guī)模的應(yīng)用。隨著切削速度以及切削溫度的不斷提高，油基切削液的冷卻性能已經(jīng)不能完全滿足高速切削的需求。由于水的比熱容比油大，此時人們重新開始審視水的優(yōu)良冷卻性。然而，因水的潤滑性能和防銹性能不足，各種新的切削液產(chǎn)品和配方不斷涌現(xiàn)，以實現(xiàn)切削加工中良好的潤滑、冷卻和防銹性能［4］。

20世紀(jì)90年代，綠色制造的概念逐步應(yīng)用到各個領(lǐng)域，切削液的綠色化進程進一步加快。在美國和歐洲發(fā)達國家，以微乳液和全合成切削液為代表的水基切削液得到了廣泛的應(yīng)用。在日本，水基切削液的使用增長率更為明顯。亞硝酸鈉雖然具有優(yōu)良的防銹作用，但是自發(fā)現(xiàn)其致癌性以來，各國逐步淘汰了含有亞硝酸鈉的切削液。許多發(fā)達國家正積極開展環(huán)保型切削液的研究：Vieira等［5］研究了乳化液、半合成切削液和全合成切削液的切削溫度和表面光潔度；Ozcelik等［6］比較了在端銑AISI 316不銹鋼時分別采用干切削和濕切削兩種切削方式后的刀具壽命和磨損機理問題；Thepsonthi等［7］研究了切削液的用量問題，希望使用最小量的切削液滿足加工要求；Thyssen公司同樣研究了“微量潤滑”技術(shù)的實際運用［8］。

我國同樣非常重視環(huán)保切削液的研究與應(yīng)用。目前，我國市場對于水基切削液的需求量逐漸增大，但國內(nèi)針對切削液的環(huán)保性的研究仍相對落后。開發(fā)新型綠色環(huán)保切削液，減少環(huán)境污染，降低廢液處理費用和滿足綠色制造的要求是許多研究機構(gòu)共同追求的目標(biāo)。但由于我國綠色制造研究起步較晚，并且對切削液的綠色化程度的界定和評價要求比較模糊，因此，我國的綠色環(huán)保切削液研發(fā)仍處于初級階段。

2　切削液的特點和選用

2.1切削液的作用

切削液是以澆注的方式進入到切屑形成區(qū)，起到潤滑和冷卻的作用。具體目的是：①提高工件的精度和表面質(zhì)量；②延長刀具壽命；③帶走切屑雜質(zhì)；④迅速帶走加工區(qū)域的熱量；⑤起到工序間工件的防銹以及保護機床漆膜；⑥提高加工效率；⑦降低生產(chǎn)成本和能耗。因此，要求切削液具有冷卻、潤滑、清洗、防銹等多種功能［9］。

冷卻作用：切削液依靠其熱交換的能力，將切削時產(chǎn)生的熱量迅速帶走，防止刀具和工件發(fā)生熱變形，提高刀具壽命和工件質(zhì)量。

潤滑作用：切削液在加工表面產(chǎn)生吸附作用并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成很薄的潤滑膜。這層潤滑膜能減少刀具與切屑、刀具與工件表面之間的摩擦，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，防止刀具切削刃的摩擦磨損［10］，同時提高工件的表面質(zhì)量。

清洗作用：切削液當(dāng)中的表面活性劑能將粒子從吸附表面帶走，并在金屬表面形成一層吸附膜，阻隔其進一步粘附，從而起到清洗作用。

防銹作用：切削液當(dāng)中的防銹劑能吸附在金屬表面，使其避免受到周圍腐蝕介質(zhì)的銹蝕，同時滿足工序間的防銹要求。

2.2切削液的分類

按照不同的介質(zhì)，切削液可分為油基切削液和水基切削液兩種。主要類型見表1［1］。

使用時不需要用水進行稀釋的切削液稱作油基切削液。油基切削液一般潤滑性良好，但冷卻性能相較于水基切削液稍差，在高速切削加工過程中，由于發(fā)熱量大，導(dǎo)致切削油產(chǎn)生煙霧、起火等現(xiàn)象，污染加工環(huán)境。用動植物油作為原料的油基切削液穩(wěn)定性差且價格昂貴?，F(xiàn)在則多以礦物油為原料輔以各種添加劑制成切削液。

表1　金屬切削液的主要類型

水基切削液在使用前要用大量的水，按一定比例對原液進行稀釋。由于其使用過程中不會產(chǎn)生易燃的危險，且價格相對便宜并同樣滿足加工要求，在國內(nèi)逐漸獲得廣泛的應(yīng)用。尤其是隨著全球石油資源緊缺，水基切削液的研究有了更為廣闊的應(yīng)用前景。油基切削液和水基切削液的主要性能對比見表2。

2.3環(huán)保切削液的選用要求

從傳統(tǒng)的切削液選擇方式出發(fā)，人們最看重的主要是加工時間（time）、質(zhì)量（quality）和成本（cost）。成本是指切削液成本、勞動力成本等。在一些發(fā)達國家對切削液進行選用時，不僅僅考慮的是其加工性能，更注重切削液對環(huán)境（environment）的影響和對資源（resource）的消耗。其中環(huán)境影響包括對人體健康以及生態(tài)等方面的影響，資源影響包括能量消耗、原材料消耗等。因此，在對環(huán)保切削液進行選擇時，應(yīng)從這5個方面進行綜合考慮［11］，如圖1所示。

表2　油基和水基切削液主要性能對比

圖1　環(huán)保切削液的選擇目標(biāo)體系

3　環(huán)保切削液的發(fā)展趨勢

資源、環(huán)境、健康三大問題已成為各界關(guān)注的焦點。為了適應(yīng)現(xiàn)代裝備制造業(yè)的飛速發(fā)展，滿足更高的加工性能要求，綠色環(huán)保切削液出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢［12］。

3.1研制高性能、無毒無害的添加劑

為了使切削液的作用得到穩(wěn)定發(fā)揮，必須加入表面活性劑、防銹劑、殺菌劑等各種添加劑。而無毒型添加劑，即環(huán)保型生物降解添加劑是目前研究的重點。硼類極壓劑是新型的抗磨添加劑，與其他添加劑復(fù)合制備的潤滑脂有優(yōu)良的性能，正成為目前開發(fā)的熱點［13-14］。生物表面活性劑是微生物產(chǎn)生的一種物質(zhì)，它無毒無害，具有良好的生物穩(wěn)定性，并且可降解［15］。因此，開發(fā)性能優(yōu)越、無毒無害并且環(huán)保的生物降解添加劑是未來必然的發(fā)展方向。

3.2研究更為有效的供液方式

通常采用的切削液供液方式為澆注法，即將切削液以一定壓力、一定流量澆注到切削加工區(qū)域，降低切削區(qū)溫度，達到潤滑和冷卻的目的。但當(dāng)加工方式或加工材料發(fā)生變化時不會根據(jù)具體的參數(shù)進行切削液供液的用量調(diào)整，這無疑使切削液的利用率降低，造成無謂的浪費，并且增加了加工及廢液處理成本。因此在開發(fā)綠色環(huán)保切削液的同時，研究更為有效的供液方式，對于延長切削液的使用壽命、降低維護成本、降低廢液排放、實現(xiàn)綠色制造具有重要的意義。“微量潤滑”加工技術(shù)使用少量的切削液液流或者氣霧作用加工區(qū)域，以達到冷卻和潤滑的目的，同時也實現(xiàn)了資源的有效利用［16］。

3.3切削液廢液處理技術(shù)

未經(jīng)有效處理的切削液直接排放會造成水質(zhì)、土壤、大氣等生態(tài)污染。對于可回收的切削液，最為有效的處理方式之一就是建立切削液循環(huán)系統(tǒng)，將每臺機床受污染的切削液匯集到一起，將切屑等雜質(zhì)進行集中過濾處理后再分別將潔凈的切削液運送到每臺機床進行循環(huán)加工。這一模式在國外機械加工企業(yè)已得到普遍運用。對于不能回收的切削液，必須使其達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，減少有毒物質(zhì)在生態(tài)中的積累。

3.4油基切削液向水基切削液轉(zhuǎn)換

油基切削液潤滑性良好，但冷卻性能相較于水基切削液稍差。由于高速切削時產(chǎn)生大量的熱，切削區(qū)溫度過高易導(dǎo)致切削油產(chǎn)生油霧，污染生產(chǎn)環(huán)境，甚至引起火災(zāi)。水基切削液有利于生產(chǎn)環(huán)境的清潔和安全，同時具有優(yōu)良的冷卻性和清洗性，且成本較低。目前許多企業(yè)希均通過采用同樣滿足加工性能要求的水溶性切削液代替油基切削液以降低成本。因此，面向綠色制造的切削液的開發(fā)及合理選擇成為許多科研機構(gòu)和企業(yè)目前關(guān)注的主要問題。

4　結(jié)束語

目前，許多國內(nèi)外學(xué)者正致力于研究一些非傳統(tǒng)切削液的加工方式，希望減少或者消除對環(huán)境的影響。但是從研究結(jié)果上來看，無論是液氮冷卻、干切削或者噴氣冷卻，在發(fā)揮其優(yōu)勢的同時也有一定的局限性。例如采用以上3種方式進行加工時，由于潤滑性不佳，或多或少要使用一些潤滑劑；加工完成后，必須再進行防銹處理的工序，而防銹劑同樣也會對環(huán)境造成污染。因此，切削液的使用仍不可或缺。研究和開發(fā)高效綠色環(huán)保型水基切削液以滿足日漸苛刻的生產(chǎn)要求，完善切削液廢液處理方式，研究更為有效的切削液供液方式，實現(xiàn)切削液的綠色使用與管理和實現(xiàn)切削液“以水代油”的轉(zhuǎn)換都具有重要意義。

［1］葉茂盛.金屬切削液［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994：7-26.

［2］Shokrani A，Dhokia V，Newman S T.Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2012，57：83-101.

［3］吳志橋，辛田，韓生.綠色環(huán)保型金屬切削液研究進展［J］.上海化工，2011，36（8）：29-34.

［4］李淑芬，趙永武.新型復(fù)合硼酸酯環(huán)保型防銹切削液的研制［J］.江南大學(xué)學(xué)報，2008，7（5）：587-590.

［5］Vieira J M，Machado A R，Ezugwu E O.Performance of cutting fluids during millingof steels［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，116（2）：244-251.

［6］Ozcelik B，Kuram E，Simsek B T.Comparison of dry and wet end milling of AISI 316 stainless steel［J］.Materials and Manufacturing Processes，2011，26（8）：1041-1049.

［7］Thepsonthi T，Hamdi M，Mitsui K.Investigation into minimal-cutting-fluid application in high-speed milling of hardened steel using carbide mills［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49（2）：156 -162.［8］Shang Y H.Advancement of economical cryogenic machining technology［C］//Proceedings of 3rd International Conference on Manufacturing.China：［s.n.］，1995.

［9］劉鎮(zhèn)昌.切削液技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：53-85.

［10］Jayal A D，Balaji A K.Effects of cutting fluid application on tool wear in machining：Interactions with tool-coatings and tool surface features［J］.Wear，2009，267（9/10）：1723-1730.

［11］Yue Y.A Comprehensive Model for Cutting Fluid Mist Formation in Machining：［D］.USA：Michigan Technological University，2000.

［12］李瑋，馬濤，林廣山.水基金屬切削液的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.工具技術(shù)，2010，44（6）：6-9.

［13］胡曉蘭，梁國正.硼酸酯水解穩(wěn)定性與應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報，2002，16（1）：58-60.

［14］劉菁，胡子文，宋岷尉，等.氨基硅烷與硼酸酯復(fù)配改性微晶白云母研究［J］.功能材料，2012（5）：555-557，563.

［15］房菲，房存金.淺談綠色表面活性劑及其應(yīng)用［J］.科技資訊，2009（7）：20-21.

［16］張春燕，周堅，丁志東.最小量潤滑MQL切削中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.科技信息，2011，21（2）：404.

（責(zé)任編輯劉舸）

Current Research Situation and Developing Trend of Environmental Cutting Fluids

WANG Li-dana，TAO Gui-baoa，b，ZHONG Jin-longa
（a.College of Mechanical Engineering；b.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Research for green manufacturing environment-friendly cutting fluid is the development trend of the future cutting fluid.The research status of environmentally cutting fluid was summarized，and the effect and classification of cutting fluid were described.On the basis of the processing performance requirements and environmental protection，the characteristics of oil-based cutting fluids and water-based cutting fluid were analyzed.The development trend of environmentally friendly cutting fluid was discussed.

cutting fluid；environmental protection；water basis type；development trend

TH11

A

1674-8425（2015）04-0044-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.009

2014-12-12

國家科技支撐計劃資助項目（2012BAF01B02）

王麗丹（1988—），女，碩士研究生，主要從事綠色制造研究；通訊作者陶桂寶，男，副教授，主要從事綠色制造研究。

王麗丹，陶桂寶，鐘金龍.環(huán)保切削液的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（4）：44-47.

format：WANG Li-dan，TAO Gui-bao，ZHONG Jin-long.Current Research Situation and Developing Trend of Environmental Cutting Fluids［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：44 -47.