環保切削液的研究現狀及發展趨勢

王麗丹，陶桂寶，b，鐘金龍

（重慶大學a.機械工程學院；b.機械傳動國家重點實驗室，重慶400044）

環保切削液的研究現狀及發展趨勢

王麗丹a，陶桂寶a，b，鐘金龍a

（重慶大學a.機械工程學院；b.機械傳動國家重點實驗室，重慶400044）

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

切削液；環境保護；水基型；發展趨勢

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

在切削加工過程當中，為了減少摩擦帶來的能量消耗，保證工件質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濟效益的同時，也威脅著生態環境和人體健康［2］：未經處理的切削液當中，由于防銹劑磷酸鈉的累積，會導致水質富營養化進而引發赤潮；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，甚至出現開裂、化膿的嚴重后果；亞硝酸鈉和磷酸鈉等添加劑對環境和人體危害非常大。因此，在滿足加工性能的條件下，研究和開發性能優越、對環境友好、對人體無毒無害并且生物降解性好的環保切削液具有非常重要的現實意義［3］。

1　環保切削液的研究現狀

切削液是切削加工的重要配套材料。在遠古時代，人們就學會利用水進行降溫來制造石器，使用動植物油來拋光盔甲。直到各類機床陸續涌現之后，金屬切削液才開始有較大規模的應用。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，各種新的切削液產品和配方不斷涌現，以實現切削加工中良好的潤滑、冷卻和防銹性能［4］。

20世紀90年代，綠色制造的概念逐步應用到各個領域，切削液的綠色化進程進一步加快。在美國和歐洲發達國家，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良的防銹作用，但是自發現其致癌性以來，各國逐步淘汰了含有亞硝酸鈉的切削液。許多發達國家正積極開展環保型切削液的研究：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”技術的實際運用［8］。

我國同樣非常重視環保切削液的研究與應用。目前，我國市場對于水基切削液的需求量逐漸增大，但國內針對切削液的環保性的研究仍相對落后。開發新型綠色環保切削液，減少環境污染，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共同追求的目標。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，我國的綠色環保切削液研發仍處于初級階段。

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，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量；②延長刀具壽命；③帶走切屑雜質；④迅速帶走加工區域的熱量；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，將切削時產生的熱量迅速帶走，防止刀具和工件發生熱變形，提高刀具壽命和工件質量。

潤滑作用：切削液在加工表面產生吸附作用并發生化學反應，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，抑制積屑瘤的產生，防止刀具切削刃的摩擦磨損［10］，同時提高工件的表面質量。

清洗作用：切削液當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，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，由于發熱量大，導致切削油產生煙霧、起火等現象，污染加工環境。用動植物油作為原料的油基切削液穩定性差且價格昂貴。現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，在國內逐漸獲得廣泛的應用。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環保切削液的選用要求

從傳統的切削液選擇方式出發，人們最看重的主要是加工時間（time）、質量（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，更注重切削液對環境（environment）的影響和對資源（resource）的消耗。其中環境影響包括對人體健康以及生態等方面的影響，資源影響包括能量消耗、原材料消耗等。因此，在對環保切削液進行選擇時，應從這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　環保切削液的選擇目標體系

3　環保切削液的發展趨勢

資源、環境、健康三大問題已成為各界關注的焦點。為了適應現代裝備制造業的飛速發展，滿足更高的加工性能要求，綠色環保切削液出現了新的發展趨勢［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定發揮，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，與其他添加劑復合制備的潤滑脂有優良的性能，正成為目前開發的熱點［13-14］。生物表面活性劑是微生物產生的一種物質，它無毒無害，具有良好的生物穩定性，并且可降解［15］。因此，開發性能優越、無毒無害并且環保的生物降解添加劑是未來必然的發展方向。

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域，降低切削區溫度，達到潤滑和冷卻的目的。但當加工方式或加工材料發生變化時不會根據具體的參數進行切削液供液的用量調整，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。因此在開發綠色環保切削液的同時，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、實現綠色制造具有重要的意義。“微量潤滑”加工技術使用少量的切削液液流或者氣霧作用加工區域，以達到冷卻和潤滑的目的，同時也實現了資源的有效利用［16］。

3.3切削液廢液處理技術

未經有效處理的切削液直接排放會造成水質、土壤、大氣等生態污染。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系統，將每臺機床受污染的切削液匯集到一起，將切屑等雜質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加工。這一模式在國外機械加工企業已得到普遍運用。對于不能回收的切削液，必須使其達到國家排放標準，減少有毒物質在生態中的積累。

3.4油基切削液向水基切削液轉換

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。由于高速切削時產生大量的熱，切削區溫度過高易導致切削油產生油霧，污染生產環境，甚至引起火災。水基切削液有利于生產環境的清潔和安全，同時具有優良的冷卻性和清洗性，且成本較低。目前許多企業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及合理選擇成為許多科研機構和企業目前關注的主要問題。

4　結束語

目前，許多國內外學者正致力于研究一些非傳統切削液的加工方式，希望減少或者消除對環境的影響。但是從研究結果上來看，無論是液氮冷卻、干切削或者噴氣冷卻，在發揮其優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境造成污染。因此，切削液的使用仍不可或缺。研究和開發高效綠色環保型水基切削液以滿足日漸苛刻的生產要求，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，實現切削液的綠色使用與管理和實現切削液“以水代油”的轉換都具有重要意義。

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（責任編輯劉舸）

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.環保切削液的研究現狀及發展趨勢［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，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.