1．1 傳統切削液供給系統的構成及缺陷

切削液系統是切削加工系統的重要組成部分。切削液系統主要包括切削液供給系統和切削液。傳統的壓力供液式噴霧冷卻系統通常由以下部分構成：①切削液泵（冷卻泵）：按要求的壓力和流量向切削區供給切削液；②切削液箱：儲存待用切削液及沉淀用過的切削液；③輸送裝置（管道、噴嘴等）：將切削液送達加工區；④凈化（過濾）裝置：從切削液中去除切削過程中產生的切屑及其它機械雜質，使加工區使用的切削液保持清潔；⑤防護裝置（防護罩、擋板等）：防止切削液四處飛濺并浸入機床部件內。

對照綠色制造理論的相關要求，傳統的切削液供給系統存在以下缺陷

（1）使用成本高

據德國公司的統計資料，切削加工中使用切削液的費用約占制造總成本的7%～17%，其中切削液供給系統的使用成本（包括系統的清洗、維護費用及附屬環保設備費用）占有較大比例。

（2）切削液用量不易控制

傳統的切削液供液方法（如澆注法、壓力噴射法、噴霧法等）是通過用較大壓力和流量的切削液覆蓋切削區來起到潤滑、冷卻、沖洗等作用。當加工條件發生變化時（如更換工件、刀具等），不易對切削液用量進行調整與控制。

（3）資源消耗大

傳統切削液供給系統使用的冷卻泵、液壓閥、噴嘴等零部件精度不高，難以實現對切削液供給方式和供給量的精確控制，達不到微量、均勻、連續、精確供給潤滑液的要求，從而需要消耗大量資源。

（4）環境污染嚴重

傳統的切削液供給系統主要采用切削液內循環方式，其凈化裝置在切削加工過程中凈化效率較低，廢液和切屑造成的環境污染程度較嚴重，相應的治理費用較高。

（5）管路清洗難度大

傳統切削液供給系統中的管線材料主要為不銹鋼、銅、橡膠等，地溝則由水泥抹成，不適合進行化學清洗。切削液流經管線時間較長后會形成具有一定機械強度的黑色垢層，給清洗工作造成困難。

1．2 切削液的構成及環境影響

切削液可分為水基和油基兩大類。水基切削液具有較強的冷卻能力，其主要成分為水、化學合成液或乳化液，通常添加有防銹劑、極壓添加劑等；油基切削液具有較好的潤滑性能，其主要成分為各種礦物油、動物油、植物油或復合油，可視需要添加極壓添加劑、油性添加劑等。

切削液的環境影響主要表現在以下方面：

（1）對生態環境的影響

切削液對生態環境的危害主要表現為廢切削液（廢油、廢液）對水資源的污染。在切削加工中產生的廢油、廢液如未經有效處理而直接排放，將會造成嚴重 的水污染。此外，切削加工中使用的切削液會或多或少存留在切屑上，大量堆積的切屑上帶有的切削液會污染土壤；對切屑再生利用時切削液的有毒、有害成分也會污染環境。

（2）對人體健康、安全、衛生的影響

切削液對人體的危害主要表現為：①切削液中的某些添加劑（如常用作殺菌添加劑的物質）對人體具有毒性；②切削液中礦物油、表面活性劑的脫脂 作用以及防腐、殺菌添加劑的刺激性會使人體皮膚干燥、脫脂、開裂，甚至引起紅腫、化膿等；③油基切削液中的礦物油、水基切削液中的堿性物質對人的呼吸器官具有一定危害作用。

（3）對安全生產的影響

由于切削液中含有各種添加劑，在其使用過程中容易使設備產生腐蝕、生銹，油基切削液則易引發火災等，對安全生產造成威脅。

2．切削液系統的優化策略

面向綠色制造的切削液系統應具備如下性能：①供液裝置成本低、易安裝，供液方式靈活；②供液方法先進，供液參數合理，供液量適當，冷卻、潤滑、防銹、清洗功能強；③切削液無毒、無刺激性，對操作者無危害，具有生產安全性，對環境無污染或低污染；④系統通用性強，適用于多種切削加工方式和多種工件材料；⑤切削液透明(或半透明)，便于觀察加工狀態；⑥具有相應的廢液處理方法，廢液處理方便、價廉；⑦具有高效的過濾、回收裝置，可延長切削液的使用壽命和重復利用率，同時可避免較大切屑隨廢液排出，造成環境污染。為了更好地改進切削液系統的使用性能，實現潔凈化、高效化生產，可從供液系統和切削液兩方面采取合理措施對切削液系統進行優化。

 2．1 切削液供給系統的優化設計

（1）合理使用多種型式、多個數量的噴嘴
傳統的切削液供給系統由低壓泵、管路系統和噴嘴組成。由泵送出的切削液經噴嘴流出澆注到刀具、工件和切屑上，然后又回到供液 箱。為了更有效地發揮切削液的潤滑、冷卻、沖洗作用，可同時使用多種型式、多個數量的噴嘴。如在車削加工中，安裝一個噴嘴時，必須保證供液量充足，才可使切削液從側面滲入刀尖附近。若安裝兩個噴嘴，則可使切削液更容易滲入切削區，更好地發揮潤滑、冷卻作用。在銑削加工中也可設置兩個噴嘴，右側噴嘴的切削液對切削區進行潤滑、冷卻，左側噴嘴的切削液則用于沖洗切屑。當刀具寬度較窄時，可選用普通的圓形噴嘴；若刀具較寬時，則選用扇形噴嘴更為有效。

（2）采用外部噴霧冷卻潤滑系統和細微噴淋技術

外部噴霧冷卻潤滑方式是將懸浮在空氣中的細微切削液霧滴（尺寸僅為納米級）連續不斷地噴注到加工刀具上，對刀具起到冷卻和潤滑作用。該方法的切削液使用量少于50ml/h，而傳統的澆注法供液方式的切削液使用量則超過6000ml/min。細微噴淋技術是通過噴嘴將少量(10～100ml/h)高質量切削液（如植物油、合成油）噴淋于刀具與工件接觸處，該方法可有效延長刀具使用壽命。如對主軸結構進行一定改進，還可通過主軸或刀具中的孔道將氣霧劑或潤滑油直接輸送至切削刃，以獲得更好的冷卻潤滑效果。

（3）設計最小潤滑系統

最小潤滑技術主要包括氣霧外部潤滑和氣霧內部冷卻兩種方式：①氣霧外部潤滑方式：將切削液送入高壓噴射系統并與氣體混合霧化，然后通過一個多頭噴 嘴將霧滴尺寸達毫微米級的氣霧連續不斷地噴射到加工刀具表面，對刀具進行冷卻和潤滑；②氣霧內冷卻方式：通過主軸和刀具中的孔道直接將冷卻氣霧送至切削區域，進行冷卻和潤滑。
根據加工需要，可將兩種冷卻潤滑方式配合使用，以獲得最佳冷卻潤滑效果。最小潤滑技術的優點是可使切削區域外的刀具、工件和切屑保持干燥，并可避免處理大量切削廢液的難題。最小潤滑技術主要用于在鑄鐵、鋼、鋁合金等材料上進行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削、鋁合金端面銑削等。由于切削液用量很小，因此切削液供給系統結構簡單、體積小，易布局，可集成設計于主軸電機中，切削液流量由CNC程序控制。采用最小潤滑系統的加工單元可在6.5秒時間內鉆削10個φ8mm、中心距為20mm的孔，加工1小時僅需一杯潤滑液（大部分被蒸發消耗），切屑中的切削液含量很少，回收處理費用大幅度下降。

2．2 綠色切削液的開發與應用

（1）改善切削液成分——替換礦物油
用植物油替代礦物油配制油基切削液是改善切削液綠色特性的重要途徑之一。與礦物油不同，植物油屬可再生資源，可自然降解，對人和自然環境無危 害性。雖然植物油在切削液中的應用受到氧化、水解性能不穩定、易老化等缺點的制約，但由于其揮發性低，加入一定添加劑（如抗氧化劑等）后能較好滿足加工要求，因此具有廣闊的應用前景。此外，還可采用酯類油替代礦物油。目前國內外生產的各種酯類油的生物降解率已可達90％～100%，其缺點是成本較高。研制可降解、價格低廉的酯類油產品已成為各國研究開發綠色切削液的重要內容。（2）研究開發新型切削液添加劑

開發新型添加劑是提高切削液質量和綠色水平的有效途徑。為了增強切削液的環境友好性，面向綠色制造的切削液系統應重點開發應用以下幾種高效無毒添 加劑：① 硼酸酯類添加劑：有機硼酸酯作為新型減摩抗磨添加劑已受到廣泛重視。硼酸酯易于合成，大部分硼酸酯均由帶羥基的物質(如醇)與硼化劑(如硼酸)反應生成，目前關于水溶性硼酸酯合成技術的研究已取得一定進展，通過在硼酸酯中引入硫、氮，可生成含硫硼酸酯和含氮硼酸酯，并已證實硼酸酯是一種多功能環保型添加劑。②鉬酸鹽系緩蝕劑：鉬酸鹽屬陽性緩蝕劑，添加到切削液中可在加工金屬表面生成FeMoO4Fe2O3鈍化膜，使工件獲得良好的緩蝕效果。通常認為鉬酸鹽是一種無毒、無污染的防銹劑，但其價格昂貴，影響了進一步推廣應用。通過研究鉬酸鹽與其它有機、無機緩蝕劑配伍使用的協同效應，已合成出一種由鉬酸鹽、硼酸鹽、有機胺等組成的高效、價廉的防銹絡合物。此外，鉬酸鹽還能提高切削液的極壓抗磨性能。③新型防腐殺菌劑：切削液本身具有細菌等微生物滋生繁衍的條件，容易變質。通過添加防腐殺菌劑可抑制細菌、霉菌等的滋生，殺滅切削液中已存在的細菌，以延長切削液的使用壽命。新型防腐殺菌劑應具有高效、價廉、無污染等綠色特性。

（3）開發傳統切削液的替代品

氮氣是大氣中含量最多的成分，液氮作為制氧工業的副產品，資源豐富。以液氮作為切削液，使用后直接揮發為氮氣返回大氣中，不會產生任何污染物，從環保角度看，是一種極有發展前途的切削液替代品。液氮冷卻方法之一是將液氮作為切削液直接噴射于切削區。
除上述研究課題外，還應進一步研究廢液的回收利用和無害化處理技術，加強實用化技術、經濟性評價以及適用范圍等方面的研究。

3．應用實例

某機床廠在滾齒加工中采用傳統的切削液冷卻系統，資源浪費嚴重，加工噪音大；切削液采用32#機油，對工人健康及加工設備都有一定危害性，且廢油 較難處理；為提高企業的綠色制造水平，該廠希望對該切削液冷卻系統進行優化改造并采用新型綠色切削液替代傳統切削油。為此，作者運用多級模糊評價方法，建立了面向綠色制造的切削液綜合選擇模型，并據此對三種切削液系統優化方案（A1～A3）進行了綜合評價和系統決策：方案A1為采用傳統切削液32#機油；方案 A2為采用國產新型綠色合成切削液SG-3；方案A3仍采用32#機油，但將供液裝置改為雙噴嘴型式（主要比較其能耗與方案A1的區別）。有關決策目標體系的建立、決策變量的分解、切削液選擇模型的求解等問題已有詳細論述，本文從略。方案A1～A3的綜合評價目標體系分析及優化結果表明：方案A2、A3的綜合性能均優于方案A1，而方案A2的環保性能優勢更明顯，方案A3的節能、降噪性能更突出。考慮大規模批量生產的綜合成本因素，該廠最后采用A2與A3 相結合的優化方案（即采用新型綠色合成切削液SG-3并對供液系統進行優化改造）。生產實踐證明，該切削液系統優化方案效果明顯，取得了良好的經濟效益和社會效益。

4．結語

為適應綠色制造技術的發展趨勢，實現切削加工過程的潔凈化，在研究開發干切削加工技術的同時，應重視傳統切削液系統的優化改造，研制先進的切削液供給系統 以及有利于環境保護和人類健康、加工性能*的新型綠色切削液。同時，通過改進供液方法，優化供液參數、加強使用管理等措施，可延長切削液使用壽命，減少切削液使用量及廢液排放量。