切削液特性分析及其绿色优化措施

在金属切削中，合理选择切削液，可以改善切屑、工件与刀具之间的摩擦状况，抑制积屑和鳞刺的生长，从而降低切削力和切削温度，减小工件热变形，提高加工精度和减小已加工表面粗糙度，延长刀具使用寿命。随着人类环境保护意识的增强，在选择切削液时，必须考虑对环境的友好性，因此节能、减少环境污染、降低工业生产成本成为机械加工的发展方向。

一、切削液的作用机理

１、冷却作用

切削液能够降低切削温度，从而可以提高刀具耐用度和加工质量。在刀具材料的耐热度较差、工件材料的热膨胀系数较大以及两者的导热性较差的情况下，切削液的冷却作用显得更为重要。

切削液冷却性能的好坏，取决于它的导热系数、比热、汽化热、汽化速度、流量等。一般说，水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者之间而接近于水。

２、润滑作用

金属切削时切屑、工件与刀具间的摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界摩擦三类。真正的干摩擦只发生在绝对清洁的摩擦表面间，摩擦系数很大。采用切削液以后，其润滑作用有所提高，进一步降低摩擦系数，使切削过程进行得更顺利，达到提高切削效果的目的。

切削液的润滑作用，只是在切屑、工件和刀具界面存在油膜形成流体润滑摩擦时，才能得到比较好的效果。但在金属加工过程中，大多数属于边界摩擦。一般的切削油在２００℃左右失去其润滑能力，因

切削液特性分析及其绿色优化措施

刘海渔　株洲职业技术学院

此只适用于低温低压边界润滑摩擦。

３、清洗作用

当金属切削中产生碎屑（如切铸铁）或磨粉（如磨削）时，要求切削液具有良好的清洗作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。为了增强切削液的渗透性、流动性，往往加入剂量较大的表面活性剂和少量矿物油，用大量的稀释比制成乳化液或水溶液，可以大大提高其清洗效果。为提高冲刷能力，及时冲走碎屑及磨粉，在使用中给予一定压力，保持足够的流量。

４、防锈作用

为了减少工件、机床、刀具受空气和水分等腐蚀，要求切削液具有一定的防锈作用。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的作用。在气候潮湿地区，对防锈作用的要求显得更为重要。

二、传统切削液供给系统存在的问题

１、制造成本增加

包括供给系统的清洗、维修及保护环境防止油雾污染所增加的设备等费用占总制造成本的７％～１７％，其中供给系统的成本又占了很大比例。据统计，切削液的消耗率是刀具费用的３～４倍，而且切削液的处理较为困难，处理费用昂贵。据德国专家预测，若考虑环保的要求，加工中采用传统切削液发生的相关费用约占生产加工总费用的１５％～３０％。

２、造成环境污染

切削液对环境的危害主要在于两个方面，其一是加工过程中切削液挥发、飞溅及渗漏会造成工作现场环境恶化，影响安全生产；其二是对水资源的污染，相应的治理费用较高。

３、损害工人健康

切削液对人体健康的危害首先在于其毒性。油基切削液在高速或重载切削条件下，产生高温化学反应，形成烟雾，释放有害气体和油雾，燃点和粘度越低，烟雾越重，而水基切削液汽化形成的微液滴等，均会刺激呼吸系统粘膜而引起炎症。切削液与人体直接接触，会诱发多种皮肤

病，损害工人健康。

４、切削液用量控制难

传统的切削液供液方法有浇注法、压力喷射法、喷雾法等，使用较大压力和流量的切削液覆盖到切削区，起到润滑、冷却、冲洗等作用。在加工条件发生变化时，如在更换工件、更换刀具等情况下，很难调整切削液用量。

５、清洗难度大

传统供给系统中的管线为不锈钢、铜、橡胶等材质，地沟由水泥抹成，不适合化学清洗。切削液流经的管内时间长了会形成黑色垢层，垢层具有一定的机械强度，但不太坚硬，这些给清洗工作造成很大难度。

三、绿色切削液系统的基本要求

研究开发绿色切削液系统的目的在于使切削液对人体健康和环境不造成危害，其废液经处理所含油成分回收后可安全排放，残留废油和添加剂在自然界可安全降解，不会对环境造成污染。供液装置成本低，易于安装，供液方式灵活；改进供液方法、优化供液参数，使供液量适当，冷却、润滑、防锈和清洗功能强。

研究开发绿色切削液的基本要求是：在切削液的配方组成（包括基础油与添加剂的选用）、配制方法及工艺、使用方法及设备、废液的循环利用及处理排放等各个环节中，应充分考虑健康及环境要求。为此，应当将整个切削液的研究、开发及应用作为一个有机整体，综合评判切削液对健康和环境的影响，使切削液在整个生命周期中对人体健康和环境的危害最小。

四、绿色切削液系统的优化措施

为了更好地改进切削液系统的使用性能，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。

１、切削液供给系统的优化１）最小润滑技术运用

最小润滑技术是一种介于湿式切削和纯粹干式切削之间的切削方式，又称为准干式切削。最小润滑技术采用喷雾冷却方式，它用极少的切削液而起到较好的冷却和润滑作用，是在切削刀具的切削刃上喷上一层润滑油，切削加工的时候，润滑油在

刀具和工件间形成一层油膜，保护刀具和工件，避免热量产生，提高工件加工精度，特别是在精密加工中。简单的说就是精密控制油量的喷油装置，通常分为外喷油和内喷油装置。外喷油装置是润滑油和压缩空气分别独立调节，压缩空气在喷嘴出口处将润滑油通过高速气流吹向切削刀刃，实现润滑作用。内喷油方式是直接将冷却气油雾通过主轴和刀具送入切削区域，对其进行冷却和润滑。

根据加工需要，可将外喷油和内喷油两种冷却润滑方式配合使用，效果更佳。最小润滑技术如果使用恰当，能保持刀具、工件、切屑干燥，避免了废物处理的麻烦。主要用于铸铁、钢、铝合金进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削和铝合金的端面铣削等。

２）集中冷却润滑系统

集中冷却润滑系统是把多台机械加工设备各自独立的冷却润滑装置合并为一个冷却润滑系统。这种系统的主要优点是：（１）延长切削液的使用寿命；（２）易于实现对切削液性能指标的自动控制，确保切削液质量；（３）废液量较少且便于集中处理，有利于保护生态环境；（４）便于维护、保养和管理；（５）便于切屑运输和进行集中处理等。

３）合理使用多种型式、多个数量的喷嘴

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，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。

２、绿色切削液的开发与应用１）绿色切削液基础油

基础油是油基切削液的主要成分，对切削液的性能有很大影响。油基切削液的生物降解性能也决定于基础油的生物降解性能。解决环保问题可通过改变切削液成分的方法，如用植物油代替矿物油来研制切削液。植物油是可再生的资源，可完全自然降解，对人和自然环境无危害性。与矿物油相比，虽然植物油的氧化和水解稳

定性以及抗老化性能较差，但挥发性低，在加入一定的抗氧化剂等添加剂后，性能能满足某些加工要求，因此有广阔的应用前景。另外也可用酯类油代替矿物油来研制切削液。现在国内外生产的各类酯类油中，生物降解率已可达到９０％～１００％，但价格较高。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。２）研究开发新型绿色切削液添加剂生物降解添加剂是指在较短时间内能被活性微生物（细菌）分解为ＣＯ２和Ｈ２Ｏ的添加剂。生物降解添加剂的重要特性是可降解、无毒，或至少不妨碍基础油的生物降

解性。绿色切削液添加剂的选择，既要考虑

添加剂本身的毒性、生物降解能力和对环

境的影响，也要考虑对基础油生物降解性

的影响和工况要求，这是绿色切削液配方

研究中最重要的问题。

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ＦｅＭｏＯ４Ｆｅ２Ｏ３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。

３）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。

五、结束语为适应绿色制造技术的发展趋势，实现切削加工过程的洁净化，在研究开发干切削加工技术的同时，应重视传统切削液系统的优化改造，研制先进的切削液供给系统以及有利于环境保护和人类健康、加工性能优越的新型绿色切削液。同时，通过改进供液方法，优化供液参数、加强使用管理等措施，可延长切削液使用寿命，减少切

削液使用量及废液排放量。