清洁机械加工的应用研究

孙立中

(浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

清洁机械加工的应用研究

孙立中

(浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

摘要：基于环境保护的生态加工技术和国家清洁生产促进法的要求，机械加工行业应该从保护环境的目的出发，深入研究改善生产环境、节省能源、保障人体健康和降低加工成本的加工技术。金属切削加工过程中，在既不缩短刀具使用寿命也不影响加工表面质量的前提下，使切削液的使用量达到最少。研究开发使用微少量可自然降解油剂加水等形态的切削液的新型切削加工方法及设备，是一种行之有效的清洁生产技术，很有发展前途。

关键词：清洁生产；切削液；微少量润滑；环境保护

在金属切削加工过程中，为了提高切削加工的性能、效率和品质，减少刀具磨损，在加工过程中往往需要大量使用切削液浇注在切削区。切削液起到冷却、润滑、清洗、排屑及防锈的作用，然而，随着环境保护和安全生产意识的增强，人们对使用切削液带来的负面影响的认识逐渐加深，使用切削液不仅增加了制造成本，对环境造成污染，而且直接损害操作人员的身体健康。有研究称切削液的使用费用占总制造成本的16.9%，而刀具成本仅占总制造成本的7.5%[1]。

就机械加工而言，加工废液是废水处理中较难处理的一种，如乳化液、可溶液和溶解液等传统切削液中含有有害的亚硝酸盐、铬酸盐和氯化合物等成分的添加剂，这些添加剂不易自然降解，而且加工废液难以回收利用，如果处理不当，会对环境造成污染，切削液本身也会对操作人员的健康造成威胁，诱发多种疾病。

因此，近年来提出了清洁生产、绿色制造的概念，政府为此制定了相关的法律法规。机械加工要从保护环境的目的出发，研究开发可自然分解，无废液排放或不需处理，价格低廉，有良好润滑和冷却特性的新型加工液[2]，如开发使用“微量油膜附水滴”等形态的生态加工液，成为必然趋势。研究改善生产环境、节省能源、保障人体健康和降低加工成本的新型加工方法和加工技术及设备很有发展前途[3]。

1微量油膜附水滴切削液

微量油膜附水滴是指金属切削加工过程中，在既不缩短刀具使用寿命，也不影响加工表面质量的前提下，使切削液的使用量达到最少的润滑技术[4]。如图1所示，其原理是根据油脂的界面化学反应方式，可自然降解油剂的油分子(菜油)会一个一个地并排吸附在水的界面上，将压缩空气与少量的易自然降解的油剂混合汽化后，由于油分子中的亲水基和疏水基的扩张性，即油分子中的负离子和阳离子的扩张性，成千上万个油分子吸附的结果是使水分子的界面上形成一层细小的微米级油雾，然后喷向切削区，对刀具与切屑及刀具与工件的接触界面进行润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区(油雾在切削区汽化也会吸收不少切削热)并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件，加工后刀具、工件和切屑都保持在干燥状态，切屑无需处理便可回收利用，达到环保及降低成本的目的。

图1　微量油膜附水滴冷却、润滑示意图

2微量油膜附水滴切削液生成装置

要使自然降解油剂的油分子(菜油)一个一个地并排吸附在水滴的界面上而形成油膜，就应合理地设计喷嘴。满足喷嘴尾部能同时通过空气、油剂和水，喷嘴腔中三者可结合形成微量油膜附水滴切削液，喷嘴端口部分实现连续喷射。借鉴有关设计原理，设计如图2所示的多段式喷嘴，生成微量油膜附水滴切削液，实现连续喷射[5]。

图2　微量油膜附水滴切削液生成示意图

虹吸装置示意图如图3所示，当压缩空气高速流过虹吸管口时，虹吸管口会形成局部真空，产生负压，从而能把装在容器中的油剂或水吸入。在虹吸管上安装调压阀来控制油剂或水的流量。

图3　虹吸装置示意图

微量油膜附水滴切削液生成装置示意图如图4所示，空气压缩机产生一定压力的压缩空气，分别通过装有水和可自然降解的植物油(菜油)的容器管口，在负压的作用下，将容器中的水和可自然降解的植物油输出到多段式喷嘴中，使压缩空气、水和油剂在喷嘴腔内充分雾化，并经过多段式喷嘴后形成微量油膜附水滴切削液，在压缩空气的作用下，切削液以一定速度喷射到切削加工区。

图4　微量油膜附水滴切削液生成装置示意图

3微量油膜附水滴切削液的使用

微量油膜附水滴切削液在压缩空气的作用下喷射到加工区后，由于水滴表面油膜的扩张性，使最初到达工件表面的油膜起到润滑和减磨作用，从而产生良好的润滑和排屑效果。又由于油膜附水滴进入切削区后，吸收切削热，微小的切削液滴迅速沸腾、汽化、脱离，从而带动切削液滴剧烈翻动进一步汽化，细小水珠相变带走大量的热，提高了散热能力，而油剂吸附在加工表面上起到较好的防锈和润滑作用。切削试验研究发现，在压缩空气的压力条件为 2～3 MPa、油剂流量为10～20 mL/h(压力为0.3～0.5 MPa)、水流量为1～2 L/h(压力为0.8～1 MPa)时，在降低切削力、延长刀具寿命和提高工件表面质量方面的效果最好。传统浇注式切削液浇注时是很难进入切削区的，即使少量的切削液渗透进入切削区后遇到高温壁面，液体产生层状汽化，汽化层会把加工刀具与冷却介质相对分隔，也得不到较好的冷却，因而对刀具寿命和切削力等带来影响。在同等切削加工条件下，微量油膜附水滴切削液的消耗量与传统浇注法的切削液消耗量之比为1∶120[6]。

4结语

采用微量油膜附水滴技术可省去传统的切削液废液处理设施，降低了加工切削力，减小了刀具的磨损，提高了工件表面的加工质量，从而降低了生产成本，且切屑回收率达100%。微量油膜附水滴切削液供液装置成本低、易于制造安装、供液方式灵活，该种新型的绿色切削液很有发展前途，使用该种切削液是一种行之有效并且清洁的机械加工技术。

参考文献

[1] 路冬,李剑峰,李方义，等.绿色切削加工技术的研究现状与发展[J].工具技术，2005(3):3-6.

[2] 王君,丁飞彪,高俊.浅谈绿色机械加工技术的应用与发展[J].科技与企业，2013(2):258-259.

[3] 石世发，王彪，王栋，等.微量油膜附水冷却润滑技术在准干式深孔中的应用[J].煤矿机械，2011(7)：123-124.

[4] 魏源迁，钱怡，王爱玲，等. 微量油膜附水滴切削液的研究[J]. 中国机械工程，2004(4): 295-296，312.

[5] 郭以伟.微量油膜附水滴冷却润滑机理应用试验研究[D].太原：中北大学，2008.

[6] 周春宏,赵汀,姚振强.最少量润滑切削技术(MQL)——经济有效的绿色制造方法[J]. 机械设计与研究,2005(5):81-83.

责任编辑郑练

Research on Application of Clean Machining

SUN Lizhong

(Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

Abstract:Based on the requirements of environmental protection technology and the national cleaner production promotion law, mechanical processing industry should start from protecting environment, research on improving the production environment, energy saving, protection of human health and reduce processing costs in-depth. In the metal cutting process, under the condition of neither shortening tool life, nor affecting the processing the quality of the surface, realized minimum cutting fluid. Development and using small amount are new cutting method of cutting fluid natural degradation of oil water form, and it is a kind of effective clean production technology, which is very promising.

Key words:cleaner production, cutting fluid, small quantity lubrication, environmental protection

收稿日期：2014-05-30

作者简介：孙立中(1968-)，男，实验师，高级技师，主要从事机械制造等方面的教学与研究。

中图分类号：TG 501.5

文献标志码：B