环保切削液的研究现状及发展趋势

王丽丹，陶桂宝，b，钟金龙

（重庆大学a.机械工程学院；b.机械传动国家重点实验室，重庆400044）

环保切削液的研究现状及发展趋势

王丽丹a，陶桂宝a，b，钟金龙a

（重庆大学a.机械工程学院；b.机械传动国家重点实验室，重庆400044）

面向绿色制造的环保型切削液的研究是未来金属切削液的发展趋势。综述了环保切削液的国内外研究现状，介绍了切削液的作用与分类，在满足加工性能与环境保护要求的基础上，分析了油基切削液和水基切削液的特点，最后对环保切削液的发展趋势进行了探讨。

切削液；环境保护；水基型；发展趋势

环境资源问题是当前人类面临的一个重要问题。对于绿色制造而言，就是实现资源利用最大化和环境影响最小化。切削液在制造加工当中起着至关重要的作用，尽管干式切削技术在某些加工工艺当中得到成功应用，但由于冷却性能较差及所应用工艺的限制，切削液的运用仍不可或缺。

在切削加工过程当中，为了减少摩擦带来的能量消耗，保证工件质量以及提高刀具寿命，切削液必须具有良好使用性能［1］。切削液广泛使用给我们带来巨大的经济效益的同时，也威胁着生态环境和人体健康［2］：未经处理的切削液当中，由于防锈剂磷酸钠的累积，会导致水质富营养化进而引发赤潮；杀菌剂苯酚的生物降解性较差，对水生物具有很大的危害；一些表面活性剂会使人体皮肤脱脂、红肿，甚至出现开裂、化脓的严重后果；亚硝酸钠和磷酸钠等添加剂对环境和人体危害非常大。因此，在满足加工性能的条件下，研究和开发性能优越、对环境友好、对人体无毒无害并且生物降解性好的环保切削液具有非常重要的现实意义［3］。

1　环保切削液的研究现状

切削液是切削加工的重要配套材料。在远古时代，人们就学会利用水进行降温来制造石器，使用动植物油来抛光盔甲。直到各类机床陆续涌现之后，金属切削液才开始有较大规模的应用。随着切削速度以及切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已经不能完全满足高速切削的需求。由于水的比热容比油大，此时人们重新开始审视水的优良冷却性。然而，因水的润滑性能和防锈性能不足，各种新的切削液产品和配方不断涌现，以实现切削加工中良好的润滑、冷却和防锈性能［4］。

20世纪90年代，绿色制造的概念逐步应用到各个领域，切削液的绿色化进程进一步加快。在美国和欧洲发达国家，以微乳液和全合成切削液为代表的水基切削液得到了广泛的应用。在日本，水基切削液的使用增长率更为明显。亚硝酸钠虽然具有优良的防锈作用，但是自发现其致癌性以来，各国逐步淘汰了含有亚硝酸钠的切削液。许多发达国家正积极开展环保型切削液的研究：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温度和表面光洁度；Ozcelik等［6］比较了在端铣AISI 316不锈钢时分别采用干切削和湿切削两种切削方式后的刀具寿命和磨损机理问题；Thepsonthi等［7］研究了切削液的用量问题，希望使用最小量的切削液满足加工要求；Thyssen公司同样研究了“微量润滑”技术的实际运用［8］。

我国同样非常重视环保切削液的研究与应用。目前，我国市场对于水基切削液的需求量逐渐增大，但国内针对切削液的环保性的研究仍相对落后。开发新型绿色环保切削液，减少环境污染，降低废液处理费用和满足绿色制造的要求是许多研究机构共同追求的目标。但由于我国绿色制造研究起步较晚，并且对切削液的绿色化程度的界定和评价要求比较模糊，因此，我国的绿色环保切削液研发仍处于初级阶段。

2　切削液的特点和选用

2.1切削液的作用

切削液是以浇注的方式进入到切屑形成区，起到润滑和冷却的作用。具体目的是：①提高工件的精度和表面质量；②延长刀具寿命；③带走切屑杂质；④迅速带走加工区域的热量；⑤起到工序间工件的防锈以及保护机床漆膜；⑥提高加工效率；⑦降低生产成本和能耗。因此，要求切削液具有冷却、润滑、清洗、防锈等多种功能［9］。

冷却作用：切削液依靠其热交换的能力，将切削时产生的热量迅速带走，防止刀具和工件发生热变形，提高刀具寿命和工件质量。

润滑作用：切削液在加工表面产生吸附作用并发生化学反应，形成很薄的润滑膜。这层润滑膜能减少刀具与切屑、刀具与工件表面之间的摩擦，抑制积屑瘤的产生，防止刀具切削刃的摩擦磨损［10］，同时提高工件的表面质量。

清洗作用：切削液当中的表面活性剂能将粒子从吸附表面带走，并在金属表面形成一层吸附膜，阻隔其进一步粘附，从而起到清洗作用。

防锈作用：切削液当中的防锈剂能吸附在金属表面，使其避免受到周围腐蚀介质的锈蚀，同时满足工序间的防锈要求。

2.2切削液的分类

按照不同的介质，切削液可分为油基切削液和水基切削液两种。主要类型见表1［1］。

使用时不需要用水进行稀释的切削液称作油基切削液。油基切削液一般润滑性良好，但冷却性能相较于水基切削液稍差，在高速切削加工过程中，由于发热量大，导致切削油产生烟雾、起火等现象，污染加工环境。用动植物油作为原料的油基切削液稳定性差且价格昂贵。现在则多以矿物油为原料辅以各种添加剂制成切削液。

表1　金属切削液的主要类型

水基切削液在使用前要用大量的水，按一定比例对原液进行稀释。由于其使用过程中不会产生易燃的危险，且价格相对便宜并同样满足加工要求，在国内逐渐获得广泛的应用。尤其是随着全球石油资源紧缺，水基切削液的研究有了更为广阔的应用前景。油基切削液和水基切削液的主要性能对比见表2。

2.3环保切削液的选用要求

从传统的切削液选择方式出发，人们最看重的主要是加工时间（time）、质量（quality）和成本（cost）。成本是指切削液成本、劳动力成本等。在一些发达国家对切削液进行选用时，不仅仅考虑的是其加工性能，更注重切削液对环境（environment）的影响和对资源（resource）的消耗。其中环境影响包括对人体健康以及生态等方面的影响，资源影响包括能量消耗、原材料消耗等。因此，在对环保切削液进行选择时，应从这5个方面进行综合考虑［11］，如图1所示。

表2　油基和水基切削液主要性能对比

图1　环保切削液的选择目标体系

3　环保切削液的发展趋势

资源、环境、健康三大问题已成为各界关注的焦点。为了适应现代装备制造业的飞速发展，满足更高的加工性能要求，绿色环保切削液出现了新的发展趋势［12］。

3.1研制高性能、无毒无害的添加剂

为了使切削液的作用得到稳定发挥，必须加入表面活性剂、防锈剂、杀菌剂等各种添加剂。而无毒型添加剂，即环保型生物降解添加剂是目前研究的重点。硼类极压剂是新型的抗磨添加剂，与其他添加剂复合制备的润滑脂有优良的性能，正成为目前开发的热点［13-14］。生物表面活性剂是微生物产生的一种物质，它无毒无害，具有良好的生物稳定性，并且可降解［15］。因此，开发性能优越、无毒无害并且环保的生物降解添加剂是未来必然的发展方向。

3.2研究更为有效的供液方式

通常采用的切削液供液方式为浇注法，即将切削液以一定压力、一定流量浇注到切削加工区域，降低切削区温度，达到润滑和冷却的目的。但当加工方式或加工材料发生变化时不会根据具体的参数进行切削液供液的用量调整，这无疑使切削液的利用率降低，造成无谓的浪费，并且增加了加工及废液处理成本。因此在开发绿色环保切削液的同时，研究更为有效的供液方式，对于延长切削液的使用寿命、降低维护成本、降低废液排放、实现绿色制造具有重要的意义。“微量润滑”加工技术使用少量的切削液液流或者气雾作用加工区域，以达到冷却和润滑的目的，同时也实现了资源的有效利用［16］。

3.3切削液废液处理技术

未经有效处理的切削液直接排放会造成水质、土壤、大气等生态污染。对于可回收的切削液，最为有效的处理方式之一就是建立切削液循环系统，将每台机床受污染的切削液汇集到一起，将切屑等杂质进行集中过滤处理后再分别将洁净的切削液运送到每台机床进行循环加工。这一模式在国外机械加工企业已得到普遍运用。对于不能回收的切削液，必须使其达到国家排放标准，减少有毒物质在生态中的积累。

3.4油基切削液向水基切削液转换

油基切削液润滑性良好，但冷却性能相较于水基切削液稍差。由于高速切削时产生大量的热，切削区温度过高易导致切削油产生油雾，污染生产环境，甚至引起火灾。水基切削液有利于生产环境的清洁和安全，同时具有优良的冷却性和清洗性，且成本较低。目前许多企业希均通过采用同样满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，面向绿色制造的切削液的开发及合理选择成为许多科研机构和企业目前关注的主要问题。

4　结束语

目前，许多国内外学者正致力于研究一些非传统切削液的加工方式，希望减少或者消除对环境的影响。但是从研究结果上来看，无论是液氮冷却、干切削或者喷气冷却，在发挥其优势的同时也有一定的局限性。例如采用以上3种方式进行加工时，由于润滑性不佳，或多或少要使用一些润滑剂；加工完成后，必须再进行防锈处理的工序，而防锈剂同样也会对环境造成污染。因此，切削液的使用仍不可或缺。研究和开发高效绿色环保型水基切削液以满足日渐苛刻的生产要求，完善切削液废液处理方式，研究更为有效的切削液供液方式，实现切削液的绿色使用与管理和实现切削液“以水代油”的转换都具有重要意义。

［1］叶茂盛.金属切削液［M］.北京：机械工业出版社，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］吴志桥，辛田，韩生.绿色环保型金属切削液研究进展［J］.上海化工，2011，36（8）：29-34.

［4］李淑芬，赵永武.新型复合硼酸酯环保型防锈切削液的研制［J］.江南大学学报，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］刘镇昌.切削液技术［M］.北京：机械工业出版社，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］李玮，马涛，林广山.水基金属切削液的研究现状及发展趋势［J］.工具技术，2010，44（6）：6-9.

［13］胡晓兰，梁国正.硼酸酯水解稳定性与应用［J］.材料导报，2002，16（1）：58-60.

［14］刘菁，胡子文，宋岷尉，等.氨基硅烷与硼酸酯复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.浅谈绿色表面活性剂及其应用［J］.科技资讯，2009（7）：20-21.

［16］张春燕，周坚，丁志东.最小量润滑MQL切削中的关键技术［J］.科技信息，2011，21（2）：404.

（责任编辑刘舸）

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

国家科技支撑计划资助项目（2012BAF01B02）

王丽丹（1988—），女，硕士研究生，主要从事绿色制造研究；通讯作者陶桂宝，男，副教授，主要从事绿色制造研究。

王丽丹，陶桂宝，钟金龙.环保切削液的研究现状及发展趋势［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，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.