清潔機械加工的應用研究

孫立中

(浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000)

清潔機械加工的應用研究

孫立中

(浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000)

摘要：基于環境保護的生態加工技術和國家清潔生產促進法的要求，機械加工行業應該從保護環境的目的出發，深入研究改善生產環境、節省能源、保障人體健康和降低加工成本的加工技術。金屬切削加工過程中，在既不縮短刀具使用壽命也不影響加工表面質量的前提下，使切削液的使用量達到最少。研究開發使用微少量可自然降解油劑加水等形態的切削液的新型切削加工方法及設備，是一種行之有效的清潔生產技術，很有發展前途。

關鍵詞：清潔生產；切削液；微少量潤滑；環境保護

在金屬切削加工過程中，為了提高切削加工的性能、效率和品質，減少刀具磨損，在加工過程中往往需要大量使用切削液澆注在切削區。切削液起到冷卻、潤滑、清洗、排屑及防銹的作用，然而，隨著環境保護和安全生產意識的增強，人們對使用切削液帶來的負面影響的認識逐漸加深，使用切削液不僅增加了制造成本，對環境造成污染，而且直接損害操作人員的身體健康。有研究稱切削液的使用費用占總制造成本的16.9%，而刀具成本僅占總制造成本的7.5%[1]。

就機械加工而言，加工廢液是廢水處理中較難處理的一種，如乳化液、可溶液和溶解液等傳統切削液中含有有害的亞硝酸鹽、鉻酸鹽和氯化合物等成分的添加劑，這些添加劑不易自然降解，而且加工廢液難以回收利用，如果處理不當，會對環境造成污染，切削液本身也會對操作人員的健康造成威脅，誘發多種疾病。

因此，近年來提出了清潔生產、綠色制造的概念，政府為此制定了相關的法律法規。機械加工要從保護環境的目的出發，研究開發可自然分解，無廢液排放或不需處理，價格低廉，有良好潤滑和冷卻特性的新型加工液[2]，如開發使用“微量油膜附水滴”等形態的生態加工液，成為必然趨勢。研究改善生產環境、節省能源、保障人體健康和降低加工成本的新型加工方法和加工技術及設備很有發展前途[3]。

1微量油膜附水滴切削液

微量油膜附水滴是指金屬切削加工過程中，在既不縮短刀具使用壽命，也不影響加工表面質量的前提下，使切削液的使用量達到最少的潤滑技術[4]。如圖1所示，其原理是根據油脂的界面化學反應方式，可自然降解油劑的油分子(菜油)會一個一個地并排吸附在水的界面上，將壓縮空氣與少量的易自然降解的油劑混合汽化后，由于油分子中的親水基和疏水基的擴張性，即油分子中的負離子和陽離子的擴張性，成千上萬個油分子吸附的結果是使水分子的界面上形成一層細小的微米級油霧，然后噴向切削區，對刀具與切屑及刀具與工件的接觸界面進行潤滑，以減少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同時也冷卻了切削區(油霧在切削區汽化也會吸收不少切削熱)并有利于排屑，從而顯著地改善切削加工條件，加工后刀具、工件和切屑都保持在干燥狀態，切屑無需處理便可回收利用，達到環保及降低成本的目的。

圖1　微量油膜附水滴冷卻、潤滑示意圖

2微量油膜附水滴切削液生成裝置

要使自然降解油劑的油分子(菜油)一個一個地并排吸附在水滴的界面上而形成油膜，就應合理地設計噴嘴。滿足噴嘴尾部能同時通過空氣、油劑和水，噴嘴腔中三者可結合形成微量油膜附水滴切削液，噴嘴端口部分實現連續噴射。借鑒有關設計原理，設計如圖2所示的多段式噴嘴，生成微量油膜附水滴切削液，實現連續噴射[5]。

圖2　微量油膜附水滴切削液生成示意圖

虹吸裝置示意圖如圖3所示，當壓縮空氣高速流過虹吸管口時，虹吸管口會形成局部真空，產生負壓，從而能把裝在容器中的油劑或水吸入。在虹吸管上安裝調壓閥來控制油劑或水的流量。

圖3　虹吸裝置示意圖

微量油膜附水滴切削液生成裝置示意圖如圖4所示，空氣壓縮機產生一定壓力的壓縮空氣，分別通過裝有水和可自然降解的植物油(菜油)的容器管口，在負壓的作用下，將容器中的水和可自然降解的植物油輸出到多段式噴嘴中，使壓縮空氣、水和油劑在噴嘴腔內充分霧化，并經過多段式噴嘴后形成微量油膜附水滴切削液，在壓縮空氣的作用下，切削液以一定速度噴射到切削加工區。

圖4　微量油膜附水滴切削液生成裝置示意圖

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壓縮空氣的作用下噴射到加工區后，由于水滴表面油膜的擴張性，使最初到達工件表面的油膜起到潤滑和減磨作用，從而產生良好的潤滑和排屑效果。又由于油膜附水滴進入切削區后，吸收切削熱，微小的切削液滴迅速沸騰、汽化、脫離，從而帶動切削液滴劇烈翻動進一步汽化，細小水珠相變帶走大量的熱，提高了散熱能力，而油劑吸附在加工表面上起到較好的防銹和潤滑作用。切削試驗研究發現，在壓縮空氣的壓力條件為 2～3 MPa、油劑流量為10～20 mL/h(壓力為0.3～0.5 MPa)、水流量為1～2 L/h(壓力為0.8～1 MPa)時，在降低切削力、延長刀具壽命和提高工件表面質量方面的效果最好。傳統澆注式切削液澆注時是很難進入切削區的，即使少量的切削液滲透進入切削區后遇到高溫壁面，液體產生層狀汽化，汽化層會把加工刀具與冷卻介質相對分隔，也得不到較好的冷卻，因而對刀具壽命和切削力等帶來影響。在同等切削加工條件下，微量油膜附水滴切削液的消耗量與傳統澆注法的切削液消耗量之比為1∶120[6]。

4結語

采用微量油膜附水滴技術可省去傳統的切削液廢液處理設施，降低了加工切削力，減小了刀具的磨損，提高了工件表面的加工質量，從而降低了生產成本，且切屑回收率達100%。微量油膜附水滴切削液供液裝置成本低、易于制造安裝、供液方式靈活，該種新型的綠色切削液很有發展前途，使用該種切削液是一種行之有效并且清潔的機械加工技術。

參考文獻

[1] 路冬,李劍峰,李方義，等.綠色切削加工技術的研究現狀與發展[J].工具技術，2005(3):3-6.

[2] 王君,丁飛彪,高俊.淺談綠色機械加工技術的應用與發展[J].科技與企業，2013(2):258-259.

[3] 石世發，王彪，王棟，等.微量油膜附水冷卻潤滑技術在準干式深孔中的應用[J].煤礦機械，2011(7)：123-124.

[4] 魏源遷，錢怡，王愛玲，等. 微量油膜附水滴切削液的研究[J]. 中國機械工程，2004(4): 295-296，312.

[5] 郭以偉.微量油膜附水滴冷卻潤滑機理應用試驗研究[D].太原：中北大學，2008.

[6] 周春宏,趙汀,姚振強.最少量潤滑切削技術(MQL)——經濟有效的綠色制造方法[J]. 機械設計與研究,2005(5):81-83.

責任編輯鄭練

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

作者簡介：孫立中(1968-)，男，實驗師，高級技師，主要從事機械制造等方面的教學與研究。

中圖分類號：TG 501.5

文獻標志碼：B