切削液的綠色發(fā)展

1、序號： 編碼： 第十四屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽作品申報書 作品名稱： 切削液的可持續(xù)發(fā)展 學院名稱： 機械工程 申報者姓名 （集體名稱）： 類別：自然科學類學術論文哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術論文科技發(fā)明制作A類科技發(fā)明制作B類 摘要 切削液的使用是尺寸精度控制和表面質(zhì)量提高的關鍵因素，但由于其大量的使用會給環(huán)境和人體帶來很大的危害。本文詳細論述了切削液在金屬切削中的作用，深入的介紹了傳統(tǒng)切削液的種類及其使用情況，提出了幾種當今機械行業(yè)較為先進的綠色加工技術及綠色添加劑的使用，最后總結了未來切削液的發(fā)展動向。切削液不應該因為其污染問題而受到排斥，未來的方向是不斷地改良切削液成

2、分，研究新型高效無毒的添加劑，建立合理的在線循環(huán)利用系統(tǒng)，真正的把切削液的應用提到可持續(xù)發(fā)展的高度上來。關鍵詞： 切削液 污染 綠色加工 可持續(xù)ABSTRACTThe use of cutting fluid is the key factor to control the dimension precision and surface quality improved, but because of its extensive use will do great harm to the environment and human body.This article discusses in

3、detail effect of cutting fluid in metal cutting, further introduces the types of traditional cutting fluid and its using situation, proposed the use of several of today's machinery industry green machining technology is more advanced and green additives, finally summarized the development trends

4、 of future cutting fluid.Cutting fluid should not be because of the problems of pollution and exclusion, the future direction of cutting fluid composition is improved constantly, the additive model of efficient non-toxic, establish online recycling system reasonably, really put the cutting fluid app

5、lication reference to sustainable development level.Keyword：cutting fluid pollution green machine sustainableIII目錄摘要.ABSTRACT.緒論.1第1章 切削液在機械加工中作用.21.1冷卻作用.21.2潤滑作用.21.3其它作用.3第二章切削液的種類.42.1油性切削液.42.2水基切削液.52.3合成與半合成切削液.6第3章 傳統(tǒng)切削液的危害.73.1生態(tài)環(huán)境.73.2人體健康.7第4章 綠色加工技術.84.1干切削.84.2準干切削.94.3植物基切削液的使用.10第5章 綠

6、色添加劑.125.1硼酸脂類添加劑.125.2鉬酸鹽系列添加劑.12第6章 總結.13第7章 參考文獻.14緒論 今天的制造業(yè)講究的是高效率、高質(zhì)量、低成本，就要不斷地提高切削速度、進給量和背吃刀深。這同時由于刀具和工件的摩擦，切削熱的大量增加也是不可避免的，這使產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，尺寸精度和表面光潔度受到嚴重影響。切削液的使用可以起到潤滑、冷卻、減小切學力等效果，不僅能得到較好的表面質(zhì)量，控制尺寸精度，還能收到很好的美學效果。金屬切削液占整個機械加工液總量的52%，在鉆、銑、磨、軋等加工過程中是必不可少的。但是其對環(huán)境和人體的傷害是很大的，企業(yè)在廢液排放時必需經(jīng)過嚴格的物理化學處理，通常要經(jīng)

7、過24級處理才能保證排放后對環(huán)境沒有太大的污染。處理程序繁瑣、難度大，這使整個產(chǎn)品的生產(chǎn)成本大大提高，在歐美國家，切削液的成本、維護、處理費用占到總成本的16%以上。如何解決切削液的污染處理問題？如何執(zhí)行綠色切削原則？成了機械行業(yè)發(fā)展的關鍵點?，F(xiàn)今出現(xiàn)了很多綠色切削的方法，例如：干切削、植物基油液、微潤滑技術等。但其適用范圍都各有一定的局限性。本文主要是通過查閱大量中外文獻的方式來歸納總結綠色切削液的發(fā)展動向，對綠色切削理念進行全面的闡述。第一章 切削液在機械加工過程中的作用 1907年，Taylor發(fā)現(xiàn)使用水作冷卻液時，高速鋼刀具切削可以將切削速度增加40%。但是水也會加速刀具和工件的腐蝕速

8、度。從那以后，人們一直在追求集成潤滑、防腐、冷卻功能的最佳切削液。1.1 冷卻作用 在進行金屬切削加工時，工件和刀具表面相互摩擦，切削區(qū)的溫度會集聚升高。隨著切削速度的增加，切削熱也會不斷升高，加速刀具的粘接磨損和擴散磨損，將會降低刀具的壽命。比熱容大的切削液能帶走大量的熱，從而延長了刀具的壽命。此外，液體具有較低的膜系數(shù)，表面張力較低，能夠維持工件和刀具表面的濕度。1.2 潤滑作用 切削液在工件和刀具之間形成很薄的膜層，可以減小工件和刀具表面的接觸。減少摩擦，切削熱也會減小，改善了刀具的磨損和粘結問題。潤滑液減小了刀具前刀面的摩擦，加大了剪切角，使得切屑薄而卷，便于排屑。但在高速切削中，可能

9、會因為溫度過高而導致切削液蒸發(fā)。潤滑性很好的切削液非常適合于低速切削，加工難材料的加工。1.3 其它作用 切削液在使用過程中不斷的沖刷工件和刀具，切屑和金屬粉末容易被切削液帶走，防止切屑的堆積對加工過程和已加工表面的影響。所以切削液的粘度和流動性也是切削液質(zhì)量的判斷標準。在切削液中加入合適的添加劑，例如有機硼酸脂等，可以大大減小抗腐蝕性和防銹能力。此外，在應用了切削液以后，切削力會降低。第2章 切削液的種類 切削液最初是被認為是簡單的油，用刷子刷來給機床潤滑和冷卻用的。隨著切削的條件越來越苛刻，切削液的配方也變得很復雜。切削液的分類方法很多，一般分為油、氣和水基三類，如圖2.1。2.1 油性切

10、削液油基潤滑劑是來自礦物，動物，植物，和合成油。由于礦物油其理想的潤滑特性，在傳統(tǒng)切削液中，礦物油（石油）占主導地位。為了增強其應用性能，通常還加入一些添加劑，例如脂肪油，香味劑和一些極壓添加劑。礦物基油液主要是由于潤滑工件和刀具表面，減小摩擦，降低切削熱的產(chǎn)生。潤滑作用同時也減少了前刀面的磨損，在已加工表面形成油膜也可以降低切屑劃傷的影響。還對機床和刀具起到防腐功能。礦物油在潤滑性能上很好，但是由于其易燃性的缺點不適合在高載荷，高切削溫度中使用，因為高溫加速油液的蒸發(fā)形成油霧油煙。2.2 水基切削液 通常，水基切削液是有溶膠產(chǎn)品和水混合以后形成溶液才能使用的。水和油的比例一般為30：1。加入

11、的乳化液能乳化油液使其分解與水完全混合。乳化性能的穩(wěn)定是這種切削液的關鍵因素。水表現(xiàn)出的優(yōu)良性能是冷卻，油液則是避免水對工件和刀具的氧化。水基油液非常適合于高速切削，切削熱較高的加工過程。溶液的優(yōu)點主要在沒有火災危險且形成的油煙油霧較少。此外，它的成本是很低的。但是，由于溶液中含有大量的水細菌、酵母菌、真菌可以生存，這將會破環(huán)溶液的穩(wěn)定性，使熔劑和熔劑混合不均。當然也可以添加一些抗菌劑，但這對操作者是有害的。2.3 合成與半合成切削液 合成切削液是各種添加劑的組合，用水作為溶劑，按一定的比例稀釋而成，沒有添加礦物油。有機和無機化學合成物可以軟化水，提高耐腐蝕性、潤滑性，減小表面張力，促進融合。

12、合成切削液在冷卻性能上很優(yōu)越，但由于缺少油性成分起潤滑特性較差。這決定了合成切削液主要適用于切削力低，切削速度高的加工場合。 半合成切削液則是在合成切削液的基礎上添加油性溶質(zhì)和一些能減小油性微粒的添加劑，以使其獲得良好的潤滑效果。各種半合成切削液的礦物油含量不同通常是10%50%之間。合成切削液和半合成切削液在冷卻性能上都是很好的，腐蝕率也相對要低一些。第三章 傳統(tǒng)切削液的危害 在過去，人們?yōu)榱烁叩漠a(chǎn)量、質(zhì)量和效率，不斷地提高切削速度、進給量和背吃刀量，這使得切削液的使用大大增加。同時，為了集潤滑、冷卻、抗腐蝕、穩(wěn)定等優(yōu)良特性于一種切削液中，導致大量的有害添加劑被頻繁使用，例如亞硝酸鹽、甲醛

13、、硫、氯、磷等。給加工者的工作環(huán)境帶來的了隱患，同時排放的廢液得不到很好的處理對生態(tài)環(huán)境造成了惡劣的影響。3.1 環(huán)境污染 切削液本身的污染是不大的，造成污染的最大因素時添加了大量的化學添加劑，他們在排放處理過程中式很難完全處理掉，通常要經(jīng)過3級物理化學處理。處理難度大，處理費用高，所以過去國內(nèi)很多企業(yè)都是直接排放到環(huán)境中去。大量的氯、磷、硫會直接參透到地下水中，危險的人們的飲用水質(zhì)量。同時，在湖、河里的化學添加劑富集多后會直接導致水生生物死亡、赤潮等嚴重生態(tài)問題。3.2 人體健康 在切削加工過程中油性切削液會蒸發(fā)，切削溫度越高蒸發(fā)的速度越快，如果溫度過高時還會導致油煙的產(chǎn)生。油煙和油霧對人體

14、都是有害的。有些添加了甲醛的切削液會刺激鼻眼，加工者接觸到會導致皮膚組織壞死。長期工作在這樣的工作環(huán)境內(nèi)容易導致職業(yè)疾病。第四章 綠色加工技術進入二十一世紀以后，隨著人們的環(huán)境保護意識逐漸增強，對環(huán)境有害的切削液也慢慢被拋棄，對新型、高效、綠色切削液的研究成為了機械行業(yè)的重要課題。4.1 干切削 金屬切削污染的根本源頭是切削液的使用，如果能夠避免切削液的使用，那么切削污染的問題就基本不存在了。干切削正是一種不需要切削液的新技術。從人們意識到切削液帶來的污染問題后，干切削的概念就被提出來了，早在2003年，德國的干切削加工就已經(jīng)占總金屬切削的20%了，其干切削技術引領著世界水平，在切削液成本占總

15、生產(chǎn)成本16%的情況來看，這無疑給德國在環(huán)保和經(jīng)濟上帶來的巨大的利益。由于干切削技術不使用切削液，所以切削條件比較苛刻，對刀具材料、機床配置、冷卻系統(tǒng)要求很嚴格；（1）干式切削刀具材料應具備更高的耐熱性和熱韌性，良好的耐熱沖擊性、抗粘結性及高的耐磨性。硬質(zhì)合金，陶瓷及金屬陶瓷，立方氮化硼（CBN），聚晶金剛石（PCD）等都具有良好的干切削性能。對刀具表面進行涂層處理也是一種提升刀具壽命，控制加工精度的先進技術，如德國的Guhring公司開發(fā)的“Movic”軟涂層工藝，它實質(zhì)上是固體潤滑劑（MOS2）和刀具相結合后在刀具表面形成了良好的滑動表面，因此具有較好的潤滑功能，在切削加工中可使切屑與排屑

16、槽之間的摩擦降到很?。ㄒ话阒挥?.01左右）。此外刀具的幾何參數(shù)也有要求，盡量減少刀具與工件表面的接觸。（2）干切削中切屑能帶走95%的切削熱，降低切削區(qū)30%的溫度，所以合理的排屑裝置很重要。工件應保持在室溫下加工，應有良好的通風系統(tǒng)。（3）在加工過程中，由于不使用切削液，所以對冷卻系統(tǒng)的要求更高?？刹捎脟姎饫鋮s的方法，利用液氮冷卻的方法，最低冷卻溫度可達-45。由于不使用切削液，保持了切屑、刀具、工件的干燥，減少了廢物的處理過程，必要時還便于回收切屑。4.2準干切削 準干切削技術不同于干切削技術的最大不同點在于使用了切削液，但其使用切削液的量很少，比起傳統(tǒng)的濕切削來說，用量最低可達濕切削的

17、1/10000?，F(xiàn)今的準干切削技術主要有微量油膜附水滴切削、低溫切削、微潤滑切削等方面。（1）微量油膜附水滴切削的應用機理是物質(zhì)的相變帶來能量的吸收釋放原理。切削液、水、空氣經(jīng)混合霧華后噴灑在切削區(qū)，霧滴落在工件刀具表面會形成汽化中心，氣泡脫離，且?guī)屿F滴液體翻動，加速霧滴的汽化，發(fā)生相變，從而帶走切削區(qū)的熱量。（2）低溫切削是指對切削區(qū)進行降溫處理，在低溫環(huán)境下進行切削加工的金屬加工技術。根據(jù)采用的介質(zhì)不同有可分為低溫冷風切削和液氮冷卻切削。液氮冷卻是指在壓力作用下，將氮氣發(fā)生裝置生成的氮氣以液態(tài)的形式送入切削區(qū)，汽化吸熱達到冷卻效果。低溫冷卻技術是將混有微量植物性潤滑劑的低溫冷風經(jīng)由風嘴噴

18、向切削區(qū)的技術，它可以大大降低切削區(qū)的溫度，同時引發(fā)工件材料的低溫脆性，使切削加工便于進行。（3）微潤滑技術又稱MQL(Minimal Quantity Lubrication)，是一種先進的綠色加工技術，其機理是在壓縮空氣中混入微量的無公害油霧來對切削區(qū)進行冷卻潤滑。切削液以高速霧粒的形式進行供給，增加了切削液的滲透性，提高了冷去潤滑效果。準干切削是傳統(tǒng)濕式切削向干切削的過渡，在解決干切削的潤滑冷卻問題時，也集成了濕式切削的優(yōu)點。在干切削在實際應用上還有很大的難度，且使用范圍較小，在現(xiàn)在和將來一段時間內(nèi)，準干切削技術將會有很大的提高進步。4.3 植物基切削液的使用 傳統(tǒng)的油性切削液在生態(tài)環(huán)境

19、中是很難降解的，其在土壤河流中存留的時間很長，微生物很難將其分解。而保護環(huán)境的呼聲越來越強烈，可降解的切削液必須被研究出來代替?zhèn)鹘y(tǒng)油性切削液。植物基油液正是很好的選擇。植物油基切削液主要成分是從植物中提取出來的，其是由3個長鏈的甘油分子附著在一個羥基上所形成的甘油三酯其分子式如圖4.1。植物油基切削液在未來的發(fā)展優(yōu)勢主要有以下三點；（1）實際上植物油比起礦物油其潤滑特性要好得多，它在工件和刀具表面形成的潤滑膜層不易破裂。在重負荷下進行金屬加工，不添加極壓添加劑也能正常使用，因為其分子結構本身就是極性的。（2）植物油和礦物油在相同的環(huán)境條件下，前者的降解率更高（圖4.2）。對環(huán)境保護方面植物油基

20、無疑是很好的選擇，同時它對人體的危害更小。（3）植物油基切削液是可再生的，從植物中提取出來，排放到環(huán)境中被細菌分解后仍能被植物吸收利用，是可再生資源，而且其碳循環(huán)模式是封閉的，而礦物油基的碳循環(huán)是開放的。不會加重地球上的碳循環(huán)失調(diào)。第五章綠色添加劑 不論是什么樣的切削液，沒有添加劑的作用，在切削加工中是很難達到預期的效果的。耐磨抗壓、防腐蝕、防銹等性能都需要添加劑的輔助，而往往這些添加劑都會加重切削液的污染能力。例如極壓抗磨劑硫、磷、氯等元素對水的污染很嚴重，亞硝酸鈉則用來防腐蝕，其具有強烈的致癌性。所以在控制切削液的污染時，添加劑是一大考慮因素。大力研究無毒高效的添加劑也是一大熱點。目前，存

21、在的綠色添加劑有很多，主要的有硼酸脂類添加劑和鉬酸鹽系列緩蝕劑等。5.1 硼酸脂類添加劑 它是作為一種新型的減摩抗磨劑使用，毒性低，極壓潤滑性好，并兼有防銹、抗菌等功能，是一種特殊的表面活性劑。其在工件和刀具表面形成的油膜層強度高不易破裂。硼酸脂類添加劑是一種集多種功能于一身的環(huán)保型添加劑。5.2鉬酸鹽類系列添加劑 鉬酸鹽是陽性的緩蝕劑，研究表明，使用鉬酸鹽做添加劑時，能在工件和刀具表面生成Fe-MoO4-Fe2O3鈍化膜可以得到很好的緩蝕效果。單獨的鉬酸鹽價格比較昂貴，目前人們正在最求鉬酸鹽添加劑與其他添加劑配合使用，以達到協(xié)同效應。總結 干切削技術被認為是最清潔的加工方法，不使用切削液，無毒無污染，但是現(xiàn)今干切削技術的最大難題冷卻潤滑還沒有完全解決，在金屬切削加工中有很大的局限性，例如磨削和鉆削加工中產(chǎn)生大量的切削熱，必須由切削液帶走大部分的熱量。準干切削，由于其對切削液的使用量很少也被認為是綠色切削的一種，但是其加工條件是比較苛刻的，有時需要氣體壓縮、高壓、低溫冷卻。這在能源消耗和設備維護上付出的代價是很高的。筆者認為其在未來的發(fā)展也不是很好的。在傳統(tǒng)的濕式切