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摘要：切削液系统是机械加工中重要的组成部分，但当今研究表明切削液是造成环境污染的主要根源之一。如何避免因加工制造而造成的环境污染，其中切削液的使用作为一个重要环节值得分析改善。
关键词：切削液系统 绿色特性 优化设计 环境影响
一、传统切削液使用存在的问题
相对绿色切削液系统，传统的供给系统存在以下的问题：
1.增加制造成本
德国制造业的调查数值显示，切削液成本与相关设备费、能耗费用、处理费用、工人成本、维修费用及材料费用占全部制造成本的 7%～17%，而全部刀具费用仅占总制造费用的 2%～4%。此外，切削液的花销中还应包括为保护环境防止污染所产生的费用，以及为保障工人的身体健康所承担的额外费用，随着法律和人们环保意识的增强，这项费用还在急剧的增长。再者，大量的切削液有可能造成机床的线路短路、控制元件和传感器失准，渗入机床内部的切削液会逐渐变质，腐蚀机床，增加了机床设备的养护费用。 2.切削液用量控制难
传统的切削液供液方法有浇注法、喷射法、喷雾法等，使用比较大压力和大量的切削液覆盖到切削区域，起到润滑、冷却和冲洗等作用。在加工环境发生变化时，如在更换零件、更换切削刀具等情况下，很难调节切削液用量。
3.高能耗
普通的供给系统装置中采用的冷却泵和液压阀精密性比较差，很难精确地控制切削液的供给，并且喷嘴没有达到细密均匀、注油精准的要求，尤其对复杂加工零件表面不能连续精确的供给，从而消耗掉大量的资源。
4.污染环境
切削液会严重污染环境，根据美国工业有害来源统计显示：机械加工业占工业废物来源的 5%，排名第 4 。加工制造业每年排出的废气、废水、废渣对大气、水体、土壤和生物造成严重污染。切削加工产生的切屑和以及加工中使用的切削液对环境也都造成了污染，全球每年消耗的切削液的总量大约在 70到80万吨/年，对环境造成巨大的负担。
5.有害身体健康
首先，切削液会损伤呼吸器官。油基切削液在重载或高速切削条件下，由于高温发生化学反应 ，释放有害气体和油雾。其次，为改善切削性能，水基切削液加入了多种添加剂，如：极压剂、防霉剂、防锈剂等，切削液中的添加剂都有一定的毒性。还有，氯化物和甲醛类化合物会对皮肤和眼睛造成危害。
二、应对措施
1.改善切削液的成分—用植物油替换矿物油
用植物油替换矿物油来研制油基切削液。植物油属于再生资源，而且可以降解，对人和环境几乎没有污染。和矿物油相比，植物油的使用受到氧化和水解的不稳定性及老化性能制约，但是不易挥发，加入一定的抗氧化剂等添加剂后，在性能上可以满足一定的加工要求，有广阔的市场前景。另外也可采用酯类油代替矿物油，现在市场上销售的各类酯类油中，可降解率就达到90 %-100%，但市场价格较高。后续经过一段时间的研究，肯定能研制出价格合适的完全降解的产品，所以它现在是各国争先研究的重点。
2.努力研发新型高效无毒添加剂
新型添加剂是提高切削液质量和水平的有效办法，这一点已经引起各国学者的关注，并且做了不少工作，取得了一定的效果。绿色制造的切削液系统还应该加快研究来减少对环境的影响。
（1）硼酸酯类添加剂：硼酸醋的油膜强度高，摩擦系数低，具有优良的减摩抗磨性能。硼酸酯易于合成，目前已经有关于水溶性硼酸酯的合成技術，即在硼酸酯中加入了S、N，反应生成含硫、含氮硼酸酯，并证实了硼酸酯是一种多功能环保型添加剂。并且具有良好的防锈性能、抗菌和杀菌功能，且无毒害作用。
（2）"钼酸盐系缓蚀剂：钼酸盐是阳性缓蚀剂，添加到切削液中，可以在工件金属表面形成一层钝化膜，可以起到减缓氧化作用。一般认为，钼酸盐作为防锈剂是不会对环境造成污染，但成本较高，会影响到使用的广泛性。为了提高使用率，人们利用钼酸盐和其它有机、无机缓蚀剂配合协同使用，而后推出了一种由钼酸盐、硼酸盐和有机胺等组合而成的高效、低价的防锈产品。
（3）新型防腐杀菌剂：水、工件、空气和灰尘都有可能将细菌带入到切削液中，滋生细菌。细菌繁殖会消耗乳化剂、使油相析出，浓度下降，润滑性能也随之下降；亲氧菌会呼出CO2使PH值下降，防锈性能下降，同时也进一步促进了细菌的繁殖。细菌滋生不仅使切削液失效，而且对环境造成不良的影响，如难闻气味。而新型防腐杀菌剂可以减少细菌和霉菌的滋生，杀灭切削液中已存在的细菌，从而延长切削液的使用寿命。
3.寻找传统切削液的替代品
（1）液氮冷却
液态氮气的温度在零下180℃左右，在进行切削加工时将液氮送到切削区，代替传统切削液，可以保证工件、刀具和切削区处于低温状态下切削加工，并充分利用材料的韧脆转变特性，在材料韧性降低、塑性降低的情况下对工件进行加工。但这种加工方法，必须考虑到液氮的成本、安全性、稳定性和方便性，现在推广使用还有难度。 （2）蒸汽冷却
传统冷却液是依靠切削液的蒸发来带走大部分切削热，但实验表明，这个种方法的冷却效率不是很高，原因在于冷却液进入高温切削区后，受热在切削表面迅速形成一层蒸汽膜，加工表面被蒸汽膜遮挡，而后续的冷却液无法和加工表面接触，降低了和切削区域的热交换效率。同时，蒸汽膜的存在还会阻止切削区热量向外的传散。而蒸汽冷却时则不会产生蒸汽膜，水蒸汽以气体形态喷射到高温切削区迅速散去，同时带走热量，跳过了从液态蒸发为气体的过程，也就不存在蒸汽膜影响冷却的作用。但是需要注意的是蒸汽冷却的冷却作用是基于润滑而形成的间接冷却，其冷却效果很有限。 （3）低温气体喷射冷却
这种方法类似于生活中常用的风冷，不同的是要降低空气的温度在吹向加工区域。这样由于采用了流动性好的低温空气，增大了动态的换热面积，加强了同周围气体的热交换。但气体的比热小，换热系数低，是制约此种冷却方式推广的一个重要因素。
4.干切削加工
干切削加工技术从源头上杜绝使用切削液。它作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，通时形成切屑干净清洁，便于回收处理。
1. 谢纬安；谢国如 先进制造之绿色干切削技术[期刊论文]-科技咨询 2012（32）
2. 陆颖 基于环保的"绿色"冷却技术的新进展[期刊论文]-机械设计与制造 2000（05）
3. 高航；王继先 切削加工冷却方法的现状与发展[期刊论文]-设计与研究 2001（01）
4. 胡世军 绿色制造中切削液系统的合理选择[期刊论文]-机床与液压2005（11）
5. 郭永葆 金属切削液污染及"绿色切削"技术[期刊论文]-科技情报开发与经济2008（36）
关键词：切削液系统 绿色特性 优化设计 环境影响
一、传统切削液使用存在的问题
相对绿色切削液系统，传统的供给系统存在以下的问题：
1.增加制造成本
德国制造业的调查数值显示，切削液成本与相关设备费、能耗费用、处理费用、工人成本、维修费用及材料费用占全部制造成本的 7%～17%，而全部刀具费用仅占总制造费用的 2%～4%。此外，切削液的花销中还应包括为保护环境防止污染所产生的费用，以及为保障工人的身体健康所承担的额外费用，随着法律和人们环保意识的增强，这项费用还在急剧的增长。再者，大量的切削液有可能造成机床的线路短路、控制元件和传感器失准，渗入机床内部的切削液会逐渐变质，腐蚀机床，增加了机床设备的养护费用。 2.切削液用量控制难
传统的切削液供液方法有浇注法、喷射法、喷雾法等，使用比较大压力和大量的切削液覆盖到切削区域，起到润滑、冷却和冲洗等作用。在加工环境发生变化时，如在更换零件、更换切削刀具等情况下，很难调节切削液用量。
3.高能耗
普通的供给系统装置中采用的冷却泵和液压阀精密性比较差，很难精确地控制切削液的供给，并且喷嘴没有达到细密均匀、注油精准的要求，尤其对复杂加工零件表面不能连续精确的供给，从而消耗掉大量的资源。
4.污染环境
切削液会严重污染环境，根据美国工业有害来源统计显示：机械加工业占工业废物来源的 5%，排名第 4 。加工制造业每年排出的废气、废水、废渣对大气、水体、土壤和生物造成严重污染。切削加工产生的切屑和以及加工中使用的切削液对环境也都造成了污染，全球每年消耗的切削液的总量大约在 70到80万吨/年，对环境造成巨大的负担。
5.有害身体健康
首先，切削液会损伤呼吸器官。油基切削液在重载或高速切削条件下，由于高温发生化学反应 ，释放有害气体和油雾。其次，为改善切削性能，水基切削液加入了多种添加剂，如：极压剂、防霉剂、防锈剂等，切削液中的添加剂都有一定的毒性。还有，氯化物和甲醛类化合物会对皮肤和眼睛造成危害。
二、应对措施
1.改善切削液的成分—用植物油替换矿物油
用植物油替换矿物油来研制油基切削液。植物油属于再生资源，而且可以降解，对人和环境几乎没有污染。和矿物油相比，植物油的使用受到氧化和水解的不稳定性及老化性能制约，但是不易挥发，加入一定的抗氧化剂等添加剂后，在性能上可以满足一定的加工要求，有广阔的市场前景。另外也可采用酯类油代替矿物油，现在市场上销售的各类酯类油中，可降解率就达到90 %-100%，但市场价格较高。后续经过一段时间的研究，肯定能研制出价格合适的完全降解的产品，所以它现在是各国争先研究的重点。
2.努力研发新型高效无毒添加剂
新型添加剂是提高切削液质量和水平的有效办法，这一点已经引起各国学者的关注，并且做了不少工作，取得了一定的效果。绿色制造的切削液系统还应该加快研究来减少对环境的影响。
（1）硼酸酯类添加剂：硼酸醋的油膜强度高，摩擦系数低，具有优良的减摩抗磨性能。硼酸酯易于合成，目前已经有关于水溶性硼酸酯的合成技術，即在硼酸酯中加入了S、N，反应生成含硫、含氮硼酸酯，并证实了硼酸酯是一种多功能环保型添加剂。并且具有良好的防锈性能、抗菌和杀菌功能，且无毒害作用。
（2）"钼酸盐系缓蚀剂：钼酸盐是阳性缓蚀剂，添加到切削液中，可以在工件金属表面形成一层钝化膜，可以起到减缓氧化作用。一般认为，钼酸盐作为防锈剂是不会对环境造成污染，但成本较高，会影响到使用的广泛性。为了提高使用率，人们利用钼酸盐和其它有机、无机缓蚀剂配合协同使用，而后推出了一种由钼酸盐、硼酸盐和有机胺等组合而成的高效、低价的防锈产品。
（3）新型防腐杀菌剂：水、工件、空气和灰尘都有可能将细菌带入到切削液中，滋生细菌。细菌繁殖会消耗乳化剂、使油相析出，浓度下降，润滑性能也随之下降；亲氧菌会呼出CO2使PH值下降，防锈性能下降，同时也进一步促进了细菌的繁殖。细菌滋生不仅使切削液失效，而且对环境造成不良的影响，如难闻气味。而新型防腐杀菌剂可以减少细菌和霉菌的滋生，杀灭切削液中已存在的细菌，从而延长切削液的使用寿命。
3.寻找传统切削液的替代品
（1）液氮冷却
液态氮气的温度在零下180℃左右，在进行切削加工时将液氮送到切削区，代替传统切削液，可以保证工件、刀具和切削区处于低温状态下切削加工，并充分利用材料的韧脆转变特性，在材料韧性降低、塑性降低的情况下对工件进行加工。但这种加工方法，必须考虑到液氮的成本、安全性、稳定性和方便性，现在推广使用还有难度。 （2）蒸汽冷却
传统冷却液是依靠切削液的蒸发来带走大部分切削热，但实验表明，这个种方法的冷却效率不是很高，原因在于冷却液进入高温切削区后，受热在切削表面迅速形成一层蒸汽膜，加工表面被蒸汽膜遮挡，而后续的冷却液无法和加工表面接触，降低了和切削区域的热交换效率。同时，蒸汽膜的存在还会阻止切削区热量向外的传散。而蒸汽冷却时则不会产生蒸汽膜，水蒸汽以气体形态喷射到高温切削区迅速散去，同时带走热量，跳过了从液态蒸发为气体的过程，也就不存在蒸汽膜影响冷却的作用。但是需要注意的是蒸汽冷却的冷却作用是基于润滑而形成的间接冷却，其冷却效果很有限。 （3）低温气体喷射冷却
这种方法类似于生活中常用的风冷，不同的是要降低空气的温度在吹向加工区域。这样由于采用了流动性好的低温空气，增大了动态的换热面积，加强了同周围气体的热交换。但气体的比热小，换热系数低，是制约此种冷却方式推广的一个重要因素。
4.干切削加工
干切削加工技术从源头上杜绝使用切削液。它作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，通时形成切屑干净清洁，便于回收处理。
1. 谢纬安；谢国如 先进制造之绿色干切削技术[期刊论文]-科技咨询 2012（32）
2. 陆颖 基于环保的"绿色"冷却技术的新进展[期刊论文]-机械设计与制造 2000（05）
3. 高航；王继先 切削加工冷却方法的现状与发展[期刊论文]-设计与研究 2001（01）
4. 胡世军 绿色制造中切削液系统的合理选择[期刊论文]-机床与液压2005（11）
5. 郭永葆 金属切削液污染及"绿色切削"技术[期刊论文]-科技情报开发与经济2008（36）