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機械加工綠色工藝潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢

廣州機械科學(xué)研究院   黃興

綠色制造已成為重要技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。面對日趨嚴(yán)峻的資源和環(huán)境約束，世界各國都在制訂或醞釀可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，發(fā)展綠色制造技術(shù)。我國已進入到科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時期，政府已將綠色制造確定為制造業(yè)領(lǐng)域的重要發(fā)展思路。國家“十二五”規(guī)劃綱要明確指出：必須樹立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點，加快構(gòu)建資源節(jié)約。環(huán)境友好的生產(chǎn)方式。

我國機床的生產(chǎn)產(chǎn)量與實際使用量均占世界1/3還多，名列世界第一。加工液的用量也越來越大，尤其是水基金屬加工液得到越來越廣泛的普及，每年約以15%的速度增加，金屬加工液廢液的排放已成為急待解決的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)僅機械工業(yè)廢切削液的日排量已達(dá)2億多噸。

國內(nèi)目前使用的大部分普通切削液，含有亞硝酸鈉、酚類、長鏈氯化石蠟、Tx-10、重金屬和硫、磷、氯元素等對人體或生態(tài)環(huán)境有危害的物質(zhì)，對工作環(huán)境和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，如引發(fā)操作工人皮膚過敏和呼吸道疾?。挥泻ξ镔|(zhì)不生物降解，破壞生態(tài)環(huán)境，引起重金屬累積中毒、魚類生物雌性化、磷富集等環(huán)境事故。廣泛使用的切削油，由于基礎(chǔ)油的精制程度不高，往往含有易揮發(fā)的低分子量物質(zhì)和芳烴等有害物質(zhì)，加上添加劑中的S、Cl等活性元素，在使用過程中對長期接觸的工人會造成皮膚過敏等傷害。國內(nèi)車間通風(fēng)不好，許多機床未設(shè)計收集油霧和排氣系統(tǒng)，機床的防護設(shè)施不佳，工人喜歡用沾有切削油液的抹布擦手等都會加重皮膚過敏或呼吸道疾病。切削油液是機械加工操作環(huán)境的主要污染源。

據(jù)文獻(xiàn)報道，切削液相關(guān)的費用（包括系統(tǒng)費用、材料維護和檢測人員費用、水凈化和廢液處理費用）占制造成本16.9%。其中切削液直接費用占該費用的5.5%，維護、處理、裝置投資占94.5%。國外非常重視選用長壽命的高端切削液，同時強化維護和再生利用。國內(nèi)一般使用低端產(chǎn)品，疏于維護，更沒有再生循環(huán)利用，使用壽命絕大部分維持在幾個月內(nèi)，直接費用和由此造成的加工效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量下降和排放污染增加等間接費用非常高。同時，由于有害廢液的大量排放，對生態(tài)環(huán)境造成難以修復(fù)的破壞。另外，國內(nèi)機械加工中，切削分離也是短板，切削往往沾有大量的切削油液，其滴漏和處理時，往往會造成對環(huán)境的污染。

在這樣的背景和條件下，全面開展機械加工過程中的綠色工藝潤滑技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用顯得愈加重要和迫切。

機械加工綠色工藝潤滑技術(shù)是指圍繞從設(shè)計、制造、使用到回收的整個產(chǎn)品生命周期，與工藝潤滑相關(guān)的綠色制造關(guān)鍵、共性技術(shù)，它包括綠色生產(chǎn)工藝技術(shù)、產(chǎn)品綠色化技術(shù)、綠色生產(chǎn)工藝技術(shù)、綠色回收與再制造技術(shù)等等。相關(guān)研究和發(fā)展趨勢見下文。

綠色工藝潤滑設(shè)計研究

在機床設(shè)計中引入自動潤滑、鐵屑及切削液自動收集功能；實現(xiàn)對主軸軸心、滾珠絲杠及軸承。以及電機冷卻，如用大流量的冷卻液從主軸中心由內(nèi)而外直接冷卻主軸，并起到潤滑主軸軸承的作用；與床身溫度同步的冷卻液在滾珠絲杠內(nèi)部以及支撐軸承中循環(huán)，以防高速移動導(dǎo)致滾珠絲杠無難度上升及壓力泄露；冷卻液還在電動機的法蘭循環(huán)，防止電動機產(chǎn)生的熱量傳遞到機床主體。實施兩套冷卻系統(tǒng)，分別控制主軸升溫及工件冷卻。整機具有全防護擋板及自動排屑裝置，可視化操作，提高操作安全性，實現(xiàn)人體工學(xué)的設(shè)計理念；增加油霧消除系統(tǒng)，加工區(qū)內(nèi)的油霧通過刀庫吸出，使得加工區(qū)域內(nèi)清晰明亮；切屑向機床后部排出，操作者周圍無塵無屑，改善操作環(huán)境。從機床設(shè)計的源頭上控制污染，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色制造。

通過設(shè)置油水自動分離、粉塵收集回收、自潤滑材料應(yīng)用、少油潤滑（微量潤滑MQL）等與工藝潤滑相關(guān)的附加技術(shù)措施，降低工藝油液對環(huán)境的影響。

切削液綠色化技術(shù)研究

相對切削油、微乳切削液、乳化油，全合成切削液在儲存與使用穩(wěn)定性、冷卻性、清洗性、抗硬水性、抗菌性等方面具有很大的優(yōu)勢，但在潤滑性、防銹性、對機床油漆侵蝕性，以及對操作者皮膚損害方面卻處于劣勢。

目前各大潤滑油公司均在針對全合成切削液的不足，研究對微生物穩(wěn)定的潤滑材料，如異構(gòu)飽和脂肪酸、飽和醇酯、脂肪醇胺、PAG，采用了具有潤滑、抗泡作用的聚醚型非離子和陰離子表面活性劑復(fù)配，提高切削液的滲透性和冷卻性，還選用了具有極壓抗磨性和防銹性的硼酸醇胺，以及鋁緩蝕劑和消泡劑，不含對人體及環(huán)境有害的亞硝酸鹽、酚、氯及重金屬等物質(zhì)，并可生物降解的長壽命、環(huán)保、高性能的水基全合成切削液。實現(xiàn)機械制造加工業(yè)的節(jié)能減排以及綠色化。

另外，開發(fā)環(huán)境友好、無毒無害，能替代S、P、Cl或其他對環(huán)境和人體有害物質(zhì)的各種功能添加劑，如水溶性納米Cu、納米SiO2或其它具有良好潤滑、冷卻、殺菌而又能滿足再生要求的功能材料。配制具有優(yōu)異潤滑、冷卻、殺菌功能的納米水基切削液或其他高頓水基切削液，顛覆傳統(tǒng)的切削液配方，從源頭上解決污染問題。同時展開對添加劑及其配制的切削液的分散穩(wěn)定性、潤滑性、導(dǎo)熱和冷卻性、殺菌性等各種功能的深入探討，研究其作用機理，提出合理的解釋和規(guī)律，引領(lǐng)水基切削液研究和應(yīng)用的方向和配方革命。

開發(fā)機械加工用微量潤滑技術(shù)

微量潤滑和干式切削成為綠色切削工藝研究的熱點。一些大型工件加工不適合大量使用切削液加工，使用干切削同樣達(dá)不到加工要求（如大型的三峽水輪機不銹鋼下環(huán)、風(fēng)電主軸等加工）。使用微量潤滑冷卻系統(tǒng)，結(jié)合物理冷卻和化學(xué)極壓潤滑的優(yōu)點，一方面可以快速消除加工區(qū)瞬間產(chǎn)生的大量熱量，消除工件內(nèi)部應(yīng)力，滿足工件加工要求，保證工件精度；另一方面可以極大地改善操作環(huán)境和大幅降低切削液排放。但必須保證潤滑介質(zhì)對人體和環(huán)境無毒無害（歐盟禁用礦物質(zhì)油和水基切削液作為微量潤滑介質(zhì)），以及適宜的油霧粒徑。如果顆粒大沉降快，冷卻效果差；顆粒小效果好，但危害大，因為液體粒徑小于2.5μm會直接被毛孔和肺泡吸收，無法排出。

另外，微量潤滑冷卻系統(tǒng)如果普遍應(yīng)用于各類大小機床，保護生態(tài)環(huán)境。

開發(fā)切削液的維護再生系統(tǒng)，實現(xiàn)少排放甚至零排放

中國是機械制造業(yè)大國。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，包括進口產(chǎn)品在內(nèi)，所有金屬加工液的廢液如直接排放都未能達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。有些大廠配置了專門的廢液處理設(shè)備，要增加比較大的人力、物力；有些廠將廢液用自來水稀釋數(shù)十倍后直接排放，即浪費了大量的水資源，也沒真正到達(dá)減輕對環(huán)境污染的目的。

為了減小切削液對環(huán)境污染，近幾年，國內(nèi)外在研究開發(fā)切削液的維護再生系統(tǒng)，金屬加工液通過專用維護再生設(shè)備處理后，可重復(fù)使用。通過研究分析廢切削液的成分組成，考察各種成分的直徑顆粒，如：油滴直徑一般大于3μm；切削、磨粉等金屬顆粒直徑一般大于5μm，球型細(xì)菌的直徑一般為0.5～2.0μm；桿狀細(xì)菌和螺旋細(xì)菌一般為1～5μm；霉菌為3～10μm。利用不同成分顆粒的不同直徑，選用合理的過慮裝置，運用沉淀、隔離、強力過濾、離心及紫外線殺菌器，將切削液中的鐵粉、殘渣、油污排走，對廢液進行凈化處理。臟切削液過濾凈化、除油和滅菌后送回清理干凈的冷卻液箱中重復(fù)使用，適當(dāng)補充一些新鮮切削液，使切削液長期保持在最佳狀態(tài)非常有效地清除混雜其中的廢油和廢雜物分離，使廢液再生使用。通過定期對切削液進行維護再生處理，使切削液始終保持在一個良好的狀態(tài)，反復(fù)使用，實現(xiàn)切削液零排放，保護環(huán)境和水資源。目前，美國的馬斯特化學(xué)公司已經(jīng)發(fā)出了專門的切削液維護管理系統(tǒng)。

開展再制造綠色清洗技術(shù)研究

再制造技術(shù)是以舊的機器設(shè)備為毛坯，采用專門的工藝和技術(shù)，在原有制造的基礎(chǔ)上進行一次新的制造，而且重新制造出來的產(chǎn)品無論是性能還是質(zhì)量都不亞于原先的新品。真正開展具有現(xiàn)代意義上的再制造相關(guān)技術(shù)研究在我國才剛剛開始，將逐漸形成一個大的產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈。機械產(chǎn)品回收再制造，除了要達(dá)到設(shè)定的性能質(zhì)量外，還需要研究再制造過程中的綠色清洗工藝和相關(guān)裝置，要注意不要造成新的污染。因為目前大部分企業(yè)為了節(jié)省生產(chǎn)成本，仍采用大量對外人體和環(huán)境有害，并存在嚴(yán)重消防安全隱患的溶劑型清洗劑，如閃點低、芳烴與正己烷（致癌物質(zhì)）嚴(yán)重超標(biāo)的溶劑汽油、煤油、石油醚、三氯乙烯等。開發(fā)和推進應(yīng)用再制造過程中脫芳烴的無害化溶劑（如D系列溶劑油）、去氯化溶劑、環(huán)保型水基清洗劑和相關(guān)清洗工藝，極有必要，前景廣闊。

作為國家機械行業(yè)相關(guān)技術(shù)歸口單位和綠色制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長單位，長期以來，廣州機械科學(xué)研究院在上述研究方向和領(lǐng)域內(nèi)進行了大量的研究碳素、產(chǎn)品開發(fā)和推廣應(yīng)用工作，未來仍將致力于積極宣傳綠色制造工藝潤滑技術(shù)與裝備研究，促進相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，為建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型國家做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。