机械加工绿色工艺润滑技术的发展趋势

广州机械科学研究院   黄兴

绿色制造已成为重要技术领域和产业发展方向。面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制订或酝酿可持续发展的战略，发展绿色制造技术。我国已进入到科学发展的关键时期，政府已将绿色制造确定为制造业领域的重要发展思路。国家“十二五”规划纲要明确指出：必须树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，加快构建资源节约。环境友好的生产方式。

我国机床的生产产量与实际使用量均占世界1/3还多，名列世界第一。加工液的用量也越来越大，尤其是水基金属加工液得到越来越广泛的普及，每年约以15%的速度增加，金属加工液废液的排放已成为急待解决的问题。据不完全统计，国内仅机械工业废切削液的日排量已达2亿多吨。

国内目前使用的大部分普通切削液，含有亚硝酸钠、酚类、长链氯化石蜡、Tx-10、重金属和硫、磷、氯元素等对人体或生态环境有危害的物质，对工作环境和生态环境造成严重污染，如引发操作工人皮肤过敏和呼吸道疾病；有害物质不生物降解，破坏生态环境，引起重金属累积中毒、鱼类生物雌性化、磷富集等环境事故。广泛使用的切削油，由于基础油的精制程度不高，往往含有易挥发的低分子量物质和芳烃等有害物质，加上添加剂中的S、Cl等活性元素，在使用过程中对长期接触的工人会造成皮肤过敏等伤害。国内车间通风不好，许多机床未设计收集油雾和排气系统，机床的防护设施不佳，工人喜欢用沾有切削油液的抹布擦手等都会加重皮肤过敏或呼吸道疾病。切削油液是机械加工操作环境的主要污染源。

据文献报道，切削液相关的费用（包括系统费用、材料维护和检测人员费用、水净化和废液处理费用）占制造成本16.9%。其中切削液直接费用占该费用的5.5%，维护、处理、装置投资占94.5%。国外非常重视选用长寿命的高端切削液，同时强化维护和再生利用。国内一般使用低端产品，疏于维护，更没有再生循环利用，使用寿命绝大部分维持在几个月内，直接费用和由此造成的加工效率低下、产品质量下降和排放污染增加等间接费用非常高。同时，由于有害废液的大量排放，对生态环境造成难以修复的破坏。另外，国内机械加工中，切削分离也是短板，切削往往沾有大量的切削油液，其滴漏和处理时，往往会造成对环境的污染。

在这样的背景和条件下，全面开展机械加工过程中的绿色工艺润滑技术的研究及推广应用显得愈加重要和迫切。

机械加工绿色工艺润滑技术是指围绕从设计、制造、使用到回收的整个产品生命周期，与工艺润滑相关的绿色制造关键、共性技术，它包括绿色生产工艺技术、产品绿色化技术、绿色生产工艺技术、绿色回收与再制造技术等等。相关研究和发展趋势见下文。

绿色工艺润滑设计研究

在机床设计中引入自动润滑、铁屑及切削液自动收集功能；实现对主轴轴心、滚珠丝杠及轴承。以及电机冷却，如用大流量的冷却液从主轴中心由内而外直接冷却主轴，并起到润滑主轴轴承的作用；与床身温度同步的冷却液在滚珠丝杠内部以及支撑轴承中循环，以防高速移动导致滚珠丝杠无难度上升及压力泄露；冷却液还在电动机的法兰循环，防止电动机产生的热量传递到机床主体。实施两套冷却系统，分别控制主轴升温及工件冷却。整机具有全防护挡板及自动排屑装置，可视化操作，提高操作安全性，实现人体工学的设计理念；增加油雾消除系统，加工区内的油雾通过刀库吸出，使得加工区域内清晰明亮；切屑向机床后部排出，操作者周围无尘无屑，改善操作环境。从机床设计的源头上控制污染，实现节能减排、绿色制造。

通过设置油水自动分离、粉尘收集回收、自润滑材料应用、少油润滑（微量润滑MQL）等与工艺润滑相关的附加技术措施，降低工艺油液对环境的影响。

切削液绿色化技术研究

相对切削油、微乳切削液、乳化油，全合成切削液在储存与使用稳定性、冷却性、清洗性、抗硬水性、抗菌性等方面具有很大的优势，但在润滑性、防锈性、对机床油漆侵蚀性，以及对操作者皮肤损害方面却处于劣势。

目前各大润滑油公司均在针对全合成切削液的不足，研究对微生物稳定的润滑材料，如异构饱和脂肪酸、饱和醇酯、脂肪醇胺、PAG，采用了具有润滑、抗泡作用的聚醚型非离子和阴离子表面活性剂复配，提高切削液的渗透性和冷却性，还选用了具有极压抗磨性和防锈性的硼酸醇胺，以及铝缓蚀剂和消泡剂，不含对人体及环境有害的亚硝酸盐、酚、氯及重金属等物质，并可生物降解的长寿命、环保、高性能的水基全合成切削液。实现机械制造加工业的节能减排以及绿色化。

另外，开发环境友好、无毒无害，能替代S、P、Cl或其他对环境和人体有害物质的各种功能添加剂，如水溶性纳米Cu、纳米SiO2或其它具有良好润滑、冷却、杀菌而又能满足再生要求的功能材料。配制具有优异润滑、冷却、杀菌功能的纳米水基切削液或其他高顿水基切削液，颠覆传统的切削液配方，从源头上解决污染问题。同时展开对添加剂及其配制的切削液的分散稳定性、润滑性、导热和冷却性、杀菌性等各种功能的深入探讨，研究其作用机理，提出合理的解释和规律，引领水基切削液研究和应用的方向和配方革命。

开发机械加工用微量润滑技术

微量润滑和干式切削成为绿色切削工艺研究的热点。一些大型工件加工不适合大量使用切削液加工，使用干切削同样达不到加工要求（如大型的三峡水轮机不锈钢下环、风电主轴等加工）。使用微量润滑冷却系统，结合物理冷却和化学极压润滑的优点，一方面可以快速消除加工区瞬间产生的大量热量，消除工件内部应力，满足工件加工要求，保证工件精度；另一方面可以极大地改善操作环境和大幅降低切削液排放。但必须保证润滑介质对人体和环境无毒无害（欧盟禁用矿物质油和水基切削液作为微量润滑介质），以及适宜的油雾粒径。如果颗粒大沉降快，冷却效果差；颗粒小效果好，但危害大，因为液体粒径小于2.5μm会直接被毛孔和肺泡吸收，无法排出。

另外，微量润滑冷却系统如果普遍应用于各类大小机床，保护生态环境。

开发切削液的维护再生系统，实现少排放甚至零排放

中国是机械制造业大国。据不完全统计，到目前为止，包括进口产品在内，所有金属加工液的废液如直接排放都未能达到国家规定的排放标准。有些大厂配置了专门的废液处理设备，要增加比较大的人力、物力；有些厂将废液用自来水稀释数十倍后直接排放，即浪费了大量的水资源，也没真正到达减轻对环境污染的目的。

为了减小切削液对环境污染，近几年，国内外在研究开发切削液的维护再生系统，金属加工液通过专用维护再生设备处理后，可重复使用。通过研究分析废切削液的成分组成，考察各种成分的直径颗粒，如：油滴直径一般大于3μm；切削、磨粉等金属颗粒直径一般大于5μm，球型细菌的直径一般为0.5～2.0μm；杆状细菌和螺旋细菌一般为1～5μm；霉菌为3～10μm。利用不同成分颗粒的不同直径，选用合理的过虑装置，运用沉淀、隔离、强力过滤、离心及紫外线杀菌器，将切削液中的铁粉、残渣、油污排走，对废液进行净化处理。脏切削液过滤净化、除油和灭菌后送回清理干净的冷却液箱中重复使用，适当补充一些新鲜切削液，使切削液长期保持在最佳状态非常有效地清除混杂其中的废油和废杂物分离，使废液再生使用。通过定期对切削液进行维护再生处理，使切削液始终保持在一个良好的状态，反复使用，实现切削液零排放，保护环境和水资源。目前，美国的马斯特化学公司已经发出了专门的切削液维护管理系统。

开展再制造绿色清洗技术研究

再制造技术是以旧的机器设备为毛坯，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的产品无论是性能还是质量都不亚于原先的新品。真正开展具有现代意义上的再制造相关技术研究在我国才刚刚开始，将逐渐形成一个大的产业及产业链。机械产品回收再制造，除了要达到设定的性能质量外，还需要研究再制造过程中的绿色清洗工艺和相关装置，要注意不要造成新的污染。因为目前大部分企业为了节省生产成本，仍采用大量对外人体和环境有害，并存在严重消防安全隐患的溶剂型清洗剂，如闪点低、芳烃与正己烷（致癌物质）严重超标的溶剂汽油、煤油、石油醚、三氯乙烯等。开发和推进应用再制造过程中脱芳烃的无害化溶剂（如D系列溶剂油）、去氯化溶剂、环保型水基清洗剂和相关清洗工艺，极有必要，前景广阔。

作为国家机械行业相关技术归口单位和绿色制造产业技术创新战略联盟副理事长单位，长期以来，广州机械科学研究院在上述研究方向和领域内进行了大量的研究碳素、产品开发和推广应用工作，未来仍将致力于积极宣传绿色制造工艺润滑技术与装备研究，促进相关技术的应用，为建设资源节约、环境友好型国家做出应有的贡献。