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機(jī)械加工綠色工藝潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢

廣州機(jī)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(jìn)入到科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)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(diǎn)，加快構(gòu)建資源節(jié)約。環(huán)境友好的生產(chǎn)方式。

我國機(jī)床的生產(chǎn)產(chǎn)量與實(shí)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(jì)，國內(nèi)僅機(jī)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??；有害物質(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(huì)造成皮膚過敏等傷害。國內(nèi)車間通風(fēng)不好，許多機(jī)床未設(shè)計(jì)收集油霧和排氣系統(tǒng)，機(jī)床的防護(hù)設(shè)施不佳，工人喜歡用沾有切削油液的抹布擦手等都會(huì)加重皮膚過敏或呼吸道疾病。切削油液是機(jī)械加工操作環(huán)境的主要污染源。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，切削液相關(guān)的費(fèi)用（包括系統(tǒng)費(fèi)用、材料維護(hù)和檢測人員費(fèi)用、水凈化和廢液處理費(fèi)用）占制造成本16.9%。其中切削液直接費(fèi)用占該費(fèi)用的5.5%，維護(hù)、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(shí)強(qiáng)化維護(hù)和再生利用。國內(nèi)一般使用低端產(chǎn)品，疏于維護(hù)，更沒有再生循環(huán)利用，使用壽命絕大部分維持在幾個(gè)月內(nèi)，直接費(fèi)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(fèi)用非常高。同時(shí)，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(jī)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(shí)，往往會(huì)造成對環(huán)境的污染。

在這樣的背景和條件下，全面開展機(jī)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(jī)械加工綠色工藝潤滑技術(shù)是指圍繞從設(shè)計(jì)、制造、使用到回收的整個(gè)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(jì)研究

在機(jī)床設(shè)計(jì)中引入自動(dòng)潤滑、鐵屑及切削液自動(dòng)收集功能；實(shí)現(xiàn)對主軸軸心、滾珠絲杠及軸承。以及電機(jī)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(dòng)導(dǎo)致滾珠絲杠無難度上升及壓力泄露；冷卻液還在電動(dòng)機(jī)的法蘭循環(huán)，防止電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞到機(jī)床主體。實(shí)施兩套冷卻系統(tǒng)，分別控制主軸升溫及工件冷卻。整機(jī)具有全防護(hù)擋板及自動(dòng)排屑裝置，可視化操作，提高操作安全性，實(shí)現(xiàn)人體工學(xué)的設(shè)計(jì)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(jī)床后部排出，操作者周圍無塵無屑，改善操作環(huán)境。從機(jī)床設(shè)計(jì)的源頭上控制污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色制造。

通過設(shè)置油水自動(dòng)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(chǔ)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(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(diǎn)。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(jī)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(diǎn)，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?yàn)橐后w粒徑小于2.5μm會(huì)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(jī)床，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

開發(fā)切削液的維護(hù)再生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)少排放甚至零排放

中國是機(jī)械制造業(yè)大國。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，包括進(jìn)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(fèi)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(hù)再生系統(tǒng)，金屬加工液通過專用維護(hù)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(yùn)用沉淀、隔離、強(qiáng)力過濾、離心及紫外線殺菌器，將切削液中的鐵粉、殘?jiān)?、油污排走，對廢液進(jìn)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(bǔ)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(jìn)行維護(hù)再生處理，使切削液始終保持在一個(gè)良好的狀態(tài)，反復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)切削液零排放，保護(hù)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(hù)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(jī)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(jìn)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(gè)大的產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈。機(jī)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?yàn)槟壳按蟛糠制髽I(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(diǎn)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(jìn)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(jī)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(jī)械科學(xué)研究院在上述研究方向和領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)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(jìn)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)。