金屬切削加工冷卻潤滑技術(shù)的可持續(xù)性

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序言眾所周知，對于金屬切削加工，尤其是大多數(shù)難加工材料的切削加工，在切削區(qū)施加有效的冷卻潤滑，通過降低切削區(qū)溫升和改善刀具與工件摩擦接觸狀態(tài)，可以有效提升材料切削加工性，即提高加工質(zhì)量和加工效率，延長刀具壽命，降低加工成本。這也是金屬切削加工長期以來輔以冷卻潤滑技術(shù)的初衷。因此，早期的金屬切削冷卻潤滑多為向切削區(qū)澆注或噴射切削油、乳化液等切削介質(zhì)，其根本目的是最大限度地獲得高效的冷卻與潤滑效果，早期液氮冷卻和低溫CO2冷卻輔助切削，其本質(zhì)亦是希望盡可能地降低切削區(qū)溫升。自20世紀90年代以來，現(xiàn)代機械制造業(yè)的快速發(fā)展、切削技術(shù)和切削工藝的不斷創(chuàng)新對切削液的性能提出了更高要求，尤其是可持續(xù)發(fā)展理念得到聯(lián)合國確定，環(huán)境保護和人類健康日益成為全社會關(guān)注的焦點。由于傳統(tǒng)切削液對環(huán)境和人體具有污染和危害性，因此切削液的使用和廢液處理已受到環(huán)保法規(guī)日益嚴格的制約，切削液使用成本不斷提高，由此促生了多種兼具減少污染排放和人體傷害的新型冷卻潤滑方法，被稱為綠色冷卻潤滑技術(shù)，即基于“綠色制造/綠色切削”理念，實施過程中對環(huán)境和人體危害達到“國際/國家”相關(guān)控制標準，能夠有效提高加工質(zhì)量和刀具壽命，且應(yīng)用成本相對較低的先進冷卻潤滑方式。其主要包括高速干切、低溫冷卻、微量潤滑（MQL）/低溫MQL、可生物降解切削液以及復(fù)合冷卻潤滑等（見圖1）。圖1

典型綠色冷卻潤滑技術(shù)近年來，可持續(xù)發(fā)展日益成為全球共識。為了實現(xiàn)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，歐洲最先提出了“可持續(xù)制造”概念。根據(jù)國際生產(chǎn)工程科學院（CIRP）的簡明定義，“可持續(xù)制造是指使用無污染、節(jié)約能源和自然資源、安全可靠的制造工藝制造產(chǎn)品”。作為現(xiàn)代制造前沿技術(shù)，以低資源消耗、低碳、低污排放為特征的可持續(xù)制造技術(shù)在國際上獲得了高度關(guān)注和廣泛研究，在歐洲發(fā)展非常迅速，與智能制造技術(shù)結(jié)合，正成為制造技術(shù)中新的發(fā)展方向。其中，冷卻潤滑作為可持續(xù)制造技術(shù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)之一，亦受到了國內(nèi)外研究者的重點關(guān)注，相關(guān)研究不僅探討了典型冷卻潤滑方法對切削過程的作用機制與效果，同時對其環(huán)保性、能耗特性以及碳排放等進行了相應(yīng)研究與分析。應(yīng)用MQL加工鈦合金時分析了能耗、表面粗糙度和切削力，指出更好的潤滑可以減少能耗和對環(huán)境的負面影響。應(yīng)用MQL混合納米顆粒切削Hyness-25合金，測試了機床的能耗、加工成本和碳排放，并通過環(huán)境性能指數(shù)（EPI）探討了MQL在機加工領(lǐng)域的巨大潛力。然而，MQL的冷卻能力不足，切削速度受到限制，這是其工業(yè)化應(yīng)用的主要缺點之一。此外，MQL導(dǎo)致的PM2.5懸浮顆粒物可直接進入操作人員肺部，因此MQL切削時PM2.5濃度對操作人員而言比澆注式冷卻更值得關(guān)注。從刀具磨損、碳排放和加工成本的角度比較了低溫加工與濕式加工，指出與濕式加工相比，低溫加工的刀具壽命延長3～6倍，同時低溫加工是一種更環(huán)保的方法，然而，與低溫CO2相比，液氮（LN2）的生產(chǎn)是一種高能耗的過程。在鉆孔過程中應(yīng)用CO2冷卻，并與干式和LN2進行了比較，分析了切削力、刀具磨損、孔質(zhì)量和工藝成本，結(jié)果表明：冷卻對降低切削熱、切削力和提高表面質(zhì)量更有效。比較了LN2和CO2在銑削鈦合金時的冷卻能力，結(jié)果表明：CO2的傳熱速率高于LN2，且CO2下的切削溫度低于LN2。此外，從切削力、刀具磨損和表面粗糙度等方面對比分析了切削液、MQL、LN2和低溫MQL加工鈦合金的效果。結(jié)果表明：與切削液相比，低溫MQL下的刀具壽命延長了30倍，生產(chǎn)率提高了50%。從機床功率、切削比能、能耗和碳足跡等方面探討了低溫MQL切削加工的可持續(xù)性。結(jié)果表明，低溫MQL在可持續(xù)性和可加工性方面比低溫或MQL更有效，然而，液氮生產(chǎn)過程中的高能耗則是金屬加工碳排放分析時必須要考慮的因素，而CO2作為化學工業(yè)的副產(chǎn)品，可以使用低溫CO2與MQL相結(jié)合的低溫MQL方式。將乙醇、酯油和干冰按一定比例混合作為冷卻潤滑劑，應(yīng)用于難加工材料切削加工，結(jié)果表明：與干切削條件相比，混合冷卻潤滑可顯著提高刀具壽命。其最近另一項研究評估了混合干冰MQL冷卻潤滑下的可持續(xù)性和可加工性，結(jié)果表明：冷卻潤滑條件和切削速度對可加工性和可持續(xù)性指標的影響最為顯著，與MQL相比，混合冷卻潤滑下的加工時間、切削比能、碳排放和表面粗糙度分別減少了2.6%、2.3%、2.35%和22.6%。引入可持續(xù)性指標，從經(jīng)濟績效（如成本）、環(huán)境（如資源使用和廢棄物）和社會（如健康和安全）3個方面的附加值來衡量制造的可持續(xù)價值，并建立了分析與經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠頊y定能量和成本指標，對于操作人員健康和安全性，則根據(jù)行業(yè)專家的評價制定標準定性度量。綜上可以看出，不同的冷卻潤滑方法在提升材料切削加工性、綠色環(huán)保以及能耗和碳排放等方面各有不同，如采用液氮冷卻切削一些難加工材料，雖然可以獲得較好的加工質(zhì)量和長的刀具壽命，然而液氮的生產(chǎn)本身卻是一種高能耗的過程，因此其可持續(xù)性并不如低溫CO2和混合干冰與MQL等冷卻潤滑方式。因此，從可持續(xù)性的角度考慮，現(xiàn)代切削加工冷卻潤滑技術(shù)的內(nèi)涵不僅應(yīng)考慮對材料切削加工性的提升和綠色環(huán)保，同時應(yīng)充分考慮切削介質(zhì)實施全壽命周期中的能耗和碳排放問題。為此，本文從冷卻潤滑技術(shù)對材料切削加工性的提升作用、對加工過程環(huán)境友好性的改善作用以及對能耗和碳排放的消減作用3個維度，對金屬切削冷卻潤滑技術(shù)的可持續(xù)性進行綜合分析，進而探討冷卻潤滑技術(shù)的可持續(xù)性綜合評估技術(shù)，以期為綠色制造和清潔生產(chǎn)背景下的切削加工冷卻潤滑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供支撐，促進機加工領(lǐng)域雙碳目標的實現(xiàn)。2

冷卻潤滑技術(shù)對材料切削加工性的提升作用一直以來，提升材料的切削加工性是機加工領(lǐng)域選用冷卻潤滑技術(shù)時考慮的首要目標。切削介質(zhì)在金屬切削過程中能否發(fā)揮出預(yù)期的冷卻潤滑性能，需從機理上探究冷卻潤滑條件對刀具工件的摩擦接觸狀態(tài)以及切削溫度與切削力的改變，眾多研究表明：復(fù)合冷卻潤滑條件下，潤滑劑具有良好的減摩潤滑性能，而低溫介質(zhì)則具有良好的冷卻降溫作用，潤滑劑和冷卻劑都會從切削區(qū)相變散熱，具有雙重冷卻效果。另一方面，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，直觀方便的方法主要是從能否延長刀具壽命、提升工件表面完整性以及節(jié)約加工成本等方面進行考量。本節(jié)主要從直觀評價方面結(jié)合典型應(yīng)用案例探討冷卻潤滑對材料切削加工性的作用。2.1

刀具壽命刀具磨損與刀具壽命主要取決于刀具與工件接觸區(qū)的熱力耦合狀態(tài)，而切削溫度與切削速度密切相關(guān)。在高的切削速度下，冷卻劑/潤滑劑難以滲透到切削區(qū)內(nèi)部，而材料的高變形率會轉(zhuǎn)化為高溫，進一步降低刀具壽命。冷卻潤滑條件對刀具壽命的影響如圖2所示，切削鈦合金時，隨著切削速度的提高，同種冷卻潤滑方式下的刀具壽命呈明顯下降趨勢。而在相同的切削速度下，如切削速度為50m/min時，乙醇-酯油-干冰混合冷卻潤滑下的刀具壽命為18.1m，其次為酯油-干冰混合冷卻潤滑下的17m，而在乙醇-干冰冷卻和干切削條件下，刀具壽命分別降低為15.5m和10.8m。在高切削速度（300m/min）下，乙醇-酯油-干冰混合冷卻潤滑下的刀具壽命為6.4m，酯油-干冰混合冷卻潤滑下為6m，乙醇-干冰冷卻下為5.2m，干切削時則為4.5m。這說明在高的切削速度下，乙醇與酯油蒸發(fā)并同時提供冷卻潤滑。盡管高速切削下產(chǎn)生了非常高的溫度，但由于長鏈酯油主要由硬脂酸（C17H35COOH）、油酸（C17H33COOH）和亞油酸脂肪酸（C17H31COOH）等組成，在高壓下仍持續(xù)存在，所以有助于在刀具與工件摩擦接觸區(qū)形成潤滑膜。因此，從延長刀具壽命的角度考慮，混合冷卻潤滑是最佳方式。圖2

冷卻潤滑條件對刀具壽命（切削行程）的影響2.2

表面粗糙度圖3顯示了不同切削條件和冷卻模式下切削Ti-6Al-4V合金時的表面粗糙度?？梢钥闯?，切削速度在75～300m/min，切削速度的增加會降低表面粗糙度。這意味著在低的切削速度（75m/min）下產(chǎn)生的最高表面粗糙度值Ra為0.276μm。首先，增加切削速度有助于減少積屑瘤的形成和切屑斷裂，從而降低表面粗糙度，與此同時高速切削過程中較少涉及犁削材料，亦會有助于得到更好的表面質(zhì)量。其次，表面粗糙度隨著每齒進給量的增加而增大，這主要是由于大的每齒進給量下，刀具快速向前移動，接刀痕跡變得突出，并且會因為表面上的微槽而產(chǎn)生不規(guī)則紋理。此外，冷卻潤滑條件明顯有助于降低表面粗糙度。例如，在高的切削速度、低的每齒進給量和混合干冰MQL冷卻潤滑條件下，可獲得最佳的加工表面。因此，由于復(fù)合冷卻潤滑效應(yīng)，混合干冰MQL下的最小表面粗糙度值Ra可達0.112μm。這主要是因為攜帶MQL油霧的干冰宏/微觀顆粒噴向切削區(qū)，部分會滲入刀具與工件摩擦接觸區(qū)，在減摩潤滑的同時，升華為氣體并冷卻降溫。圖3

不同切削條件和冷卻模式下的表面粗糙度[14]2.3

生產(chǎn)成本加工過程的經(jīng)濟分析是可持續(xù)性研究的重要支撐。建立了單個零件的成本模型，其將總成本（Cp）定義為加工成本、換刀成本和刀具成本之和。然而從可持續(xù)性的角度考慮，生產(chǎn)成本模型應(yīng)考慮估算原料、加工過程以及加工后處理等各部分的成本。如式（1）所示，該模型綜合考慮了能量成本Ce、加工成本Cm、工具成本CCT、工件成本Cwp、液氮成本CLN2、乳化液成本Cemulsion、清潔成本Ccl、處理成本Cd以及環(huán)境成本Cenv。利用上述公式，可以對不同冷卻潤滑條件下的生產(chǎn)成本進行計算評估。圖4所示為液氮和乳化液兩種冷卻潤滑方式下切削淬硬鋼時的生產(chǎn)成本計算結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，在低速段70m/min時，兩種冷卻潤滑方式下的生產(chǎn)成本均隨著進給量的增加而降低。在中速段120m/min時也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢。然而，在高速段170m/min應(yīng)用乳化液冷卻潤滑時，生產(chǎn)成本最初會隨著進給量的增加而降低，但在最高的進給量下，生產(chǎn)成本會隨之變大。雖然高速切削時加工成本顯著降低，但速度過高時刀具成本會大幅增加，其占總成本的比重也相應(yīng)提高。因此，在乳化液輔助下加工硬化鋼時，建議不要使用過大的切削參數(shù)。在液氮冷卻下，低速和中速段的生產(chǎn)成本隨著進給量的增加而降低，但切削速度為170m/min時，高進給量下的生產(chǎn)成本雖較中等進給量略有增加，但增幅僅為1.4%。圖4

切削參數(shù)對生產(chǎn)成本的影響[25]此外，切削速度從低速段向中速段變化時，生產(chǎn)成本相應(yīng)降低。然而，應(yīng)用乳化液冷卻潤滑時，從中等切削用量到最高切削用量，生產(chǎn)成本急劇增加。在最低切削速度和最低進給量下消耗的液氮量最大，占總生產(chǎn)成本的37.21%。而在乳化液冷卻潤滑下，乳化液成本僅占總生產(chǎn)成本的22.44%。因此，在最低切削用量下，應(yīng)用乳化液相對于應(yīng)用液氮，生產(chǎn)成本降低了8.5%。然而，對于其他切削用量下，液氮冷卻下的生產(chǎn)成本相對較低。在最高切削速度和最高進給量的組合下，液氮冷卻下的生產(chǎn)成本相對乳化液條件降低了70.9%。因此，在高的切削速度和高的進給量條件下，應(yīng)用液氮進行冷卻潤滑是經(jīng)濟的。乳化液和液氮冷卻潤滑時最低和最高切削用量下的成本占比如圖5所示，2D餅圖直觀地顯示了直接和間接資源的百分比貢獻及其從最低到最高切削用量下的變化。在兩種冷卻潤滑下，加工成本占主導(dǎo)地位，在最低切削用量時，加工成本幾乎占總成本的一半（見圖5a和5c）。此外，由于刀具磨損對切削用量的選擇很敏感，因此，在最高切削用量時，刀具成本占總成本比重很大（見圖5b和5d）。a）液氮，vc＝70m/min，f＝0.04mm/rb）液氮，vc＝170m/min，f＝0.16mm/rc）乳化液，vc＝70m/min，f＝0.04mm/rd）乳化液，vc＝170m/min，f＝0.16mm/r圖5

最低和最高切削用量下的生產(chǎn)成本占比[25]3

冷卻潤滑技術(shù)對加工過程環(huán)境友好性的改善作用3.1

切削油霧及其限值標準職業(yè)健康研究表明，長期接觸切削液霧，食管、胃、胰腺、結(jié)腸、前列腺和直腸癌的發(fā)病率顯著增加。針對此類健康問題，許多政府機構(gòu)，如美國國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）、環(huán)境保護局（EPA）和職業(yè)安全與衛(wèi)生管理局（OSHA）參與制定了顆粒物暴露標準和法規(guī)。早在1987年，這些標準規(guī)定了PM10的最大質(zhì)量濃度，即＜10μm的顆粒物（也稱為胸部顆粒物）的最大質(zhì)量濃度。這部分顆粒代表了可吸入顆粒物的一部分，其會通過喉部進入肺部的傳導(dǎo)氣道和支氣管區(qū)域，進入該區(qū)域的較大顆?？梢栽诙虝r間內(nèi)從體內(nèi)排出。此后，國際上一些工業(yè)組織和政府機構(gòu)制定的標準均嚴格遵循美國環(huán)保局制定的美國國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準（NAAQS）。10年后，為了應(yīng)對微小懸浮物顆粒對人類健康構(gòu)成的更大風險問題，對相關(guān)標準進行修改，以解決由吸入直徑＜2.5μm的顆粒物（PM2.5）導(dǎo)致的風險。PM2.5代表進入肺部最深處（無纖毛肺泡）的可吸入顆粒物的大小。NIOSH研究表明暴露于胸部的懸浮顆粒物濃度應(yīng)限制在0.4mg/m3，我國和日本等國家相關(guān)標準規(guī)定，加工場所的懸浮顆粒濃度應(yīng)限制在0.5mg/m3。3.2

冷卻潤滑條件對環(huán)境的總體影響從環(huán)保的角度看，替代濕式加工（Wet）的方案可以根據(jù)類似的環(huán)境影響分為3組（見圖6）。最有效的一組是干切削（Dry）和MQL的使用；其次是使用液氮（LN2）或低溫CO2等的低溫加工；第三是使用液氮或低溫CO2與MQL的混合冷卻潤滑（CryoMQL）。在干切削時，存在較高的功率消耗，這導(dǎo)致產(chǎn)生的甲苯當量（kg，toluene-eq）增加了8.3%。然而，在使用MQL的情況下，由于可生物降解油的使用，產(chǎn)生的氮當量（kg，N-eq）比干切削多了8倍。此外需要注意的是，在MQL系統(tǒng)中使用了植物基油，這導(dǎo)致其產(chǎn)生的CO2當量（kg，CO2-eq）可為負值，這也是MQL的影響層次低于干切削的原因。對于低溫加工，切削過程中消耗的液氮或者CO2的功率是相似的。然而，使用CO2時獲得的苯當量（kg，benzene-eq）比用液氮少17%。同樣，使用CO2時，直徑＜2.5μm的顆粒物當量（kg，PM2.5-eq）比使用液氮時低11%。與其他冷卻技術(shù)相比，使用礦物油乳液對環(huán)境的影響最大，盡管礦物油乳液在對呼吸和非致癌因素方面的環(huán)境影響較低，但在其他類別（如產(chǎn)生生態(tài)毒性和富營養(yǎng)化）中，其值分別超過630%和760%。如果將這些數(shù)據(jù)與觀察到的其他影響類別相結(jié)合，從環(huán)境角度來看，礦物油乳液是最不建議采用的冷卻潤滑介質(zhì)。圖6

切削介質(zhì)的環(huán)境影響[28]4

冷卻潤滑技術(shù)對加工過程能耗與碳排放的消減作用4.1

加工過程能耗切削加工離不開機床，而機床的能耗在加工過程的不同階段存在顯著變化（見圖7），如起動時的能耗、待機空閑狀態(tài)下的能耗以及切削材料時的能耗等。其中，切削時的能耗最大。圖7

機床加工過程不同階段的能耗曲線圖8為不同冷卻潤滑條件和材料去除率下的切削比能和機床功率的變化情況。其中，切削比能定義為切削單位體積材料所需的能量，L、M、H和VH分別代表材料去除率的低、中、高和超高。由該圖可以看出，機床功率的增加幾乎與材料去除率呈線性關(guān)系，這與文獻的研究結(jié)論相一致。從切削比能上看，在較低的材料去除率下，低溫MQL（CryoMQL）較澆注式（Flood）冷卻潤滑多消耗了1.97%的能量。然而在更高的材料去除率下，低溫MQL較澆注式冷卻潤滑時的能耗分別降低了1.97%、2.21%和4.36%。這表明在高的材料去除率下可采用低溫MQL冷卻潤滑方式。圖8

冷卻潤滑方式和材料去除率對切削比能和機床功率的影響[13]4.2

加工過程碳排放加工過程中的碳排放指標（CEI）是衡量不同加工方式與工藝參數(shù)對環(huán)境影響的重要參數(shù)。因此，針對冷卻潤滑方法對加工過程碳排放的影響研究，可為環(huán)境保護機構(gòu)和相關(guān)組織評估先進冷卻潤滑輔助加工工藝的性能提供重要的支撐。冷卻潤滑方式和材料去除率對碳排放指標的影響及其占比如圖9所示，其中，CEm表示切削帶來的碳排放，CEf表示切削液生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放，CECT表示刀具生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放，CEd表示加工后處理導(dǎo)致的碳排放，CEMQL-oil表示微量潤滑油生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放，CELN2表示液氮生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放。從圖9可以看出，在澆注式冷卻潤滑和低溫MQL冷卻潤滑下（低溫由液氮提供），加工過程碳排放指標均隨著材料去除率的增大而降低，澆注式冷卻潤滑下的CEI由0.538降至0.167，而低溫MQL冷卻潤滑下的CEI由0.102降至0.091，其不僅數(shù)值變化較小，且明顯低于澆注式冷卻下的數(shù)值，這表明澆注式冷卻潤滑方式在碳排放方面的可持續(xù)性較差，而低溫MQI輔助工藝則相對清潔和可持續(xù)。此外，在澆注式冷卻潤滑方式下，刀具成本較高，其導(dǎo)致的碳排放占比較大；而在低溫MQL冷卻潤滑方式下，碳排放則主要來自于液氮生產(chǎn)，如果液氮生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放可以通過環(huán)保生產(chǎn)來改善，則低溫MQL冷卻潤滑方法的應(yīng)用前景更加廣闊。a）加工過程碳排放指標的影響b）Flood單件碳排放占比c）CryoMQL單件碳排放占比圖9

冷卻潤滑方式與材料去除率對加工過程碳排放指標的影響及其占比[13]4.3

冷卻潤滑技術(shù)的可持續(xù)性綜合評價基于以上分析可以看出，針對冷卻潤滑技術(shù)，需要從切削加工性、環(huán)保性以及能耗和碳排放等方面進行綜合評估考慮，但對于不同加工對象，各種冷卻潤滑技術(shù)對可持續(xù)性的各個維度的影響不同，最優(yōu)的加工參數(shù)也不會一致，綜合評估既復(fù)雜，又需要根據(jù)具體應(yīng)用的核心需求確定。文獻從可持續(xù)性發(fā)展的角度，建立了總體性能指標（OveralPerformanceIndicator，OPI）模型及評價算法。針對NFMQL、HNFMQL和MQL三種冷卻潤滑方法，進行了實例分析。在該評估中，可持續(xù)性不同維度的重要性決定了為每個指標分配的權(quán)重，即依據(jù)對具體應(yīng)用中切削加工性、環(huán)保性以及能耗和碳排放的重要性，給予表面粗糙度、功率和能量消耗、刀具壽命、材料去除量、生產(chǎn)成本以及環(huán)境和健康影響等不同權(quán)重。其中，廢物管理部分被作為一個定性指標。該模型如式（1）和式（2）所示。式中，PI是每種冷卻潤滑方法的單個研究指標的標準化性能指數(shù)；AP是每種冷卻潤滑方法的實際性能；OP是最佳性能；n表示研究的指標個數(shù)。利用上述評估方