绿色制造视角下机械加工切削液替代技术及环境效益分析

一、引言

随着全球工业化进程的加速，制造业在推动经济发展的同时，也带来了严峻的环境问题。机械加工作为制造业的重要组成部分，切削液的广泛使用在提高加工质量和效率的同时，也引发了一系列环境与健康问题。传统切削液中含有大量化学添加剂，其生产、使用和处理过程会产生废水、废气和废渣，对土壤、水体和大气造成污染 ；此外，切削液的挥发和接触还可能危害操作人员的身体健康。绿色制造旨在综合考虑环境影响和资源利用效率，实现制造业的可持续发展。在此背景下，研究机械加工切削液替代技术及其环境效益，对推动机械加工行业绿色转型、降低环境污染具有重要意义。

二、机械加工切削液替代技术概述

（一）干式切削技术

干式切削技术是在机械加工过程中不使用切削液的加工方法。其原理是通过优化刀具材料、刀具几何形状和切削参数，提高刀具的耐磨性和耐热性，以适应无切削液的加工环境。例如，采用涂层刀具，在刀具表面涂覆一层具有高硬度、高耐磨性和低摩擦系数的涂层材料，如 TiN、TiAlN 等，可有效减少刀具与工件之间的摩擦和磨损 。干式切削技术具有无切削液污染、降低生产成本、简化加工工艺等优点，但对刀具性能和机床性能要求较高，适用于一些对加工精度要求不高、切削热影响较小的加工场景。

（二）微量润滑切削技术

微量润滑切削（MQL）技术是一种介于干式切削和湿式切削之间的绿色加工技术。它通过微量润滑装置将极少量的润滑剂（通常为植物油或合成酯类）与压缩空气混合，形成雾状润滑剂，以高压喷射的方式喷向切削区域，起到润滑和冷却的作用 。与传统湿式切削相比，MQL 技术润滑剂使用量极少，仅为传统切削液使用量的 ，大大减少了切削液的污染。同时，雾状润滑剂能够迅速带走切削热，有效降低切削温度，提高刀具寿命和加工表面质量。该技术适用于多种机械加工工艺，如车削、铣削、钻孔等。

（三）液氮冷却切削技术

液氮冷却切削技术是利用液氮的超低温特性，将液氮直接喷射到切削区域，对刀具和工件进行冷却的加工方法。液氮的沸点为 - 196℃，能够迅速带走切削热，使切削区域温度急剧降低，从而改善材料的切削性能，减少刀具磨损，提高加工精度和表面质量 。此外，液氮是一种惰性气体，无污染、无残留，不会对环境造成危害。

（一）减少水污染

传统切削液使用后产生的废水含有大量的有机物、重金属和表面活性剂等污染物，若未经处理直接排放，会对水体造成严重污染。干式切削技术完全不使用切削液，不存在切削液废水排放问题；微量润滑切削技术润滑剂使用量极少，产生的废液量也大幅减少，且其润滑剂多为可生物降解材料，对水体污染较小；液氮冷却切削技术以液氮为冷却介质，液氮挥发后不会对水体造成污染 。因此，这些替代技术从源头上减少了切削液废水的产生，降低了对水体环境的污染风险。

（二）降低大气污染

传统切削液在使用过程中，部分切削液会挥发到大气中，形成油雾和蒸汽，含有多种有害化学物质，如芳香烃、醇类等，不仅危害操作人员的健康，还会对大气环境造成污染 。干式切削技术避免了切削液挥发问题；微量润滑切削技术润滑剂使用量少，挥发到大气中的有害物质也相应减少；液氮冷却切削技术使用的液氮为惰性气体，不会产生有害气体排放。采用这些替代技术，能够有效降低机械加工过程中大气污染物的排放，改善车间和周边大气环境质量。

（三）节约资源与能源

传统切削液的生产、使用和处理需要消耗大量的资源和能源。从生产环节看，切削液的制造需要消耗石油、化工原料等资源；在使用过程中，需要消耗大量的水资源进行稀释和冲洗；处理废弃切削液也需要消耗能源和资源 。而干式切削技术无需使用切削液，减少了切削液相关的资源和能源消耗；微量润滑切削技术润滑剂使用量少，降低了资源消耗；液氮冷却切削技术虽然液氮制备和输送需要消耗一定能源，但相比传统切削液整体能源消耗仍有降低空间。因此，切削液替代技术有助于实现资源的高效利用，降低机械加工行业的能源消耗。

四、切削液替代技术应用面临的挑战

（一）技术瓶颈

尽管干式切削、微量润滑切削和液氮冷却切削等替代技术具有诸多优势，但仍存在技术瓶颈。干式切削对刀具性能要求极高，目前高性能刀具成本昂贵，限制了其广泛应用；微量润滑切削在加工复杂零件或深孔加工时，润滑剂的均匀分布和有效供给难以保证；液氮冷却切削技术设备复杂，液氮的储存和输送存在安全隐患，且设备维护成本高 。这些技术问题制约了切削液替代技术的进一步推广和应用。

（二）成本因素

采用切削液替代技术需要投入新的设备、刀具和工艺，初期投资成本较高。例如，购买微量润滑装置、液氮冷却设备等需要大量资金；干式切削使用的高性能刀具价格也远超普通刀具。此外，替代技术的研发和应用还需要专业技术人员，人力成本增加。对于一些资金实力较弱的中小企业来说，难以承担这些成本，影响了替代技术的应用积极性。

五、切削液替代技术的发展趋势

（一）技术创新与融合

未来，切削液替代技术将朝着更高性能、更可靠的方向发展。一方面，研发新型刀具材料和涂层技术，提高干式切削刀具的耐磨性和耐热性；改进微量润滑装置，优化润滑剂喷射方式，提高润滑效果；完善液氮冷却设备，降低设备成本和安全风险 。另一方面，推动多种替代技术的融合应用，如将微量润滑与液氮冷却相结合，发挥两者优势，进一步提高加工质量和效率。

（二）智能化与数字化

随着智能制造技术的发展，切削液替代技术将与智能化、数字化技术深度融合。通过传感器实时监测切削过程中的温度、力、振动等参数，结合人工智能算法优化切削参数和润滑冷却策略，实现加工过程的智能化控制 。利用数字孪生技术对机械加工过程进行虚拟仿真，模拟不同替代技术的应用效果，为企业选择合适的技术方案提供依据。

六、结论

在绿色制造背景下，机械加工切削液替代技术的研究和应用是实现机械加工行业可持续发展的必然趋势。干式切削、微量润滑切削、液氮冷却切削等替代技术在减少环境污染、降低资源消耗等方面具有显著的环境效益。然而，目前这些替代技术在应用过程中仍面临技术瓶颈、成本高、行业认知不足等挑战。未来，通过技术创新与融合、智能化与数字化发展以及政策推动和行业规范完善，切削液替代技术将不断发展和完善，为机械加工行业绿色转型提供有力支撑。

参考文献：

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