張乃慶 吳啟東

摘? ?要：針對(duì)金屬加工中切削油液使用量大、泄漏嚴(yán)重、容易造成環(huán)境污染和現(xiàn)有微量潤(rùn)滑技術(shù)存在的問(wèn)題創(chuàng)造性發(fā)明了包括電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)和可降解微量潤(rùn)滑劑;電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)包括電解水發(fā)生器、微量噴油裝置、油水氣噴射裝置;電解水發(fā)生裝置的進(jìn)水端外接水源，堿性水出水端通過(guò)軟管與油水氣噴射裝置連接;電解堿性水發(fā)生器包括電解槽、隔膜、陽(yáng)極電極和陰極電極;隔膜將電解槽分割成兩個(gè)腔體;兩個(gè)腔體分別放置陽(yáng)極電極和陰極電極，形成陽(yáng)極室和陰極室;凈水分別進(jìn)入陽(yáng)極電解槽和陰極電解槽;陰極電解槽內(nèi)的水經(jīng)過(guò)電解后，供水油氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)使用;解決了機(jī)加工的切削油液等冷卻介質(zhì)使用量大，泄漏量大，浪費(fèi)嚴(yán)重，造成環(huán)境污染問(wèn)題?？山到鉂?rùn)滑油添加劑，解決微量潤(rùn)滑劑的極壓抗磨性、潤(rùn)滑性和環(huán)境友好的可降解問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的技術(shù)效果。

關(guān)鍵詞：金屬加工? 微量潤(rùn)滑? 電解水? 三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)? 可降解微量潤(rùn)滑劑

中圖分類號(hào)：TG506.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0099-04

現(xiàn)有的金屬加工潤(rùn)滑和冷卻中一般采用切削油液等冷卻介質(zhì)進(jìn)行潤(rùn)滑，這些切削油液在金屬加工時(shí)被大量噴灑在加工部位，通常是采用間斷或不間斷沖淋噴灑進(jìn)行的，因而其他不需要潤(rùn)滑和冷卻的加工部件或刀具部位也噴灑不少的切削油液，造成切削油液等冷卻介質(zhì)使用量大，泄漏量大，浪費(fèi)嚴(yán)重，造成環(huán)境污染。

微量潤(rùn)滑技術(shù)代替切削油液、干式加工技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，適應(yīng)了綠色制造和可持續(xù)發(fā)展的理念。傳統(tǒng)的零件制造采用供給大量切削油液的澆注式方法已有百年的歷史，解決了切削加工刀具/工件界面強(qiáng)熱/力耦合作用下的冷卻、潤(rùn)滑和排屑等技術(shù)難題。然而零件成形制造過(guò)程中切削油液的大量使用在環(huán)保、成本、職業(yè)健康等方面存在問(wèn)題，已經(jīng)成為制約制造業(yè)綠色發(fā)展的瓶頸。在ISO環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和碳排放要求日益苛刻背景下，發(fā)展清潔、低耗、高效和可持續(xù)的綠色制造新技術(shù)迫在眉睫。綠色制造是可持續(xù)生產(chǎn)的必由之路，也是《中國(guó)制造2025》制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。

近年來(lái)不少研究機(jī)構(gòu)對(duì)微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行了研究[2-5]，微量潤(rùn)滑技術(shù)采用壓縮空氣作為動(dòng)力，將微量的極壓抗磨性能和潤(rùn)滑性能良好的微量潤(rùn)滑劑[6，7]輸送需要潤(rùn)滑冷卻的部位進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，杜絕了潤(rùn)滑冷卻劑的浪費(fèi)。

1? 電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻技術(shù)

對(duì)于有些加工時(shí)由于加工變形量或摩擦熱大，需要另外冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，因此本企業(yè)開(kāi)發(fā)了油水氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)[8-10]，微量潤(rùn)滑油提供潤(rùn)滑和部分冷卻功能，壓縮空氣提供動(dòng)力和部分冷卻清潔功能，水在到達(dá)加工表面時(shí)汽化可以帶走大量的熱量，冷卻效果明顯。不過(guò)此技術(shù)在實(shí)際的使用過(guò)程中存在以下問(wèn)題：（1）添加防銹劑不方便，導(dǎo)致用戶不加防銹劑，因而工件容易生銹;（2）加水不方便，需要停機(jī)卸壓后才能加水，不能多臺(tái)設(shè)備一起供水;（3）水壓不穩(wěn)定，受水容器內(nèi)的壓力影響很大。

為解決以上問(wèn)題，本公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合青島理工大學(xué)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析和研究，并創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了電解水油氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)[1]，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提高工作效率。

1.1 電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)[1]，如圖1：包括1-電解水發(fā)生器、2-微量噴油裝置、3-油水氣噴射裝置;電解水發(fā)生器的進(jìn)水端外接水源，堿性水出水端通過(guò)軟管與油水氣噴射裝置連接;壓縮空氣分成兩路，一路直接與油水氣噴射裝置連接;另一路作為動(dòng)力與微量噴油裝置連接，微量噴油裝置的出油口與油水氣噴射裝置相連接。

電解水發(fā)生器：如圖2，包括：11-電解槽、12-隔膜、13-陽(yáng)極電極和14-陰極電極;隔膜將電解槽分割成兩個(gè)腔體;兩個(gè)腔體分別放置陽(yáng)極電極和陰極電極，形成陽(yáng)極室和陰極室;凈水分別進(jìn)入陽(yáng)極電解槽和陰極電解槽;陰極電解槽內(nèi)的水經(jīng)過(guò)電解后，供水油氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)使用。

微量噴油氣裝置包括：油杯、精密氣動(dòng)泵、頻率控制器;精密氣動(dòng)泵上設(shè)置油杯，頻率控制器控制精密氣動(dòng)泵的出油頻率;精密氣動(dòng)泵上設(shè)置有油量調(diào)節(jié)裝置，控制精密氣動(dòng)泵的出油量;精密氣動(dòng)泵上設(shè)置有氣量調(diào)節(jié)裝置，控制精密氣動(dòng)泵的出氣量，空氣調(diào)壓過(guò)濾器，壓縮空氣通過(guò)空氣調(diào)壓過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)頻率控制器，通入精密氣動(dòng)泵;電磁閥設(shè)置于空氣調(diào)壓過(guò)濾器和頻率控制器之間，用于控制頻率控制器的氣體通斷。

油水氣噴射裝置包括：油水氣混合控制裝置、節(jié)能噴嘴、第一液體輸入管、第二液體輸入管、第一液體輸出管、第二液體輸出管、氣體輸入管、氣體輸出管、調(diào)節(jié)水閥和油水氣三通模塊;第一液體輸入管、第二液體輸入管、氣體輸入管都與油水氣混合控制裝置相連;第一液體輸出管、第二液體輸出管和氣體輸出管一端與油水氣混合控制裝置，另一端與節(jié)能噴嘴相連;節(jié)能噴包括噴嘴本體、嵌套環(huán)、三通柱、密封圈和水油混合輸出管;油水混合，從水油混合輸出管噴出，氣體進(jìn)入噴嘴本體內(nèi)，經(jīng)過(guò)嵌套環(huán)從水油混合輸出管外側(cè)噴出。

1.2 電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

電解水油氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)技術(shù)中潤(rùn)滑劑用量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，現(xiàn)有技術(shù)中水油混合不均勻，出液效果不佳以及加水頻繁增加勞動(dòng)強(qiáng)度的問(wèn)題;電解水裝置生成的堿性電解水有效解決了機(jī)床、工件的防銹問(wèn)題。

2? 可降解微量潤(rùn)滑劑

為解決極少量的潤(rùn)滑劑就能達(dá)到潤(rùn)滑冷卻的目的，傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑劑往往需要添加大量的含硫、氯、磷等對(duì)環(huán)境有較大壓力的添加劑來(lái)增加產(chǎn)品的極壓抗磨性，延長(zhǎng)刀具使用壽命，但這些添加劑對(duì)環(huán)境和工人有一定的危害。如何解決這些問(wèn)題，使微量潤(rùn)滑技術(shù)能夠普及應(yīng)用，需要解決微量潤(rùn)滑劑的極壓抗磨性和潤(rùn)滑性問(wèn)題，同時(shí)還須考慮環(huán)境和工人的身體健康問(wèn)題，本公司為此開(kāi)發(fā)了多款潤(rùn)滑性、極壓抗磨性、可降解性優(yōu)異的微量潤(rùn)滑油添加劑和可降解微量潤(rùn)滑劑[6，7]，并申請(qǐng)了專利保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的技術(shù)效果。

2.1 可降解微量潤(rùn)滑劑技術(shù)內(nèi)容

為了方便說(shuō)明，特別選擇發(fā)明專利：丁烯二酸樹(shù)脂及其制備方法和用該樹(shù)脂制備可降解微量潤(rùn)滑油（ZL201510112410.X）[6]進(jìn)行詳細(xì)描述。

本公司研發(fā)了一種可以全部或部分替代傳統(tǒng)含硫、含氯的極壓抗磨添加劑并且生物降解性能優(yōu)良的微量潤(rùn)滑油添加劑：丁烯二酸樹(shù)脂。丁烯二酸樹(shù)脂由丁烯二酸或丁烯二酸酐和脂肪醇先進(jìn)行酯化反應(yīng)后，再加入引發(fā)劑進(jìn)行聚合反應(yīng)制備而成的。

丁烯二酸樹(shù)脂合成路線的具體工藝步驟如下：步驟一，將丁烯二酸（或丁烯二酸酐）和脂肪醇加入聚合釜內(nèi)，加入催化劑（稀硫酸或陽(yáng)離子交換樹(shù)脂），充入氮?dú)廪D(zhuǎn)換出聚合釜內(nèi)空氣進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度為：180℃～220℃，反應(yīng)時(shí)間為：3～5h;反應(yīng)后減壓排出水分，即為丁烯二酸酯;步驟二，往聚合釜內(nèi)加入引發(fā)劑（引發(fā)劑為：過(guò)氧化二苯甲酰、過(guò)氧化月桂酰、異丙苯過(guò)氧化氫、叔丁基過(guò)氧化氫、過(guò)氧化二叔丁基、過(guò)氧化二異丙苯、過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯、過(guò)氧化叔戊酸叔丁基酯、過(guò)氧化甲乙酮、過(guò)氧化環(huán)己酮、過(guò)氧化二碳酸二異丙酯、過(guò)氧化二碳酸二環(huán)己酯、過(guò)氧化二碳酸二乙基己酯、偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈中的一種或幾種）攪拌，保持反應(yīng)溫度160℃～180℃，聚合反應(yīng)4～8h以后，將聚合釜內(nèi)的聚合物排出，在100℃以上的溫度過(guò)濾去除等雜質(zhì)，即為丁烯二酸樹(shù)脂。

一種可降解微量潤(rùn)滑油，由以下組分組成：丁烯二酸樹(shù)脂、多元醇酯、脂肪酸單酯、?；“彼峄蚱溻c鹽、脂肪醇磷酸酯。

其中多元醇酯是由多元醇與一元脂肪酸進(jìn)行酯化反應(yīng)人工合成所得的合成酯，也可選用天然脂肪酸多元醇酯。合成多元醇酯優(yōu)選：三異辛酸甘油酯、三羥甲基丙烷三異辛酸酯、季戊四醇四異辛酸酯，三月桂酸甘油酯、三羥甲基丙烷三月桂酸酯 、季戊四醇四月桂酸酯、三油酸甘油酯、三羥甲基丙烷三油酸酯 、季戊四醇四油酸酯、三棕櫚酸甘油酯、三羥甲基丙烷三棕櫚酸酯 、季戊四醇四棕櫚酸酯;天然脂肪酸多元醇酯優(yōu)選：菜籽油、大豆油、花生油一種或幾種。

其中脂肪酸單酯是指一元醇和一元脂肪酸制備的酯，可選由天然油脂衍生的直鏈脂肪酸和一元低碳醇酯化反應(yīng)得到的酯，優(yōu)選：油酸甲酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、硬脂酸甲酯、硬脂酸乙酯、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、油酸丁酯一種或幾種。

其中?；“彼峄蚱溻c鹽是脂肪酸和肌氨酸進(jìn)行?；磻?yīng)的產(chǎn)物，優(yōu)選月桂酰肌氨酸、月桂酰肌氨酸鈉、肉豆蔻酰肌氨酸、肉豆蔻酰肌氨酸鈉、椰油酰肌氨酸、椰油酰肌氨酸鈉中的一種或幾種。

其中脂肪醇磷酸酯是飽和或不飽和脂肪醇和磷酸或五氧化二磷反應(yīng)生成的脂肪醇酯，優(yōu)選：三月桂醇磷酸酯、亞磷酸三月桂醇酯、異構(gòu)十三醇磷酸酯、油醇磷酸酯、三異辛醇磷酸酯中的一種或幾種。

2.2 可降解微量潤(rùn)滑劑技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）丁烯二酸樹(shù)脂具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性、極壓抗磨性、生物可降解性，可全部或部分取代傳統(tǒng)的含氯、硫、磷的極壓抗磨劑使用于微量潤(rùn)滑油中，少量的微量潤(rùn)滑油就能滿足金屬加工的潤(rùn)滑冷卻、極壓抗磨和防銹要求。

（2）多元醇酯具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性和可生物降解性。

（3）脂肪酸單酯提供良好的潤(rùn)滑性和分散性，同時(shí)生物可降解性良好。

（4）脂肪醇磷酸酯是良好的極壓抗磨劑，可有效延長(zhǎng)刀具使用壽命，同時(shí)可生物降解。

（5）?；“彼峄蚱溻c鹽，有較好的防銹性能，自身的生物降解性良好，還可促進(jìn)其他組分的生物降解。

3? 電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻技術(shù)的應(yīng)用

微量潤(rùn)滑技術(shù)針對(duì)傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑處理費(fèi)用高昂、污染環(huán)境的技術(shù)瓶頸，率先在理論上揭示了不同極端工況條件下的潤(rùn)滑劑微/納界面熱交換特性的本質(zhì)規(guī)律。本公司率先構(gòu)建了應(yīng)用在9個(gè)行業(yè)14種不同工況的微量潤(rùn)滑工藝體系，解決了航空航天、軌道交通、模具和汽車等領(lǐng)域難加工材料準(zhǔn)干式高效加工的技術(shù)難題。

目前已在國(guó)內(nèi)1000多個(gè)金屬加工企業(yè)成功應(yīng)用，包括中國(guó)中車、中國(guó)鋁業(yè)、中航工業(yè)、中國(guó)中鐵、上海大眾、一汽大眾、上海電氣、中國(guó)二汽、晟通集團(tuán)、格力集團(tuán)、華峰股份、常鋁股份、亞太科技、雙環(huán)傳動(dòng)、中馬傳動(dòng)、叢林集團(tuán)、寧波富邦、浙江巨科、三花股份、萬(wàn)達(dá)鋁業(yè)、萬(wàn)豐奧威、明泰鋁業(yè)、鑫泰鋁業(yè)、山東兗礦、秦川機(jī)床、法士特、富士康、捷安特等企業(yè)進(jìn)行了使用，用戶反映效果良好，大大減少了用戶的切削油液的使用成本，降低對(duì)環(huán)境和工人的危害，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)已經(jīng)成功配套50多家機(jī)床生產(chǎn)商：如德力數(shù)控、晨龍鋸床、金工機(jī)械、日發(fā)精機(jī)、雷德數(shù)控等。

3.1 案例1：某傳動(dòng)件加工央企

中間軸齒輪生產(chǎn)線，加工產(chǎn)品：12JS160T系列中間軸齒輪，數(shù)控滾齒機(jī)數(shù)量3臺(tái)，數(shù)控滾齒機(jī)型號(hào)：YKX3132M，班產(chǎn)280件，原使用機(jī)械油進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，現(xiàn)進(jìn)行改造安裝電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)。

使用電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)（微量潤(rùn)滑裝置+微量潤(rùn)滑劑）改造效果對(duì)比見(jiàn)表1。

經(jīng)分析用油成本下降約80%，總加工成本約下降50%。

3.2 案例2：某飛機(jī)零部件生產(chǎn)企業(yè)

在CNC和銑床的使用加工鋁合金過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

（1）CNC和銑床用切削液潤(rùn)滑冷卻、消耗量大;

（2）切削液容易發(fā)臭，需定期更換槽里面的廢液，增加管理成本;

（3）更換的切削液需處理后才能排放，大大增加切削液的使用成本;

（4）用切削液加工，工件表面發(fā)黑，光潔度差，存在明顯接刀痕跡，工件易變形;

（5）加工效率低。

自運(yùn)用了電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻和可降解微量潤(rùn)滑油后，解決了這些困擾公司多年的以上問(wèn)題。

3.3 案例3：某中小板上市科技企業(yè)

高速鋸床鋸切鋁合金大棒材中存在以下缺點(diǎn)：切削液用量比較大，造成周圍車間地面到處油污，生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重;加工速度慢，刀具損耗大，切削的工件沾切削油液過(guò)多。

自運(yùn)用了電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻和可降解微量潤(rùn)滑油后，解決了這些困擾公司多年的老問(wèn)題：首先潤(rùn)滑劑的用量大大減少;其次周圍地面不再有油污;第三加工效率大大提高;第四鋸片的使用壽命大大延長(zhǎng);第五無(wú)后處理費(fèi)用。

4? 結(jié)語(yǔ)

電解水油氣三相微量潤(rùn)滑冷卻關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，擴(kuò)大了微量潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用范圍，改變了金屬加工領(lǐng)域的潤(rùn)滑冷卻方式，降低了金屬加工用切削油液的使用量及生產(chǎn)成本，減少了金屬加工過(guò)程中切削油液排放對(duì)環(huán)境的污染，改良了金屬加工工件的表面精度，有效緩解機(jī)床、工具及加工工件的銹蝕，優(yōu)化了金屬加工工序環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳啟東，李長(zhǎng)河，張乃慶，等.（上海金兆節(jié)能科技有限公司，青島理工大學(xué)）.電解水油氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)[P].106064325A： 2016.11.02.

[2] 李亮，戚寶運(yùn)，何寧.高性能切削的低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)[J].中國(guó)科技成果，2009（10）：14-18.

[3] W·迪維期（德羅普薩股份公司）.微量潤(rùn)滑裝置[P].CN102080762A：2011.06.01.

[4] 牛曉欽，王春燕.低溫微量切削技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（2）：212-214.

[5] 袁松梅，劉思，嚴(yán)魯濤，等.（北京航空航天大學(xué)）.一種微量潤(rùn)滑系統(tǒng)[P].CN102229062A：2011.11.02

[6] 張乃慶，吳啟東（上海金兆節(jié)能科技有限公司）.丁烯二酸樹(shù)脂及其制備方法和用該樹(shù)脂制備可降解微量潤(rùn)滑油[P].CN104844747A：2015.08.19

[7] 張乃慶，吳啟東（上海金兆節(jié)能科技有限公司）.一種可降解微量潤(rùn)滑油及其制備方法[P].105296081A：2016.02.03

[8] 李剛，吳啟東，張乃慶（上海金兆節(jié)能科技有限公司）.油水氣三相節(jié)能微量潤(rùn)滑系統(tǒng)[P].CN103722447A： 2014.04.16

[9] 吳啟東，曹華軍，肖棟，等.（上海金兆節(jié)能科技有限公司，重慶大學(xué)）.油水氣三相微量潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)[P].CN104924148A： 2015.09.23

[10]李剛，吳啟東，張乃慶.（上海金兆節(jié)能科技有限公司）.油水氣三相混合噴嘴及包含該噴嘴的噴嘴系統(tǒng)[P].CN104985477A： 2015.10.21