金屬切削加工冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的可持續(xù)性

何寧，趙威，Muhammad Jamil

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 江蘇南京 210016

1 序言

眾所周知，對(duì)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(rùn)滑，通過(guò)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(zhǎng)刀具壽命，降低加工成本。這也是金屬切削加工長(zhǎng)期以來(lái)輔以冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的初衷。因此，早期的金屬切削冷卻潤(rùn)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(rùn)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(jì)90年代以來(lái)，現(xiàn)代機(jī)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(duì)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(guó)確定，環(huán)境保護(hù)和人類健康日益成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于傳統(tǒng)切削液對(duì)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(yán)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(rùn)滑方法，被稱為綠色冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，即基于“綠色制造/綠色切削”理念，實(shí)施過(guò)程中對(duì)環(huán)境和人體危害達(dá)到“國(guó)際/國(guó)家”相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效提高加工質(zhì)量和刀具壽命，且應(yīng)用成本相對(duì)較低的先進(jìn)冷卻潤(rùn)滑方式[1]。其主要包括高速干切、低溫冷卻、微量潤(rùn)滑（MQL）/低溫MQL、可生物降解切削液以及復(fù)合冷卻潤(rùn)滑等[2-6]（見(jiàn)圖1）。

圖1 典型綠色冷卻潤(rùn)滑技術(shù)

近年來(lái)，可持續(xù)發(fā)展日益成為全球共識(shí)。為了實(shí)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(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）的簡(jiǎn)明定義，“可持續(xù)制造是指使用無(wú)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(guó)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(rùn)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(guó)內(nèi)外研究者的重點(diǎn)關(guān)注，相關(guān)研究不僅探討了典型冷卻潤(rùn)滑方法對(duì)切削過(guò)程的作用機(jī)制與效果，同時(shí)對(duì)其環(huán)保性、能耗特性以及碳排放等進(jìn)行了相應(yīng)研究與分析。JAMIL等[7]應(yīng)用MQL加工鈦合金時(shí)分析了能耗、表面粗糙度和切削力，指出更好的潤(rùn)滑可以減少能耗和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。KHAN等[8]應(yīng)用MQL混合納米顆粒切削Hyness-25合金，測(cè)試了機(jī)床的能耗、加工成本和碳排放，并通過(guò)環(huán)境性能指數(shù)（EPI）探討了MQL在機(jī)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(diǎn)之一[9]。此外，MQL導(dǎo)致的PM2.5懸浮顆粒物可直接進(jìn)入操作人員肺部，因此MQL切削時(shí)PM2.5濃度對(duì)操作人員而言比澆注式冷卻更值得關(guān)注。KIM等[10]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(zhǎng)3～6倍，同時(shí)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(guò)程。IQBAL等[11]在鉆孔過(guò)程中應(yīng)用CO2冷卻，并與干式和LN2進(jìn)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(duì)降低切削熱、切削力和提高表面質(zhì)量更有效。PUSAVEC等[12]比較了LN2和CO2在銑削鈦合金時(shí)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，SHOKRANI等[5]從切削力、刀具磨損和表面粗糙度等方面對(duì)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(zhǎng)了30倍，生產(chǎn)率提高了50%。KHAN等[13]從機(jī)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(guò)程中的高能耗則是金屬加工碳排放分析時(shí)必須要考慮的因素，而CO2作為化學(xué)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。JAMIL等[6]將乙醇、酯油和干冰按一定比例混合作為冷卻潤(rùn)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(rùn)滑可顯著提高刀具壽命。其最近另一項(xiàng)研究[14]評(píng)估了混合干冰MQL冷卻潤(rùn)滑下的可持續(xù)性和可加工性，結(jié)果表明：冷卻潤(rùn)滑條件和切削速度對(duì)可加工性和可持續(xù)性指標(biāo)的影響最為顯著，與MQL相比，混合冷卻潤(rùn)滑下的加工時(shí)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%。BADURDEEN等[15]引入可持續(xù)性指標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)績(jī)效（如成本）、環(huán)境（如資源使用和廢棄物）和社會(huì)（如健康和安全）3個(gè)方面的附加值來(lái)衡量制造的可持續(xù)價(jià)值，并建立了分析與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)測(cè)定能量和成本指標(biāo)，對(duì)于操作人員健康和安全性，則根據(jù)行業(yè)專家的評(píng)價(jià)制定標(biāo)準(zhǔn)定性度量。

綜上可以看出，不同的冷卻潤(rùn)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(zhǎng)的刀具壽命，然而液氮的生產(chǎn)本身卻是一種高能耗的過(guò)程，因此其可持續(xù)性并不如低溫C O2和混合干冰與M Q L等冷卻潤(rùn)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(rùn)滑技術(shù)的內(nèi)涵不僅應(yīng)考慮對(duì)材料切削加工性的提升和綠色環(huán)保，同時(shí)應(yīng)充分考慮切削介質(zhì)實(shí)施全壽命周期中的能耗和碳排放問(wèn)題。為此，本文從冷卻潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)材料切削加工性的提升作用、對(duì)加工過(guò)程環(huán)境友好性的改善作用以及對(duì)能耗和碳排放的消減作用3個(gè)維度，對(duì)金屬切削冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的可持續(xù)性進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而探討冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的可持續(xù)性綜合評(píng)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(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供支撐，促進(jìn)機(jī)加工領(lǐng)域雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 冷卻潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)材料切削加工性的提升作用

一直以來(lái)，提升材料的切削加工性是機(jī)加工領(lǐng)域選用冷卻潤(rùn)滑技術(shù)時(shí)考慮的首要目標(biāo)。切削介質(zhì)在金屬切削過(guò)程中能否發(fā)揮出預(yù)期的冷卻潤(rùn)滑性能，需從機(jī)理上探究冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)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(rùn)滑條件下，潤(rùn)滑劑具有良好的減摩潤(rùn)滑性能，而低溫介質(zhì)則具有良好的冷卻降溫作用[16-20]，潤(rùn)滑劑和冷卻劑都會(huì)從切削區(qū)相變散熱，具有雙重冷卻效果[21]。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(zhǎng)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(jìn)行考量。本節(jié)主要從直觀評(píng)價(jià)方面結(jié)合典型應(yīng)用案例探討冷卻潤(rùn)滑對(duì)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)[22，23]。在高的切削速度下，冷卻劑/潤(rùn)滑劑難以滲透到切削區(qū)內(nèi)部，而材料的高變形率會(huì)轉(zhuǎn)化為高溫，進(jìn)一步降低刀具壽命。冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)刀具壽命的影響如圖2所示，切削鈦合金時(shí)，隨著切削速度的提高，同種冷卻潤(rùn)滑方式下的刀具壽命呈明顯下降趨勢(shì)。而在相同的切削速度下，如切削速度為50m/min時(shí)，乙醇-酯油-干冰混合冷卻潤(rùn)滑下的刀具壽命為18.1m，其次為酯油-干冰混合冷卻潤(rùn)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(rùn)滑下的刀具壽命為6.4m，酯油-干冰混合冷卻潤(rùn)滑下為6m，乙醇-干冰冷卻下為5.2m，干切削時(shí)則為4.5m。這說(shuō)明在高的切削速度下，乙醇與酯油蒸發(fā)并同時(shí)提供冷卻潤(rùn)滑。盡管高速切削下產(chǎn)生了非常高的溫度，但由于長(zhǎng)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(rùn)滑膜[6]。因此，從延長(zhǎng)刀具壽命的角度考慮，混合冷卻潤(rùn)滑是最佳方式。

圖2 冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)刀具壽命（切削行程）的影響[6]

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(shí)的表面粗糙度。可以看出，切削速度在75～300m/min，切削速度的增加會(huì)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(shí)高速切削過(guò)程中較少涉及犁削材料，亦會(huì)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(jìn)給量的增加而增大，這主要是由于大的每齒進(jìn)給量下，刀具快速向前移動(dòng)，接刀痕跡變得突出，并且會(huì)因?yàn)楸砻嫔系奈⒉鄱a(chǎn)生不規(guī)則紋理。此外，冷卻潤(rùn)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(jìn)給量和混合干冰MQL冷卻潤(rùn)滑條件下，可獲得最佳的加工表面。因此，由于復(fù)合冷卻潤(rùn)滑效應(yīng)，混合干冰MQL下的最小表面粗糙度值Ra可達(dá)0.112μm。這主要是因?yàn)閿y帶MQL油霧的干冰宏/微觀顆粒噴向切削區(qū)，部分會(huì)滲入刀具與工件摩擦接觸區(qū)，在減摩潤(rùn)滑的同時(shí)，升華為氣體并冷卻降溫[14]。

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(guò)程的經(jīng)濟(jì)分析是可持續(xù)性研究的重要支撐。KALPAKJIAN等[24]建立了單個(gè)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(guò)程以及加工后處理等各部分的成本。如式（1）[25]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(duì)不同冷卻潤(rùn)滑條件下的生產(chǎn)成本進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。圖4所示為液氮和乳化液兩種冷卻潤(rùn)滑方式下切削淬硬鋼時(shí)的生產(chǎn)成本計(jì)算結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，在低速段70m/min時(shí)，兩種冷卻潤(rùn)滑方式下的生產(chǎn)成本均隨著進(jìn)給量的增加而降低。在中速段120m/min時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì)。然而，在高速段170m/min應(yīng)用乳化液冷卻潤(rùn)滑時(shí)，生產(chǎn)成本最初會(huì)隨著進(jìn)給量的增加而降低，但在最高的進(jìn)給量下，生產(chǎn)成本會(huì)隨之變大。雖然高速切削時(shí)加工成本顯著降低，但速度過(guò)高時(shí)刀具成本會(huì)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(shí)，建議不要使用過(guò)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(jìn)給量的增加而降低，但切削速度為170m/min時(shí)，高進(jìn)給量下的生產(chǎn)成本雖較中等進(jìn)給量略有增加，但增幅僅為1.4%。

圖4 切削參數(shù)對(duì)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(shí)，生產(chǎn)成本相應(yīng)降低。然而，應(yīng)用乳化液冷卻潤(rùn)滑時(shí)，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(jìn)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(rùn)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(duì)于應(yīng)用液氮，生產(chǎn)成本降低了8.5%。然而，對(duì)于其他切削用量下，液氮冷卻下的生產(chǎn)成本相對(duì)較低。在最高切削速度和最高進(jìn)給量的組合下，液氮冷卻下的生產(chǎn)成本相對(duì)乳化液條件降低了70.9%。因此，在高的切削速度和高的進(jìn)給量條件下，應(yīng)用液氮進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑是經(jīng)濟(jì)的。

乳化液和液氮冷卻潤(rùn)滑時(shí)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(xiàn)及其從最低到最高切削用量下的變化。在兩種冷卻潤(rùn)滑下，加工成本占主導(dǎo)地位，在最低切削用量時(shí)，加工成本幾乎占總成本的一半（見(jiàn)圖5a和5c）。此外，由于刀具磨損對(duì)切削用量的選擇很敏感，因此，在最高切削用量時(shí)，刀具成本占總成本比重很大（見(jiàn)圖5b和5d）。

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(rùn)滑技術(shù)對(duì)加工過(guò)程環(huán)境友好性的改善作用

3.1 切削油霧及其限值標(biāo)準(zhǔn)

職業(yè)健康研究表明，長(zhǎng)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[26]。針對(duì)此類健康問(wèn)題，許多政府機(jī)構(gòu)，如美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）、環(huán)境保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。早在1987年，這些標(biāo)準(zhǔn)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(huì)通過(guò)喉部進(jìn)入肺部的傳導(dǎo)氣道和支氣管區(qū)域，進(jìn)入該區(qū)域的較大顆?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)從體內(nèi)排出。此后，國(guó)際上一些工業(yè)組織和政府機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)均嚴(yán)格遵循美國(guó)環(huán)保局制定的美國(guó)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NAAQS）。10年后，為了應(yīng)對(duì)微小懸浮物顆粒對(duì)人類健康構(gòu)成的更大風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，以解決由吸入直徑＜2.5μm的顆粒物（PM2.5）導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。PM2.5代表進(jìn)入肺部最深處（無(wú)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[27]，我國(guó)和日本等國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，加工場(chǎng)所的懸浮顆粒濃度應(yīng)限制在0.5mg/m3。

3.2 冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)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(jiàn)圖6）[28]。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(rùn)滑（CryoMQL）。在干切削時(shí)，存在較高的功率消耗，這導(dǎo)致產(chǎn)生的甲苯當(dāng)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(dāng)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(dāng)量（kg，CO2-eq）可為負(fù)值，這也是MQL的影響層次低于干切削的原因。對(duì)于低溫加工，切削過(guò)程中消耗的液氮或者CO2的功率是相似的。然而，使用CO2時(shí)獲得的苯當(dāng)量（kg，benzene-eq）比用液氮少17%。同樣，使用CO2時(shí)，直徑＜2.5μm的顆粒物當(dāng)量（kg，PM2.5-eq）比使用液氮時(shí)低11%。與其他冷卻技術(shù)相比，使用礦物油乳液對(duì)環(huán)境的影響最大，盡管礦物油乳液在對(duì)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(yíng)養(yǎng)化）中，其值分別超過(guò)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(lái)看，礦物油乳液是最不建議采用的冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)。

圖6 切削介質(zhì)的環(huán)境影響[28]

4 冷卻潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)加工過(guò)程能耗與碳排放的消減作用

4.1 加工過(guò)程能耗

切削加工離不開(kāi)機(jī)床，而機(jī)床的能耗在加工過(guò)程的不同階段存在顯著變化（見(jiàn)圖7），如起動(dòng)時(shí)的能耗、待機(jī)空閑狀態(tài)下的能耗以及切削材料時(shí)的能耗等。其中，切削時(shí)的能耗最大。

圖7 機(jī)床加工過(guò)程不同階段的能耗曲線[13]

圖8為不同冷卻潤(rùn)滑條件和材料去除率下的切削比能和機(jī)床功率的變化情況[13]。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(jī)床功率的增加幾乎與材料去除率呈線性關(guān)系，這與文獻(xiàn)[29]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(rùn)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(rùn)滑時(shí)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(rùn)滑方式。

圖8 冷卻潤(rùn)滑方式和材料去除率對(duì)切削比能和機(jī)床功率的影響[13]

4.2 加工過(guò)程碳排放

加工過(guò)程中的碳排放指標(biāo)（CEI）是衡量不同加工方式與工藝參數(shù)對(duì)環(huán)境影響的重要參數(shù)。因此，針對(duì)冷卻潤(rùn)滑方法對(duì)加工過(guò)程碳排放的影響研究，可為環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)和相關(guān)組織評(píng)估先進(jìn)冷卻潤(rùn)滑輔助加工工藝的性能提供重要的支撐。冷卻潤(rùn)滑方式和材料去除率對(duì)碳排放指標(biāo)的影響及其占比如圖9所示，其中，CEm表示切削帶來(lái)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(rùn)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(rùn)滑和低溫MQL冷卻潤(rùn)滑下（低溫由液氮提供），加工過(guò)程碳排放指標(biāo)均隨著材料去除率的增大而降低，澆注式冷卻潤(rùn)滑下的CEI由0.538降至0.167，而低溫MQL冷卻潤(rùn)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(rùn)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(duì)清潔和可持續(xù)。此外，在澆注式冷卻潤(rùn)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(rùn)滑方式下，碳排放則主要來(lái)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(guò)環(huán)保生產(chǎn)來(lái)改善，則低溫MQL冷卻潤(rùn)滑方法的應(yīng)用前景更加廣闊。

圖9 冷卻潤(rùn)滑方式與材料去除率對(duì)加工過(guò)程碳排放指標(biāo)的影響及其占比[13]

4.3 冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)

基于以上分析可以看出，針對(duì)冷卻潤(rùn)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(jìn)行綜合評(píng)估考慮，但對(duì)于不同加工對(duì)象，各種冷卻潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)可持續(xù)性的各個(gè)維度的影響不同，最優(yōu)的加工參數(shù)也不會(huì)一致，綜合評(píng)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(xiàn)[30]從可持續(xù)性發(fā)展的角度，建立了總體性能指標(biāo)（Overal Performance Indicator，OPI）模型及評(píng)價(jià)算法。針對(duì)NFMQL、HNFMQL和MQL三種冷卻潤(rùn)滑方法，進(jìn)行了實(shí)例分析。在該評(píng)估中，可持續(xù)性不同維度的重要性決定了為每個(gè)指標(biāo)分配的權(quán)重，即依據(jù)對(duì)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(gè)定性指標(biāo)。該模型如式（1）和式（2）所示。

式中，PI是每種冷卻潤(rùn)滑方法的單個(gè)研究指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化性能指數(shù)；AP是每種冷卻潤(rùn)滑方法的實(shí)際性能；OP是最佳性能；n表示研究的指標(biāo)個(gè)數(shù)。

利用上述評(píng)估方法，得到3種冷卻潤(rùn)滑方法加工AISI-1045鋼的可持續(xù)性評(píng)估結(jié)果（見(jiàn)表1），評(píng)估指標(biāo)顯示在表格的第一列，應(yīng)用式（1）根據(jù)響應(yīng)值計(jì)算PI，最后通過(guò)式（2）計(jì)算OPI。由表1可見(jiàn)，MQL顯示出最高的OPI（0.87），而對(duì)于NFMQL和HNFMQL方法，由于納米流體制備過(guò)程的困難和對(duì)環(huán)境的影響，其OPI值略低。然而，如果利用合適的制備手段并遵循廢物管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以補(bǔ)償這種輕微的影響。因此，HNFMQL仍然具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力。

表1 可持續(xù)性評(píng)估過(guò)程和結(jié)果[30]

5 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)有的新型冷卻潤(rùn)滑技術(shù)發(fā)展水平及應(yīng)用效果來(lái)看，高速干切面向高溫合金和淬硬剛材料具有較佳的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在復(fù)合材料加工時(shí)尤其要注意切屑粉塵污染。低溫、MQL、高生物降解環(huán)保切削液以及各類混合冷卻潤(rùn)滑方法則是多數(shù)難加工材料的有效冷卻潤(rùn)滑方式，具有一定的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但需要注意的是：MQL推薦使用可生物降解的冷卻潤(rùn)滑劑（如植物油），低溫介質(zhì)應(yīng)采用更加節(jié)能環(huán)保的方式制備，以降低其在整個(gè)制造過(guò)程中的碳排放占比，而納米流體制備過(guò)程中同樣要考慮其能耗和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

高效、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)合理已成為現(xiàn)在制造領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的新模式，然而切削加工中的冷卻潤(rùn)滑在提升難加工材料切削加工性能的同時(shí)，亦會(huì)給環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，切削加工中的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)滿足如下要求：①冷卻潤(rùn)滑性能強(qiáng)，能夠顯著提升材料的切削加工性。②環(huán)境友好性高，切削介質(zhì)的制備、使用、維護(hù)與處理對(duì)環(huán)境和人體健康的負(fù)面影響低，滿足國(guó)際或國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。③碳排放指數(shù)和能耗低，切削介質(zhì)的制備、維護(hù)與處理導(dǎo)致的碳排放和能耗低，使用時(shí)能夠明顯提升加工過(guò)程能效。④經(jīng)濟(jì)性好，能夠明顯降低零件的加工總成本。因此，發(fā)展新型冷卻潤(rùn)滑技術(shù)時(shí)，需要根據(jù)具體的加工對(duì)象，對(duì)其切削加工性提升作用、環(huán)境友好性改善作用以及對(duì)能耗和碳排放的消減作用等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡，從而有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前全球化的能源與環(huán)境壓力，促進(jìn)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。