环 境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要 问题。人类活动引起的环境恶化正对人类社会的生存与发展构成严重威胁。近年来，国际标准化组织相继颁布了质量管理体系标准(ISO9000 系列)、环境管理体系标准(ISO14001)和职业安全与卫生管理体系标准(OHSAS18001)，将质量管理、环境管理和职业安全与卫生管理纳入企 业综合管理，为企业全面提高管理水平、加强综合实力提供了管理手段和工具。在制造业引起的环境问题日趋尖锐之际，一种适应可持续发展战略的先进制造模式 ——绿色制造开始崭露头角。绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产 品生命周期中对环境的影响(负作用)为零或最小，使资源消耗尽可能小，并使企业经济效益和社会效益得到协调优化。

在切削加工过程中，切 削液是造成环境污染的主要污染源之一。采用绿色切削液、减少切削液的环境污染等问题已成为绿色制造领域的研究热点之一。美国密执安技术大学对切削加工中切 削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下使切削液用量最少，以期将与切削液有关的费用降至最低。美国Thyssen 制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液的液流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由CNC 程序控制，效果比较理想。山东工业大学孙建国等基于产品生命周期对切削液的绿色性进行了研究。

生产实践证明，合理选择切削液可充分发挥 切削液的性能，节约加工成本，并减少切削液对环境的污染，因此，对切削液进行优化选择是减少加工过程中切削液污染的重要途径之一。本文在综合考虑切削液质 量、成本及环境影响等决策目标的基础上，建立了面向绿色制造的切削液综合选择模型及其约束条件，并结合生产实例对该模型的应用方法及可行性进行了分析验 证。

2 面向绿色制造的切削液综合选择模型的建立

笔者从20世纪80年代初以来对与绿色制造直接相关的制造系统中的 资源和能源问题进行了长期研究，并提出了基于绿色制造的T(时间)、Q(质量)、C(成本)、E(环境影响)、R(资源消耗)等五大决策目标变量的决策目 标体系以及相应的决策框架模型。绿色制造中的任何一个决策问题都与上述五个决策目标变量中的某些(或全部)因素有关。

上述模型只是针对制造系统而言，并未建立具体的切削液综合选择模型。本文在绿色制造目标体系和决策模型的基础上，结合切削液选用中的具体问题，提出了面向绿色制造的切削液决策目标体系和决策目标分解框架变量组，并在此基础上建立了具有可操作性的切削液综合选择模型。

1. 面向绿色制造的切削液决策问题目标体系

   面 向绿色制造的切削液综合选择问题是一个多目标的、定性与定量相结合的复杂决策问题。要建立决策模型，首先需要确定决策变量，即决策活动追求的目标。按传统 方式选择切削液时，人们追求的目标变量主要为质量(Q)和成本(C)。其中，质量主要指切削液的润滑、冷却和清洗性能及其使用周期和利用率；成本则包括经 济成本(材料成本、设施和设备成本、劳动力成本、能源成本)、用户成本(使用成本、维护成本)及其它杂项成本。工业发达国家的制造业在选择切削液时，除需 满足切削加工工艺要求外，更注重考虑切削液对人身健康的危害、废液处理和综合成本等因素。这一观点正逐渐被国内切削加工业所接受。面向绿色制造的切削液选 择决策目标体系是将环境影响(E)作为一个重要因素加以考虑，即面向绿色制造的切削液决策目标变量为质量(Q)、成本(C)和环境(E)三个因素，对这三 个目标变量的追求结果为质量最高、成本最低、环境影响最小。Q、C、E 三个决策目标之间存在密切联系，它们共同构成面向绿色制造的切削液决策目标体系。该体系中决策目标向量的分解内容如图1所示。
   

图1 面向绿色制造的切削液决策目标体系分解内容

切削液的环境影响主要包括以下三个方面：

1. 对生态环境的影响：该 指标主要指生产过程中产生的废气、废液、废物等可能对生态环境造成的影响。切削液对环境的危害主要体现为将切削加工中使用过的废油、废液等不经有效处理直 接排放或焚烧对水资源或大气造成的污染。此外，切削加工中使用的切削液或多或少会存留在切屑上，因此对带有残存切削液的切屑以及切削液寿命结束后处置不当 也可能对环境造成影响，如切屑大量堆积会污染土壤，对切屑进行再生利用时切削液的有毒有害成分也会污染环境。
2. 对职业健康、安全与卫生的影响：该 指标主要指在生产过程中可能对职业劳动者健康造成的损害。切削液对人体的危害首先表现为切削液中的添加剂(如常用作杀菌剂的苯酚类物质)具有较大毒性；其 次，切削液中的矿物油、表面活性剂等的脱脂作用以及防腐杀菌剂的刺激性会使人体皮肤干燥、脱脂，甚至引起开裂、红肿、化脓等；此外，油基切削液的主要成分 矿物油和水基切削液中的碱性物质对人的呼吸器官也具有一定危害作用。
3. 不安全性：该指标主要指在生产过程中因各种原因产生的不安全性。切削液中含有多种添加剂，在使用过程中可能造成设备腐蚀、生锈以及引发火灾等不安全因素。

• 面向绿色制造的切削液决策问题的变量描述

  切削液决策问题的实质是使用方案的优化问题，即从若干可能的方案中选出最优或相对较优的方案。对切削液的使用方案进行优化时，涉及的所有变量均可用一个n维向量来描述，即

  X=[x₁，x₂，…，x_n]^T

  式中，n为可能的加工方案数，x_i(i=1，2，…，n)代表第i 个加工方案，且有

xi=	{	0—不采用第i个方案
		1—采用第i个方案

• 模型选择及约束条件

  基于上述分析，建立面向绿色制造的切削液综合选择模型如下：

  目标函数为：Q(X)(用于描述质量决策目标)、C(X)(用于描述成本决策目标)、E(X)(用于描述环境影响决策目标)。优化描述为

  maxQ(X)，minC(X)，minE(X)→Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]
建立面向绿色制造的切削液综合选择的决策模型如下：对于某一切削液选择决策问题X=[x₁，x₂，…，x_n]^T，求出
X^*=[x₁*，x₂*，…，x_n*]^T 满足约束条件

gu(X)≤0	(u=1，2，…，k)
hv(X)=0	(v=1，2，…，p <>

使得 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]
X∈Rn 其中，X*为最优切削液种类。
上述切削液选择模型是一个在给定环境条件(即系统约束边界，如有限资源控制以及满足加工工艺要求)和目标下建立的多目标规划模型。该模型有两个约束条件：g_u(X)为模型的不等式约束条件；h_v(X)为模型的等式约束条件。分别讨论如下：
1. 等式约束条件h_v(X)对于X=[x₁，x₂，…，x_n]^T，任一X都等于0(即不采用该方案)或1(即采用该方案)，而综合选择的最优方案X^*=[x₁*，x₂*，…，x_n*]^T是在满足等式约束条件x₁*+x₂*+…+x_p*=1的情况下目标函数的最优值，即Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
2. 不等式约束条件g_u(X)

   对于模型中的目标函数Q(X)，C(X)，E(X)，在满足切削加工工艺要求的基础上，均受到不同方案的质量、成本和环境目标的相关约束。对于X=[x₁，x₂，…，x_n]^T(x₁，x₂，…，x_n等于0 或1)，求出X^*=[x₁*，x₂*，…，x_n*]，满足不等式约束条件g_u(X)≤b_i(u=1，2，…，k)(其中b_i分别为质量目标约束、成本目标约束、环境目标约束和原材料约束)，得到Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。

3 应用实例分析

某机床厂在滚齿加工中原使用32^#机 油作为切削油，对工人健康和加工设备都有一定危害性，且废油较难处理。为贯彻质量管理体系标准(ISO9000 系列)、环境管理体系标准(ISO14001)和职业安全与卫生管理体系标准(OHSAS18001)，该厂希望采用一种国产新型绿色合成切削液SG-3 或进口合成切削液(3% Synthetic Oil)来替代传统的32^#机油。利用本文提出的面向绿色制造的切削液综合选择决策模型，可对此问题作出系统决策。
1. 方案描述

   该问题的方案描述方程为

   X=[x₁，x₂，x₃]

   其中：

Xi(i=1，2，3)=	{	0—不采用第i 个方案
		1—采用第i个方案

X	{	(x1=1，x2=0，x3=0)=方案A1，即采用32#机油
		(x1=0，x2=1，x3=0)=方案A2，即采用国产新型切削液
		(x1=0，x2=0，x3=1)=方案A3，即采用进口合成切削液

• 目标函数评价

  根 据面向绿色制造的切削液决策目标体系中质量函数Q(X)、成本函数C(X)和环境影响函数E(X)包含的分解内容(参见图1)，建立表1所示的三种切削液 方案的综合评价体系。在决策过程中，采用模糊聚类方法对三个目标函数进行综合评价，得到量化的评价结果，以此反映三种方案的最终优化结果。该综合评价体系 包含三个评价方面，每一评价方面包含多个评价要素，每一评价要素又包含不同的评价因素。各评价方面、评价要素及评价因素分别配置不同的权重，评价等级可设 为相同的数目等级，即V={v₁，v₂，v₃}，分别记为：好/ 一般/ 差。

• 决策模型的建立

  根据前述决策模型建立方法，可建立本应用实例的切削液综合选择模型如下：对于X=[x₁，x₂，x₃](x₁，x₂，x₃=0 或1)，求出X*=[x₁*，x₂*，x₃*]，满足约束条件：x₁* + x₂* +x3*=1，使得Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。

• 三种切削液方案的模糊评价根据决策模型，分别对三种切削液方案建立决策变量评价要素集，进行模糊评价。
1. 方案A₁ (采用32^#机油切削油)
1. 建立切削液质量(Q)评价要素集U₁₁
U₁₁={u₁(润滑性能)，u₂(冷却性能)，u₃(清洗性能)，u₄(使用周期)} ₁₁
• 建立切削液质量(Q)评价要素模糊矩阵R₁₁

  根据专业测试方法并结合专家调查法，用隶属度表示模糊矩阵，得出切削液质量(Q)评价要素的模糊评价矩阵R₁₁为

R11=	[	0.5	0.3	0.2	]
		0.5	0.3	0.2
		0.5	0.3	0.2
		0.55	0.25	0.18		11

• 建立切削液质量(Q)评价要素权重系数矩阵A₁₁
A₁₁=(0.3，0.3，0.3，0.1)₁₁
• 计算切削液质量(Q)评价要素综合评价矩阵B₁

B1=A11R11=(0.3，0.3，0.3，0.1)11	[	0.5	0.3	0.2	]
		0.5	0.3	0.2
		0.5	0.3	0.2
		0.55	0.25	0.18		11
=(0.505，0.295，0.198)

依此类推，可得到切削液环境影响(E)要素评价矩阵B₂₁、B₂₂、B₂₃和切削液成本(C)要素评价矩阵B₃₁、B₃₂、B₃₃。经过上述两层综合评价，可得到切削液方案A₁的综合评价矩阵B为

表1 三种切削液方案综合评价目标体系

评价方面			评价要素			评价因素			评价等级
序号i	ui	权重ai	序号j	uij	权重aij	序号k	uijk	权重	v1	v2	v3
									模糊矩阵
									好	一般	差
1	质量(Q)	0.4	1	润滑	0.3	A1	润滑	1	0.50	0.30	0.20
						A2	润滑	1	0.70	0.25	0.05
						A3	润滑	1	0.80	0.15	0.05
			2	冷却	0.3	A1	冷却	1	0.50	0.30	0.20
						A2	冷却	1	0.70	0.25	0.05
						A3	冷却	1	0.80	0.15	0.05
			3	清洗	0.3	A1	清洗	1	0.50	0.30	0.20
						A2	清洗	1	0.70	0.25	0.05
						A3	清洗	1	0.80	0.15	0.05
			4	利用率与使用周期	0.1	A1	利用率与使用周期	1	0.55	0.25	0.18
						A2	利用率与使用周期	1	0.70	0.25	0.05
						A3	利用率与使用周期	1	0.80	0.15	0.05
									无	有	多
2	环境(E)	0.3	1	毒性危害	0.25	A1	毒性危害	1	0.5	0.3	0.20
						A2	毒性危害	1	0.7	0.25	0.05
						A3	毒性危害	1	0.75	0.20	0.05
			2	安全指标	0.35	A1	对人体危害	0.3	0.6	0.3	0.10
						A2	对人体危害	0.3	0.7	0.25	0.05
						A3	对人体危害	0.3	0.80	0.20	0
						A1	设备安全性	0.25	0.50	0.3	0.20
						A2	设备安全性	0.25	0.65	0.25	0.1
						A3	设备安全性	0.25	0.75	0.20	0.05
						A1	腐蚀性/防锈性	0.25	0.55	0.3	0.15
						A2	腐蚀性/防锈性	0.25	0.65	0.25	0.1
						A3	腐蚀性/防锈性	0.25	0.70	0.2	0.1
						A1	火灾安全性	0.2	0.8	0.2	0
						A2	火灾安全性	0.2	1.0	0	0
						A3	火灾安全性	0.2	1.0	0	0
			3	环境指标	0.4	A1	水体和土壤污染	0.6	0.45	0.3	0.25
						A2	水体和土壤污染	0.6	0.6	0.25	0.15
						A3	水体和土壤污染	0.6	0.70	0.20	0.10
						A1	废弃物污染	0.4	0.40	0.3	0.3
						A2	废弃物污染	0.4	0.6	0.2	0.2
						A3	废弃物污染	0.4	0.70	0.20	0.10
3	成本(C)	0.3	1	生产成本	0.5	A1	企业成本	1	0.50	0.3	0.2
						A2	企业成本	1	0.68	0.22	0.1
						A3	企业成本	1	0.70	0.20	0.10
			2	用户成本	0.2	A1	使用成本、维护成本	1	0.55	0.25	0.2
						A2	使用成本、维护成本	1	0.60	0.20	0.2
						A3	使用成本、维护成本	1	0.70	0.20	0.10
			3	社会成本	0.3	A1	环境污染治理费用	0.3	0.3	0.3	0.4
						A2	环境污染治理费用	0.3	0.6	0.3	0.1
						A3	环境污染治理费用	0.3	0.70	0.20	0.10
						A1	职业保健费用	0.4	0.5	0.3	0.2
						A2	职业保健费用	0.4	0.7	0.2	0.10
						A3	职业保健费用	0.4	0.75	0.15	0.10
						A1	废弃物处置费用	0.3	0.55	0.25	0.2
						A2	废弃物处置费用	0.3	0.65	0.2	0.15
						A3	废弃物处置费用	0.3	0.75	0.15	0.10

Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A1=B=AR
=(0.4，0.3，0.3)	[	0.505	0.295	0.198	]
		0.508	0.293	0.2336
		0.496	0.285	0.202
=(0.5035，0.292，0.21)

最后，可用总分数值来表达综合评价结果。一般可取评价标准隶属度集为u={u₁，u₂，…，u_i，…，u_n，…｝，计算出综合评价结果的具体得分，据此分数值可对被评价对象进行排序，得分计算方法为
得分=100Bu=100(b₁，b₂，…，b_i，…，b_m)
{u₁，u₂…，，u_i，…，u_n，…}^T=100(∑ni=1b_iu_i)
若用分数值表示综合评价结果，可取评价标准隶属度集的分值为
u=[0.90(好)，0.60(一般)，0.30(差)]
据此可计算出采用32^#机油切削油的综合评价得分为100Bu=69.35。
• 方案A₂ (采用国产新型合成切削液)

  参照方案A₁的评价步骤，依次建立各评价要素的评价模型并进行综合评价，最后得到采用方案A₂的综合评价矩阵为

  Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A2=B=AR=(0.6565，0.219，0.125)

  据此可计算出，采用国产新型合成切削液的综合评价得分为100Bu=78.01。

• 方案A₃ (采用进口合成切削液)

  按照评价步骤，依次建立各评价要素的评价模型并进行综合评价，最后得到采用方案A₃的综合评价矩阵为

  Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A3=B=AR=(0.757，0.179，0.07)

  据此可计算出采用进口合成切削液的综合评价得分为100Bu=80.67。

最终评价结果表明：国产新型合成切削液和进口合成切削液方案均优于原32^#机油切削油方案。考虑到规模生产的综合成本因素，该厂最后决定采用国产新型合成切削液方案，并在生产中取得了较显著的综合效益(经济效益和社会效益)。应用实践证明，面向绿色制造的切削液综合选择模型具有可行性和实用性。

4 结语

本 文建立了面向绿色制造的、包括质量(Q)、成本(C)、环境影响(E)三大决策目标的切削液决策目标体系，并对目标体系中的决策向量进行了分解。在此基础 上，建立了面向绿色制造的切削液综合选择模型及相关约束条件，并通过应用实例介绍了综合评价方法及步骤。评价结果验证了该模型的可行性。

水 基金属加工液(包括乳化液和合成液)广泛用于机械加工行业，它具有冷却性能和清洗性能好、成本低等优点，但也具有易 腐败变质、使用寿命较短等缺点。腐败变质是细菌、真菌等微生物在水中大量繁殖的结果。微生物大量繁殖破坏了乳化液的稳定性，使乳化液的各种使用性能降低： 也导致pH值下降，从而产生锈蚀：对操作人员也有不利影响，如难闻的气味、刺激皮肤、过敏反应等。加入抗菌剂是防止腐败变质、提高水基金属加工液使用寿命 的主要措施。国外在水基金属加工液中普遍使用抗菌剂，抗菌剂品种达数十种。而国内使用抗菌剂仍不普遍，一些加工液在夏天的使用寿命仅一周左右。虽然用于其 它领域的抗菌剂品种很多，但大部分不能用于加工液。用于加工液的抗菌剂应有如下特性：(1)与加工液有较好的化学和物理相容性：(2)一定的稳定性，能在 较长时间内起抗菌作用：(3)对细菌和真菌都有较好的抑制作用：(4)低毒：(5)可接受的成本。本文采用试验室通气装置模拟现场使用条件，定期检测细菌 和真菌数量及pH 值，记录加工液的外观变化，对各抗菌剂进行了筛选。同时还在多台机床上进行复合抗菌剂的现场应用试验，定期监测细菌和真菌数量、pH值、外观变化和防锈性 能等。

2 试验

表1 评定试样

编号	抗菌剂类型	浓度(%)	备注
1	含氮杂环化合物Ⅰ	0.07	参照厂家推荐浓度
2	含氮杂环化合物Ⅰ	0.10
3	含氮杂环化合物Ⅱ	0.13
4	含氮杂环化合物Ⅱ	0.19
5	含硫化合物	0.016
6	复合抗菌剂	0.10	0.07%含氮杂环化合物Ⅰ+0.016%含硫化合物+少量稳定增效剂
7	无		纯金属加工液

1. 试验室试验

   本文所采用的方法综合了国外有代表性的试验方法：每个周期对评定的试样通空气5天，停气2天，定期加入现场取得的并经培养的菌种。每个周期结束后分别测定细菌、真菌和pH值等。样品变质指标为：细菌总数>10⁷个/ml，真菌总数>10³个 /ml。试验条件：(1)试验室：符合生物试验要求。(2)仪器设备：通气装置、pH 计、生化培养箱、菌落计数器和接种试验台等。(3)金属加工液：采用硬度为100～150mg/L(碳酸钙)的水稀释乳化液浓缩液，稀释倍数为 20。(4)评定样品：在金属加工液中加入各种抗菌剂，见表1。(5)菌种：从现场取得变质的金属加工液，于上述金属加工液中培养至细菌总数>5 × 10⁸ 个/ml，真菌总数>10⁴个/ml。

   
   

2. 现场应用试验

   现场应用试验于1997年夏季在北京第一机床厂进行，复合抗菌剂以0.10%的剂量加入到乳化液和合成液中，各在两台磨床上进行了使用试验，定期监测细菌和真菌数量、pH 值、外观变化和防锈性能(一级铸铁，35±2℃，48h，单片)。

3 试验结果分析

1. 抗菌剂的抗菌性能

   对 表1所列抗菌剂进行抗菌效果试验，试验结果见表2。从表2中的细菌和真菌总数、变质期来看，不加抗菌剂的7号样品对细菌和真菌都没有抑制作用：各种抗菌剂 对细菌或真菌都有一定的抑制作用。其中：(1)1～4号样品都是真菌先超过变质指标，说明含氮杂环化合物Ⅰ和Ⅱ对细菌的抑制作用优于对真菌的抑制作用：并 且2、4号样品的变质期分别比1、3号样品长，说明在选定的剂量范围内抗菌剂的剂量高其抗菌效果更好。(2)5号样品是细菌超过变质指标，真菌在6周内无 明显增长，说明此含硫化合物对真菌有好的抑制作用，而对细菌抑制作用不明显。(3)6号样品经过长达20 周的试验仍不变质。显然，氮杂环化合物Ⅰ和硫化合物复合使用有明显的协同作用，对细菌和真菌都有极好的抑制效用。

由 表2还可看出，乳化液的外观变化在一定程度上也能反映微生物的繁殖情况。接近变质期时，都有析油现象出现：当真菌总数超过变质指标时，乳化液中出现块状 物。乳化液中的基础油和各种添加剂都是微生物赖以生存的营养物质，当乳化剂被微生物消耗到一定程度时，乳化液的稳定性受到破坏，因此析油。另据文献报道， 真菌的大量繁殖导致块状物产生，这些块状物易堵塞机床的冷却液循环管线和滤网，要彻底清理这些含大量真菌的块状物很困难。因此，应严格控制真菌数量，或在 大量出现块状物之前就更换金属加工液。

• 复合抗菌剂的现场应用

  对上述试验筛选出的复合抗菌剂进行了现场应用试验，未加抗菌剂的合成液和乳化液的pH值分别为10.10和8.94，加入0.1%复合抗菌剂后的pH值分别为10.13和9.59。未加抗菌剂的合成液在使用三天后，pH值为8.20，细菌总数为4×10⁷个/ml，真菌总数为40个/ml，防锈性能不通过。未加抗菌剂的乳化液使用6天后，pH值为7.76，细菌总数为4×10⁷个/ml，真菌总数为5×10³个/ml，防锈性能不通过。复合抗菌剂的现场应用试验结果见表3。

表3 复合抗菌剂的现场应用试验结果

编号	评定项目	始点	一周	二周	三周	四周	五周	六周	七周
1	细菌总数，个/ml	<102	<102	<102	<102	<102		<102	9×102
	真菌总数，个/ml	<102	<102	<102	<102	<102		<102	<102
	pH值	9.94	9.67	9.60	9.82	9.79		9.70	9.80
	防锈性能	通过	通过	通过	通过	通过		通过	通过
2	细菌总数，个/ml		<102	<102	3×103		5×103	<102
	真菌总数，个/ml		<102	<102	<102		<102	<102
	pH值		9.75	9.78	9.67		9.68	9.68
	防锈性能		通过	通过	通过		通过	通过
3	细菌总数，个/ml	<102		1×105	<102	4×104	1×105		2×102
	真菌总数，个/ml	<102		<102	8×102	4×103	<102		<102
	pH值	9.40		8.96	9.45	9.23	8.92		9.27
	防锈性能	通过		通过	通过	通过	通过		通过
4	细菌总数，个/ml	4×102		<102	3×102	1×105	4×106	3×107
	真菌总数，个/ml	<102		<102	<102	<102	<102	<102
	pH值	9.34		9.36	9.12	9.03	8.95	8.57
	防锈性能	通过		通过	通过	通过	通过	通过
编号	评定项目	八周	九周	十周	十一周	十二周	十三周	十四周	十六周
1	细菌总数，个/ml	<102	<102	3×103		<102	<102
	真菌总数，个/ml	<102	<102	<102		<102	<102
	pH值	9.71	9.88	9.83		9.88	9.89
	防锈性能	通过	通过	通过		通过	通过
2	细菌总数，个/ml	<102		<102		4×103
	真菌总数，个/ml	<102		<102		3×102
	pH值	9.76		9.72		9.82
	防锈性能	通过		通过		通过
3	细菌总数，个/ml	3×104	4×105	1×104		8×103		5×103	1×104
	真菌总数，个/ml	<102	<102	<102		<102		<102	<102
	pH值	9.29	9.19	9.27		9.27		9.56	9.26
	防锈性能	通过	通过	通过		通过		通过	通过
4	细菌总数，个/ml	1×102	8×104		5×105		4×105
	真菌总数，个/ml	<102	<102		<102		<102
	pH值	9.05	8.90		8.81		8.31
	防锈性能	通过	通过		通过		通过
注：编号1、2 为合成液：3、4 为乳化液：在试验期间，1～4 号样品的外观无明显变化，即无严重析油和块状物等现象出现。

从上述试验结果来看，未加抗菌剂的合成液和乳化液使用不到一周，防锈性能都不通过，细菌总数都达4×10⁷个/ml，乳化液的真菌总数达5×10³个/ml，操作工人基本上每周更换一次加工液。加入0.1%复合抗菌剂后，连续使用三个月各项指标基本正常(试验仅进行三个月是因为加工屑等沉积于液槽，需清理)，其中：(1)细菌总数基本上控制在1×10⁶个/ml 以下，仅4号样有一次高于1×10⁷个/ml，但防锈性能和外观都正常，这可能与取样方式等偶然因素有关。(2)真菌总数基本上控制在1×10³ 个/ml以下，仅3号样有一次高于1×10³个 /ml，但防锈性能和外观也都正常。(3)防锈性能都正常：外观也无明显变化。(4)加入复合抗菌剂后，乳化液的pH值略高：在三个月的使用期间，合成液 和乳化液的pH值都能控制在一定的范围：而未加抗菌剂的合成液和乳化液在变质后，pH值都明显下降，这是因为微生物的新陈代谢产物多为酸性物质，因此监控 pH值在一定程度上也能反映微生物繁殖的情况。
对比复合抗菌剂的试验室试验和现场应用试验结果，在20周的试验室试验中，细菌总数和真菌总数都小于10²个/ml：而在三个月的现场应用试验中，细菌总数和真菌总数虽能控制在一定范围，有时却高于10²个/ml，这说明现场比试验室试验条件苛刻。

4 结论

1. 试 验室试验表明，不同类型的抗菌剂对细菌和真菌的抑制效果不同，含氮杂环化合物Ⅰ、Ⅱ对细菌的抑制效果较好，其中Ⅰ更好些：含硫化合物对细菌的抑制效果较 差，而对真菌的抑制效果较好：含氮杂环化合物Ⅰ和含硫化合物复合使用具有明显的协同作用，对细菌和真菌都有很好的抑制效果。金属加工液的外观变化在一定程 度能反映微生物的繁殖情况。
2. 现场应用试验表明，复合抗菌剂延长乳化液和合成液的使用寿命达十倍以上。

切 削或磨削加工中使用切削液的主要作用是冷却和润滑，为了提高其性能往往都添加含有S(硫)、P(磷)、Cl(氯)等 化学元素的极压添加剂．这些物质污染环境并对人体有害、而且使用完了的切削液必须进行处理，增加了费用。因此，不使用切削液的干式切削和准干式切削已成为 绿色切削工艺的研究热点，但由于在一定条件下，无任何冷却措施的干式切削还无法满足加工要求，还需要对刀具进行一定的冷却和润滑，因此出现了风冷却加工技 术。本文重点介绍有关风冷却的加工技术及装置。

图1 风冷却系统的构成

2 风冷却加工系统

风 冷却系统的构成如图1所示。一般由压缩空气供给源、空气除湿器、空气冷却器、绝热管、微量供油装置、风嘴、吸尘管和集尘器构成。从空气供给源来的空气经过 除湿器将水分除去后，送入空气冷却器冷却至-30℃ ，再经绝热管由风嘴将冷风送至切削部位。同时向加工点喷少量的无害植物油，以防锈并且有一定润滑作用。在风嘴的对面设有集尘装置以收集废屑和风尘，通过集 尘器内的过滤器将切屑滤去。

3 空气的冷却方法及要求

制冷的方法有很多，常见的制冷原理可归结为4种：液体汽化制 冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热点制冷。原则上讲这些制冷方式都可用于空气的冷却。但目前作为切削用冷却空气的方法有使用液体氮等低沸点介质的间接冷却 方式、使用制冷剂的压缩机循环间接制冷方式、利用压缩空气的绝热膨胀直接制冷方式和涡流管的制冷方式等。

图2 使用低沸点介质的间接冷却方式

图3 循环压缩式间接制冷方式

图4 空气绝热膨帐直接制冷方式

1.喷嘴 2.孔板 3.涡流室 4.控制阀 图5 涡流管直接制冷方式

1. 使用低沸点介质的间接冷却

   图2为使用低沸点介质的间接冷却方式的原理图。这种制冷方式使用氮等对人体无害、无环境污染的低沸点气体，可在有关工厂液化，再加入风冷却系统中，在常温常压下蒸发吸热，使空气冷却。

   此 种冷却方式由于液氮是在外部液化的，在系统内部仅存在和空气的热交换，因此冷却部分的结构简单。另外，液氮的汽化温度是-180℃ ，因此可将空气冷却到-100 ℃ 以下，温度可由液氮的流量控制，过冷时可通过加热器加热。但采用此种方式进行连续实际切削时需要大容量的储液器，因此不太实用。另外，由于液氮等低沸点液 体在外部制备，因而加大了整个系统的运行成本。

2. 循环压缩式间接制冷

   循环压缩式间接制冷方式如图3所示。该方式使用低沸点的制冷剂，由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀构成闭环冷却系统。根据制冷效率和蒸发温度选用作为制冷剂的气体。此种制冷方式广泛用于家用冰箱及冷冻仓库，在温度控制和能耗效率方面都比较理想。

   经蒸发器蒸发的气体由压缩机加压到所定压力，在冷凝器中液化，储存到储液器中，储液器内的高压液体在设定压力以下经膨胀阀减压进入蒸发器，蒸发吸热将空气冷却，再变成气体回到压缩机，冷风温度可通过蒸发器内的压力和液体供给量进行设定。

   此种制冷方式分为蒸发温度(压力)、冷凝温度(压力)；按能耗方式分为单级压缩循环、多级压缩二元冷冻循环等。

3. 空气绝热膨胀直接制冷

   空气绝热膨胀的直接制冷方式如图4所示：此种制冷方式是利用高压空气的绝热膨胀，降低冷却气体本身的温度，属于开放型的直接制冷方式。

   由空气压缩机或管路来的常温、高压空气进入膨胀机，使其在设定压力以下膨胀，通过发电、外部机器驱动等消耗空气的能量使温度下降。冷风出口温度由进入膨胀机气源压力和膨胀机的出口气体压力及膨胀机的性能决定。目前能产生-90℃ 冷风的设备已经实用化。

4. 涡流管直接制冷

   图 5所示为涡流管制冷的原理图。高压空气通过涡流管时将产生涡旋运动，由于涡流内外气体存在压力差(密度差)而产生温度差．中心部分的气体为低温气体，外侧 为高温气体。冷风的温度与入口气体压力和排出的气体流量有关。此制冷方式不需要另外的动力，仅用一个涡流管即可，结构简单。但由于需有一部分气体作为热气 排出，因此，制冷效率要差一些。

5. 实施风冷却切削加工对空气冷却系统的要求

   实施风冷却切削技术的关键要控制好风冷却的4 个要素：温度、压力、流量和方向。无论是哪种制冷方法都应满足以下要求：

1. 应能与一般工厂现有风压配合使用；
2. 输送管径要尽量大，以减少由管路造成的流量损失；
3. 冷风温度和风量应可调；
4. 冷风的输出应能够暂停；
5. 要在短时间内使冷风温度达到要求；
6. 风嘴应尽量接近冷却点，距冷却点20mm以上时冷风温度上升较多

上述4种制冷方法的比较如下表所示。目前日本应用最多，并且压缩机循环制冷方式已达到商品化。

4 风冷却切削的优缺点及研究方向

风 冷却切削的优点：因不使用切削液，因此，不产生Cl、S、P等元素，无化学污染，有利于环保：节约了切削液的购入费用及其相关的设备费用和维护费用；不需 要处理切削液，防止了地球暖化，节省了处理费用；不使用切削液而节省了地球资源；由于不使用切削液其切屑可以直接利用。

但风冷却切削目前也存在以下问题：切屑收集问题；纯风冷却时刀具的润滑问题；已加工工件的防锈问题；冷风的噪声问题；

目前风冷却切削研究的主要方向有：提高冷却性、减少冷却空气量；降低风嘴的噪声：开发润滑性好的刀具；研究高效的切屑收集方法