2 面向绿色制造的切削液综合选择模型的建立

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。
2. 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

3. 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)]

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

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

2. 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。
3. 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*)]。
4. 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U₁₁U₁₁={u₁(润滑性能)，u₂(冷却性能)，u₃(清洗性能)，u₄(使用周期)}₁₁
      2. 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

      3. 建立切削液质量(Q)评价要素权重系数矩阵A₁₁A₁₁=(0.3，0.3，0.3，0.1)₁₁
      4. 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。
   2. 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。
   3. 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

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。

   表2 试验室试验结果

   编号	评定项目	始点	一周	二周	三周	四周	五周	六周	七周	八周	十周	十一周	十二周	二十周	变质期
   1	细菌总数，个/ml	5×105	<102	<102	<102	<102	<102	<102	6×105						6(周)
   	真菌总数，个/ml	3×103	<102	<102	<102	<102	2×102	1×104	5×104
   	pH值	10.02	8.90	9.00	9.09	9.06	9.06	8.94	8.96
   	外观	未变	未变	未变	未变	未变	油	油块	油块
   2	细菌总数，个/ml	3×105	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102		12(周)
   	真菌总数，个/ml	2×103	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	8×103
   	pH值	10.09	8.91	9.03	9.08	9.06	9.16	9.24	9.37	9.44	9.41	9.40	9.20
   	外观	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	油	油	油块
   3	细菌总数，个/ml	5×105	<102	<102	<102	<102	1×106	6×106							4(周)
   	真菌总数，个/ml	2×103	<102	<102	<102	2×103	3×104	6×104
   	pH值	9.97	8.90	8.97	8.90	8.87	8.77	8.97
   	外观	未变	未变	未变	油	油块	油块	油块
   4	细菌总数，个/ml	2×105	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102			10(周)
   	真菌总数，个/ml	2×103	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	2×104	2×104
   	pH值	10.11	8.91	9.01	9.09	9.02	9.20	9.26	9.37	9.42	9.34	9.24
   	外观	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	油块	油块
   5	细菌总数，个/ml	3×106	1×107	3×106	5×106	8×106	7×106	1×107							1(周)
   	真菌总数，个/ml	1×103	<102	<102	<102	<102	<102	<104
   	pH值	9.95	8.56	8.66	8.71	8.67	8.82	8.70
   	外观	未变	未变	未变	油	油	油	油
   6	细菌总数，个/ml	3×105	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	>20(周)
   	真菌总数，个/ml	1×103	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102	<102
   	pH值	9.95	8.90	8.98	9.00	9.03	9.14	9.21	9.36	9.34	9.41	9.36	9.36	9.38
   	外观	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变	未变
   7	细菌总数，个/ml	4×106	1×107	1×107	1×107										1(周)
   	真菌总数，个/ml	1×103	1×103	2×103	3×103
   	pH值	9.03	8.43	8.65	8.46
   	外观	未变	未变	油块	油块
   表中：“油”是指乳化液析油：“油块”是指乳化液析油并出现块状物。

   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。
2. 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。

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。

图1 风冷却系统的构成

2 风冷却加工系统

3 空气的冷却方法及要求

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

4 风冷却切削的优缺点及研究方向