電解水油氣三相微量潤滑冷卻關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

張乃慶 吳啟東

摘? ?要：針對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)有微量潤滑技術(shù)存在的問題創(chuàng)造性發(fā)明了包括電解水油氣三相微量潤滑冷卻系統(tǒng)和可降解微量潤滑劑;電解水油氣三相微量潤滑冷卻系統(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、陽極電極和陰極電極;隔膜將電解槽分割成兩個腔體;兩個腔體分別放置陽極電極和陰極電極，形成陽極室和陰極室;凈水分別進(jìn)入陽極電解槽和陰極電解槽;陰極電解槽內(nèi)的水經(jīng)過電解后，供水油氣三相節(jié)能微量潤滑冷卻系統(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)境污染問題?？山到鉂櫥吞砑觿鉀Q微量潤滑劑的極壓抗磨性、潤滑性和環(huán)境友好的可降解問題，在實際應(yīng)用中取得良好的技術(shù)效果。

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

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

現(xiàn)有的金屬加工潤滑和冷卻中一般采用切削油液等冷卻介質(zhì)進(jìn)行潤滑，這些切削油液在金屬加工時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，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、潤滑和排屑等技術(shù)難題。然而零件成形制造過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《中國制造2025》制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。

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

1? 電解水油氣三相微量潤滑冷卻技術(shù)

對于有些加工時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)開發(fā)了油水氣三相微量潤滑冷卻系統(tǒng)[8-10]，微量潤滑油提供潤滑和部分冷卻功能，壓縮空氣提供動力和部分冷卻清潔功能，水在到達(dá)加工表面時汽化可以帶走大量的熱量，冷卻效果明顯。不過此技術(shù)在實際的使用過程中存在以下問題：（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。

為解決以上問題，本公司研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合青島理工大學(xué)對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析和研究，并創(chuàng)造性地開發(fā)了電解水油氣三相節(jié)能微量潤滑冷卻系統(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-陽極電極和14-陰極電極;隔膜將電解槽分割成兩個腔體;兩個腔體分別放置陽極電極和陰極電極，形成陽極室和陰極室;凈水分別進(jìn)入陽極電解槽和陰極電解槽;陰極電解槽內(nèi)的水經(jīng)過電解后，供水油氣三相節(jié)能微量潤滑冷卻系統(tǒng)使用。

微量噴油氣裝置包括：油杯、精密氣動泵、頻率控制器;精密氣動泵上設(shè)置油杯，頻率控制器控制精密氣動泵的出油頻率;精密氣動泵上設(shè)置有油量調(diào)節(jié)裝置，控制精密氣動泵的出油量;精密氣動泵上設(shè)置有氣量調(diào)節(jié)裝置，控制精密氣動泵的出氣量，空氣調(diào)壓過濾器，壓縮空氣通過空氣調(diào)壓過濾器，經(jīng)過頻率控制器，通入精密氣動泵;電磁閥設(shè)置于空氣調(diào)壓過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滑冷卻系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

電解水油氣三相節(jié)能微量潤滑冷卻系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)技術(shù)中潤滑劑用量大，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強(qiáng)度的問題;電解水裝置生成的堿性電解水有效解決了機(jī)床、工件的防銹問題。

2? 可降解微量潤滑劑

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

2.1 可降解微量潤滑劑技術(shù)內(nèi)容

為了方便說明，特別選擇發(fā)明專利：丁烯二酸樹脂及其制備方法和用該樹脂制備可降解微量潤滑油（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)良的微量潤滑油添加劑：丁烯二酸樹脂。丁烯二酸樹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（稀硫酸或陽離子交換樹脂），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：過氧化二苯甲酰、過氧化月桂酰、異丙苯過氧化氫、叔丁基過氧化氫、過氧化二叔丁基、過氧化二異丙苯、過氧化苯甲酸叔丁酯、過氧化叔戊酸叔丁基酯、過氧化甲乙酮、過氧化環(huán)己酮、過氧化二碳酸二異丙酯、過氧化二碳酸二環(huán)己酯、過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℃以上的溫度過濾去除等雜質(zhì)，即為丁烯二酸樹脂。

一種可降解微量潤滑油，由以下組分組成：丁烯二酸樹脂、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)行酰化反應(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 可降解微量潤滑劑技術(shù)優(yōu)勢

（1）丁烯二酸樹脂具有優(yōu)異的潤滑性、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滑油中，少量的微量潤滑油就能滿足金屬加工的潤滑冷卻、極壓抗磨和防銹要求。

（2）多元醇酯具有優(yōu)異的潤滑性和可生物降解性。

（3）脂肪酸單酯提供良好的潤滑性和分散性，同時生物可降解性良好。

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

（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滑冷卻技術(shù)的應(yīng)用

微量潤滑技術(shù)針對傳統(tǒng)潤滑劑處理費(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個行業(yè)14種不同工況的微量潤滑工藝體系，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。

目前已在國內(nèi)1000多個金屬加工企業(yè)成功應(yīng)用，包括中國中車、中國鋁業(yè)、中航工業(yè)、中國中鐵、上海大眾、一汽大眾、上海電氣、中國二汽、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、中馬傳動、叢林集團(tuán)、寧波富邦、浙江巨科、三花股份、萬達(dá)鋁業(yè)、萬豐奧威、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，降低對環(huán)境和工人的危害，提高了生產(chǎn)效率。同時已經(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，數(shù)控滾齒機(jī)型號：YKX3132M，班產(chǎn)280件，原使用機(jī)械油進(jìn)行潤滑冷卻，現(xiàn)進(jìn)行改造安裝電解水油氣三相微量潤滑冷卻系統(tǒng)。

使用電解水油氣三相微量潤滑冷卻系統(tǒng)（微量潤滑裝置+微量潤滑劑）改造效果對比見表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程中存在以下問題：

（1）CNC和銑床用切削液潤滑冷卻、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滑冷卻和可降解微量潤滑油后，解決了這些困擾公司多年的以上問題。

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多。

自運(yùn)用了電解水油氣三相微量潤滑冷卻和可降解微量潤滑油后，解決了這些困擾公司多年的老問題：首先潤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;第五無后處理費(fèi)用。

4? 結(jié)語

電解水油氣三相微量潤滑冷卻關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，擴(kuò)大了微量潤滑技術(shù)的應(yīng)用范圍，改變了金屬加工領(lǐng)域的潤滑冷卻方式，降低了金屬加工用切削油液的使用量及生產(chǎn)成本，減少了金屬加工過程中切削油液排放對環(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，對節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)意義重大。

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