绿色制造：提升利润与声誉的可持续实践
"绿色制造"已成美国最大产业中常用语。Goodwin College 定义为："在制造领域内更新生产流程、建立环保运营。" 重新审视过时流程可节省时间、金钱，助建立前沿企业声誉。建立环保加工流程是创建环保企业的巨大飞跃。
绿色制造是行业合乎逻辑的下一步。
如何开始绿色制造
迈向更可持续机床车间和绿色制造的第一步，是评估设施环境影响。制造工艺环境影响评估最常用方法是生命周期评价（LCA）。ISO 14040 定义 LCA 为：汇编评估产品系统全生命周期中的输入、输出及潜在环境影响。
自问 4 个问题：
- 目标定义与范围——本调查旨在达成什么？
- 清单分析——量化输入（能源、水、材料等）和输出（大气排放、废水）是什么？
- 影响评估——这些如何影响环境？
- 解释——改变什么能让流程更高效环保？
有数据库协助清单分析。这些数据库收集进给率、切削速度、刀具直径、切削时间、冷却液性能等信息，计算所有材料和能源输入输出。
理解切削液影响
切削液很可能是机床车间头号污染源，阻碍绿色制造。据《现代制造工艺》，2002 年北美制造商消耗超 20 亿加仑，金属加工液市场以来持续增长。切削液对加工有多种益处，主要涉及切削区冷却、润滑、排屑。
污染物
最大化冷却液效益是机床车间成本效率关键。因此，您最大的问题可能是或正面临：污染物导致切削液性能劣化。最常见污染物包括：
- 游离油（导轨油或油槽油）——CNC 机床齿轮设备润滑油渗入切削液
- 粗颗粒——较大固体废料、切屑、铁屑
- 细颗粒——工件或切削刀具极小碎片，通常含钴、镉、铬、铝、铅等重金属
- 微生物——CNC 机床壁和管道内生长的细菌和真菌
切屑铁屑等粗颗粒通常用 H 链、链板、推杆、浮槽系统轻松提取。细颗粒较难，需沉淀罐、泡沫分离器、离心分离、磁性分离器等分离或过滤形式。游离油也可过滤去除，用撇油器快速简便处理。
正确的过滤系统既能省钱又能环保。
微生物最难去除，尺寸可达细颗粒十分一。"周一早臭味"是厌氧菌代谢产生硫化氢的常见副作用。这些生物是冷却液每几个月必须排放更换的主要原因。过去几十年技术进步使膜微滤系统能分离生物质和油。有此类系统，操作员不再需用有问题的杀菌剂，因其对环境和员工有不良健康影响。但要注意，大多数微生物不在切削液中生长，而在机床壁/管道或沉积在油箱底部切屑残渣中。
减少车间微生物积聚方法包括：
- 保持机床清洁——淤泥、铁屑、切屑是细菌温床
- 减少有机污染——唾液、汗水、烟草汁、有机物都是微生物食物来源
- 减少导轨油量——这也是食物来源
细菌滋生臭味的脏切屑堆。
切削液类型
好的切削液应有高闪点、好附着性、高热稳定性、高氧化稳定性。高闪点必要，因高温下液体不应起火（汽油闪点低）。好附着性让液体粘附工件表面，在刀具和工件间形成层，分离两者减少摩擦。摩擦增大导致切削力增大，进而切削温度升高。
高切削温度成问题，因加速刀具磨损并可能导致工件加工硬化。高热稳定性指高温下液体低粘度（室温蜂蜜为高粘度例）。切削区低粘度减少摩擦，从而降低热量和切削力。切削液氧化稳定性最终决定使用寿命。时间久了油氧化，粘度和油泥沉积上升。
过量冷却液意味着过量废弃物。
本文将切削液分两大类：可生物降解和不可生物降解。
不可生物降解冷却液
不可生物降解冷却液以石油为基。人体和生态毒性高，带来职业健康风险。处理工艺复杂。
可生物降解冷却液
可生物降解冷却液以植物为基。通常由大豆、椰子、菜籽等食用植物或苦楝、卡兰贾、麻风树等非食用植物制造。这使其成为可再生资源，对人类和环境毒性更低。
近年一些改性植物基油在表面光洁度、抑热、润滑性能上超越石油基油。Science Direct 发表的一项研究，针对 304 不锈钢车削显示：添加硼酸的椰子油在抑制刀具侧面磨损和表面粗糙度上显著优于其他两种切削液，归功于植物基溶液高热稳定性。
IOP Science 发表另一研究发现：苦楝油和卡兰贾油组合在钻削低碳钢润滑性上优于 SAE 20W40（石油基油）。结果显示植物基油溶液因更高粘度和附着性降低切削力，最终获得更好零件表面光洁度。
高性价比冷却液改进总结
- 保持机床清洁、减少外部污染，减少机床微生物积聚
- 安装膜微滤系统
- 改用更高效可生物降解切削液
干式加工的积极绿色影响
有机会时应采用干式加工，因消除了切削液获取、管理、处置相关成本和环境问题。干式加工另一益处是无热冲击。刀具退出切削但冷却液仍喷射时，巨大温度波动（热冲击）导致切削刃比全程干切更快失效。干式加工多见于断续切削或切削硬化钢操作。高速高进给铣削操作尤为流行。高运行参数切削让大部分热量散入切屑而非工件。加工硬化钢同理。
干式加工理想刀具
理想切削刀具应更耐热、少产热。硬质合金好基体，因极硬强。涂层刀具是干式加工最佳选择，因有改进热绝缘和自润滑性。
微量润滑 (MQL) 的积极影响
- 大幅减少液体消耗
- 更安全切削液和润滑剂
- 降低员工健康风险
- 更清洁车间环境
- 减少维护
因 MQL 用液量极少，非常适合用稍贵的植物基油。MQL 在锯切和钻削操作中最有效。
绿色制造效益
以环保视角重审当前加工操作，可节省时间金钱，为员工创造少危害工作场所。使用上述技术，可估算车间效率并为当代后代利益做适当改变。
数控机床