Din discuția de mai sus, se poate observa că majoritatea problemelor de mediu ale proceselor de prelucrare se datorează utilizării fluidelor de tăiere. Ca urmare, majoritatea eforturilor de cercetare și dezvoltare privind prelucrarea ecologică s-au concentrat pe eliminarea sau reducerea la minimum a utilizării fluidelor de tăiere convenționale sau înlocuirea acestora cu alternative ecologice. Cu alte cuvinte, abordările către prelucrarea ecologică pot fi împărțite în mare parte în următoarele două categorii:
From discussion above, it can be seen that most environmental concerns of machining processes are due to the use of cutting fluids. As a result, most of the research and development effort on environmentally friendly machining have been focusing on eliminating or minimizing the use of conventional cutting fluids or replacing them with environmentally friendly alternatives. In other words, the approaches toward the environmentally friendly machining can be largely divided into the following two categories:

• Abordare bazată pe fluide: Această abordare include tehnici în care impactul asupra mediului este redus prin îmbunătățirea duratei de viață a fluidului de tăiere sau înlocuirea acestuia cu un fluid biodegradabil. Această abordare nu necesită nicio modificare a sculei de tăiere și/sau a mașinii-unelte de bază. Sunt necesare unele rearanjamente periferice pentru reciclarea și reutilizarea fluidelor de tăiere. Această abordare bazată pe fluide este punctul central al acestei secțiuni.
• Fluid-based approach: This approach includes the techniques in which the environmental impacts are reduced by improving the life span of the cutting fluid or replacing it with a biodegradable fluid. This approach does not require any change in cutting tool and/or the basic machine tool. Some peripheral rearrangements are required for recycling and reusing the cutting fluids. This fluid-based approach is the focus of this section.

• Abordare bazată pe sistem: Această abordare are ca scop eliminarea totală sau minimizarea utilizării fluidelor de tăiere. Funcțiile fundamentale ale fluidelor de tăiere, adică răcirea, lubrifierea și spălarea așchiilor, sunt realizate prin schimbarea sculei de tăiere și/sau a mașinilor-unelte. Acest lucru va fi tratat în secțiunea „Lubrificarea în cantitate minimă și prelucrarea uscată”.
• System-based approach: This approach aims to totally eliminate or minimize the use of the cutting fluids. The fundamental functions of the cutting fluids, i.e., cooling, lubricating, and flushing of chips, are achieved by changing the cutting tool and/or the machine tools. This will be covered in section “Minimum Quantity Lubrication and Dry Machining.”

Reciclarea și reutilizarea lichidului de tăiere

După cum s-a discutat mai devreme, o varietate de contaminanți vor intra în fluidele de tăiere în timpul utilizării. Acești contaminanți vor deteriora performanțele de prelucrare și vor duce în cele din urmă la eliminarea fluidelor de tăiere. Îndepărtarea acestor contaminanți aduce fluidul de tăiere înapoi la condiții ca nou, astfel încât să îi prelungească durata de utilizare. Acest lucru nu numai că va reduce impactul asupra mediului asociat cu utilizarea lichidului de tăiere, dar va minimiza și riscurile de sănătate pentru lucrătorii expuși la lichide de tăiere. Dintre toți contaminanții prezenți în fluidele de tăiere, practica curentă de reciclare și reutilizare a fluidului de tăiere se referă în principal la particule și uleiuri libere. Acest lucru se face de obicei prin unele mijloace de separare sau filtrare (Brandt 2006). Proiectarea și selectarea sistemului de reciclare și reutilizare depind de mulți factori, de exemplu, materialul prelucrat, tipul procesului de prelucrare, forma așchiilor/șpanului, cantitatea de material îndepărtat, vitezele de producție, puterea mașinii, tipul de fluid, viteza de aplicare a fluidului și spațiul disponibil pentru instalarea unui astfel de sistem.
As discussed earlier, a variety of contaminants will enter cutting fluids during use. These contaminants will deteriorate machining performance and eventually lead to the disposal of cutting fluids. Removal of these contaminants brings cutting fluids back to as-new conditions thus extend their usable life. This will not only reduce environmental impacts associated with cutting fluid usage but also minimize health risks to workers exposed to cutting fluids. Among all the contaminants present in cutting fluids, current cutting fluid recycling and reuse practice mainly deals with particulates and free oils. This is usually done through some means of separation or filtration (Brandt 2006). The design and selection of the recycling and reuse system depend on many factors, e.g., material being machined, type of machining process, chip/swarf shape, amount of material removed, production rates, machine horsepower, fluid type, fluid application rate, and space available for installing such system.

Particulele din fluidele de tăiere ar putea afecta finisarea suprafeței și durata de viață a sculei. Nivelul acceptabil de particule (concentrație și formă/dimensiune) depinde de procesele de prelucrare și de materialul piesei de prelucrat. La prelucrarea metalelor, de obicei, particulele cu concentrație sub 10–30 ppm și diametrul mediu de 15–30 μm sunt considerate acceptabile. Particulele mari și așchiile pot fi îndepărtate cu ușurință folosind un lanț H, lanț și zbor, bară de împingere (harpon) și sistem de canal (Brandt 2006). Îndepărtarea particulelor fine este puțin mai dificilă și, de obicei, este necesară separarea sau filtrarea. Rezervoarele de fixare, separatoarele de spumă, separatoarele centrifugale și separatoarele magnetice sunt toate exemple de sisteme de separare.
Particles in cutting fluids could affect surface finish and tool life. The acceptable level of particulates (concentration and shape/size) depends on machining processes and workpiece material. When machining metals, usually particulates with concentration below 10–30 ppm and mean diameter 15–30 μm are deemed acceptable. Large particulates and chips can be easily removed using an H-chain, chain and flight, push bar (harpoon), and flume system (Brandt 2006). Removing fine particulates is a bit more difficult and usually separation or filtration is needed. Setting tanks, foam separators, centrifugal separators, and magnetic separators are all examples of separation systems.

Când se utilizează sisteme de filtrare pentru îndepărtarea particulelor fine, se pot alege fie medii de unică folosință, fie medii permanente. Mediile de unică folosință sunt mai frecvente datorită întreținerii minime, iar acestea includ pungi, cartușe, produse laminate și hârtie tocată. Aceste medii au de obicei dimensiunea porilor în intervalul 30-100 μm. Însă, particulele cu diametrul mai mic pot fi, de asemenea, îndepărtate de către sistem, deoarece pe măsură ce procesul de filtrare continuă un strat de crustă se acumulează pe mediu. Acest strat de crustă este capabil să capteze particule mai mici, dar cu prețul debitelor reduse de penetrație. Mediile vor trebui să fie înlocuite când viteza de filtrare devine scăzută. Atunci când se utilizează medii permanente, cum ar fi plasă de sârmă, curele de țesătură sau ecrane de sârmă, se utilizează un proces similar. Când rata de filtrare scade la un anumit nivel, indexarea se efectuează pentru a îndepărta crusta de pe mediu prin aplicarea unei suflări de aer sau lichid de tăiere sau curățirea cu o lamă. Acest lucru permite reutilizarea mediului suport pentru ciclul următor. În general, mediile permanente au pori de dimensiuni mari. Înainte ca un strat de crustă să fie dezvoltat, fluidul filtrat poate avea o puritate relativ mai scăzută. Prin urmare, pentru a menține puritatea fluidelor reciclate, se dorește ca stratul de crustă să fie stabilit cât mai devreme și menținut pentru o perioadă cât mai lungă.
When using filtration systems for fine particulate removal, one can choose either disposable media or permanent media. Disposable media are more common due to minimum maintenance, and these include bags, cartridges, rolled goods, and chopped paper. These media usually have pore size in the range of 30–100 μm. However, particulates of smaller diameter can also be removed by the system since as filtration process proceeds a cake layer builds up on the media. This cake layer is able to capture smaller particulates, but at the cost of reduced permeation flow rates. The media will need to be replaced when the filtration speed becomes low. When permanent media such as wire mesh, woven fabric belts, or wedge wire screens are used, a similar process is used. When the filtration rate drops to a certain level, indexing is performed to remove the cake from the media by applying an air or cutting fluid blow or scrubbing by a blade. This allows the supporting media to be reused for the next cycle. Generally, permanent media have large pore sizes. Before a cake layer is developed, the filtered fluid may have a relatively lower cleanliness. Therefore, in order to maintain the cleanliness of recycled fluids, it is desired that the cake layer be established as early and maintained for as long a period as possible.

Unele dintre uleiurile libere care intră în fluidele de tăiere ar putea fi slab emulsionate de agenții tensioactivi care sunt deja prezentați în fluide. Spre deosebire de particule, o cantitate mică de uleiuri libere poate fi benefică, deoarece îmbunătățesc lubrifierea. Dar, pentru performanța optimă a fluidului și durata de viață în majoritatea cazurilor, nivelul uleiului liber și uleiului slab emulsionat trebuie controlat la un nivel de 0,5% sau mai puțin (Brandt 2006). Dispozitivele de îndepărtare a uleiului întâlnite în mod obișnuit sunt skimmer-urile (disc, cablu sau curea), coalescerele și centrifugele. Filtrele și materialele absorbante de ulei sunt de asemenea utilizate în mod obișnuit. Uleiul liber îndepărtat este apoi colectat pentru eliminare sau reutilizare.
Some of the free oils entering cutting fluids could be loosely emulsified by surfactants that are already presented in the fluids. Different from particulates, a small amount of free oils can be beneficial as they improve lubricity. However, for optimal fluid performance and life in most cases, the level of free oil and loosely emulsified oil needs to be controlled to a level of 0.5 % or less (Brandt 2006). Commonly found oil removal devices are skimmers (disk, rope, or belt), coalescers, and centrifuges. Filters and oil sorbent materials are also commonly used. The free oil removed is then collected for disposal or reuse.

Trebuie remarcat faptul că sistemele de separare și filtrare discutate mai sus nu pot elimina microorganismele (care au o dimensiune între 0,2 și 2 μm) din fluide. Recent, microfiltrarea membranară a fost explorată ca mijloc de îndepărtare a contaminanților (Rajagopalan și colab. 2004; Skerlos și Zhao 2003). Avantajul utilizării microfiltrării este că nu numai că poate elimina microorganismele, ci poate elimina și particulele și uleiurile libere. Microfiltrarea cu membrană este efectuată în mod obișnuit cu filtrare tangențială la canalele de curgere a fluidului în vrac, denumită de obicei modul de curgere încrucișată. Acest mod de operare minimizează obturarea porilor membranei, iar acumularea de crustă pe suprafață este controlată de efortul de forfecare din fluxul în vrac. Ambele ajută la menținerea ratei de filtrare la niveluri ridicate. Membranele sunt de obicei realizate din ceramică și materiale polimerice și pot fi curățate și refolosite pentru perioade lungi de timp. Experimentele la scară de laborator și la scară pilot sugerează că procesele de filtrare cu membrană sunt capabile să restabilească fluidele de tăiere la o stare „bun ca nou”. Elimină utilizarea biocidelor supărătoare pentru controlul biologic, adăugând astfel beneficii atât pentru mediu, cât și pentru sănătatea muncii.
It should be noted that the separation and filtration systems discussed above cannot remove microorganisms (which have a size between 0.2 and 2 μm) from the fluids. Recently membrane microfiltration has been explored as a means for contaminant removal (Rajagopalan et al. 2004; Skerlos and Zhao 2003). The advantage of using microfiltration is that it can not only remove microorganisms but can also remove particles and free oils. Membrane microfiltration is typically performed with filtration tangential to the channels of bulk fluid flow, usually referred to as crossflow mode. This operation mode minimizes the plug of membrane pores, and cake buildup on the surface is controlled by the shear stress from bulk flow. Both help to maintain the filtration rate at high levels. The membranes are usually made of ceramics and polymeric materials and can be cleaned and reused for long periods of time. Lab-scale and pilot-scale experiments suggest that membrane filtration processes are able to restore cutting fluids to a “good as new” condition. It eliminates the use of troublesome biocides for biological control thus adds both environmental and occupational health benefits.

Fluide de tăiere biocompatibile

În mod tradițional, fluidele de tăiere sunt formulate cu ulei și compuși derivați în principal din petrol. Multe dintre aceste ingrediente sunt asociate cu toxicitate umană/ecologică ridicată și biodegradabilitate scăzută, care prezintă riscuri pentru sănătatea lucrătorilor și complică eliminarea la sfârșitul perioadei de utilizare. Eliminarea necorespunzătoare a fluidelor de tăiere reziduale poate duce la contaminarea apelor de suprafață și a apelor subterane, poluarea aerului și poluarea solului. Pentru a aborda aceste probleme, în ultimele două decenii, s-au făcut eforturi pentru a formula fluide de tăiere cu ingrediente derivate din resurse biologice (Shashidhara și Jayaram 2010; Lawal et al. 2012).
Traditionally cutting fluids are formulated with oil and compounds derived mostly from petroleum. Many of these ingredients are associated with high human/ecological toxicity and low biodegradability, which present occupational health risks to workers and complicate end-of-life disposal. Improper disposal of waste cutting fluids could result in surface water and groundwater contamination, air pollution, and soil pollution. To address these issues, in the past two decades, efforts have been made to formulate cutting fluids with ingredients derived from biological resources (Shashidhara and Jayaram 2010; Lawal et al. 2012).

Uleiurile vegetale care au fost folosite pentru a formula fluide de tăiere includ ulei de canola, ulei de soia, ulei de palmier, ulei de floarea soarelui și ulei de jatropha. Principala limitare tehnică a lubrifianților din uleiuri vegetale, stabilitatea lor oxidativă scăzută, a fost abordată prin alternarea genetică, modificarea chimică și utilizarea diverșilor aditivi. Deoarece uleiurile vegetale au structură moleculară diferită în comparație cu uleiul de petrol (adică, trigliceride vs. alcani), formularea fluidelor de tăiere pe bază de ulei vegetal necesită probabil pachete diferite de agenți tensioactivi. S-a observat că, pentru a minimiza consumul de agent tensioactiv, o combinație de doi agenți tensioactivi, unul neionic și unul solubil în apă (fie neionic sau anionic), este preferată față de un singur agent tensioactiv.
Vegetable oils that have been used to formulate cutting fluids include canola oil, soybean oil, palm oil, sunflower oil, and jatropha oil. The principal technical limitation of vegetable oil lubricants, their low oxidative stability, has been addressed by genetic alternation, chemical modification, and use of various additives. Since vegetable oils have different molecular structure compared with petroleum oil (i.e., triglycerides vs. alkanes), formulating vegetable oil-based cutting fluids likely requires different surfactant packages. It has been observed that in order to minimize surfactant consumption, a combination of two surfactants, one nonionic and one water-soluble cosurfactant (either nonionic or anionic), is preferred over a single surfactant.
În plus, pentru a obține o bună stabilitate și longevitate, agentul tensioactiv neionic ar trebui să aibă (1) o lungime a cozii de carbon similară cu cea a acizilor grași din ulei și (2) un grup de cap care nu este excesiv de mic sau mare (Zhao et al. 2006). Performanța fluidelor pe bază bio a fost testată pentru multe procese de prelucrare, inclusiv strunjire, găurire, filetare și șlefuire. Pe lângă uleiurile vegetale, au fost testați și esterii derivați din acestea, precum și grăsimile animale și uleiurile de gătit uzate. Pe lângă toxicitatea scăzută și biodegradabilitatea ridicată, fluidele de tăiere pe bază bio au demonstrat performanțe de lubrifiere comparabile sau chiar îmbunătățite în comparație cu formulările pe bază de petrol într-o varietate de procese de prelucrare (Lawal și colab. 2012; Abdalla și Patel 2006).
In addition, to achieve good stability and longevity, the nonionic surfactant should have (1) a carbon-tail length similar to that of the fatty acids in the oil and (2) a head group that is not excessively small or large (Zhao et al. 2006). The performance of bio-based fluids has been tested for many machining processes, including turning, drilling, tapping, and grinding. In addition to vegetable oils, esters derived from them as well as animal fat and used cooking oils have also been tested. In addition to low toxicity and high biodegradability, bio-based cutting fluids have demonstrated comparable or even improved lubrication performance when compared with petroleum-based formulations in a variety of machining processes (Lawal et al. 2012; Abdalla and Patel 2006).