綠色制造工藝技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

    綠色制造是一種現(xiàn)代制造模式，它綜合考慮了制造業(yè)對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)資源效率的利用，它的目標(biāo)是使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、裝配、運(yùn)輸、銷售、使用的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)資源的利用率最高，對(duì)環(huán)境造成的有害影響最小。綠色制造工藝技術(shù)是綠色制造技術(shù)的基礎(chǔ)，采用綠色制造工藝技術(shù)可以有效地減少?gòu)U物和有害物的產(chǎn)生，可以減少加工業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，也可以節(jié)約資源，降低能量損耗，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本，使產(chǎn)品具有更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 綠色制造工藝技術(shù)的概念

綠色制造工藝技術(shù)是以傳統(tǒng)的工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合材料科學(xué)、表面技術(shù)、控制技術(shù)等新技術(shù)的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。其目標(biāo)是對(duì)資源的合理利用，節(jié)約成本，降低對(duì)環(huán)境造成的污染。根據(jù)這個(gè)目標(biāo)可將綠色制造工藝劃分為三種類型：節(jié)約資源的工藝技術(shù)、節(jié)省能源的工藝技術(shù)、環(huán)保型工藝技術(shù)。
節(jié)約資源的工藝技術(shù)是指在生產(chǎn)過(guò)程中簡(jiǎn)化工藝系統(tǒng)組成、節(jié)省原材料消耗的工藝技術(shù)。它的實(shí)現(xiàn)可從設(shè)計(jì)和工藝兩方面著手。在設(shè)計(jì)方面，通過(guò)減少零件數(shù)量、減輕零件重量、采用優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法使原材料的利用率達(dá)到最高；在工藝方面，可通過(guò)優(yōu)化毛坯制造技術(shù)、優(yōu)化下料技術(shù)、少無(wú)切屑加工技術(shù)、干式加工技術(shù)、新型特種加工技術(shù)等方法減小材料消耗。

節(jié)省能源的工藝技術(shù)是指在生產(chǎn)過(guò)程中，降低能量損耗的工藝技術(shù)。目前采用的方法主要有減磨、降耗或采用低能耗工藝等。

環(huán)保型工藝技術(shù)是指通過(guò)一定的工藝技術(shù)，使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液、廢氣、廢渣、噪聲等對(duì)環(huán)境和操作者有影響或危害的物質(zhì)盡可能減少或完全消除。目前最有效的方法是在工藝設(shè)計(jì)階段全面考慮，積極預(yù)防污染的產(chǎn)生，同時(shí)增加末端治理技術(shù)。

由于全球不可再生資源的大量利用，為人類以后的生存提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這就是可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題，所以節(jié)約資源的工藝技術(shù)顯得尤為重要。

2 綠色制造工藝技術(shù)的具體內(nèi)容及在機(jī)械加工中的應(yīng)用

從節(jié)約資源的工藝技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，在機(jī)械加工中，綠色制造工藝技術(shù)主要應(yīng)用在少無(wú)切屑加工技術(shù)、干式加工技術(shù)、新型特種加工技術(shù)三個(gè)方面，具體內(nèi)容見(jiàn)下圖。

在機(jī)械加工中，綠色制造工藝技術(shù)主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法來(lái)進(jìn)行加工。常規(guī)的加工方法例如車削、銑削、磨削等，都需要切削液來(lái)幫助加工，切削液在加工中的作用主要有冷卻、潤(rùn)滑、排屑和清洗的作用。但是，隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，加工過(guò)程中使用的切削液用量越來(lái)越大，其流量有時(shí)高達(dá)80～100L/min。大量切削液的使用造成了很多有害影響，如零件的生產(chǎn)成本大幅度提高，環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)工人的身體健康造成危害等。干式加工是在加工過(guò)程中不采用切削液的一種加工方法。由于在加工過(guò)程中不采用切削液，所以可獲得潔凈無(wú)污染的切屑，省去了切削液及其處理的大量費(fèi)用。這種加工方法從原理上來(lái)講并不陌生，比如鑄鐵的干銑削加工就在實(shí)際生產(chǎn)中使用了很長(zhǎng)時(shí)間。但是現(xiàn)在我們所說(shuō)的干式加工并不是只在鑄鐵材料的加工中應(yīng)用，而是要在所有材料的加工中采用干式加工技術(shù)。目前，德國(guó)在干式加工方面的研究和應(yīng)用處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

2.1干式加工

2.1.1干切削

干切削加工方法有很多種，如干車削、干銑削、干鉆削、干式螺紋加工、干式齒輪加工等。其中干車削是研究和應(yīng)用最多的一種加工方法。美國(guó)Leistritz公司在加工絲杠時(shí)，先是在軟的工件上加工出螺紋，再把有螺紋的工件淬硬，然后逐件精磨，加工一根絲杠需要近170個(gè)工時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，該公司采用GE超硬磨料公司的PCBN刀具進(jìn)行旋風(fēng)銑削加工，鋼坯在精加工絲杠螺紋之前被瘁硬，以硬旋風(fēng)銑削取代軟車削和精磨工序，明顯提高了金屬切除率，加工時(shí)間縮短為1.75h，提高效率近100倍。

2.1.2干磨削

在磨削加工時(shí)，采用油基磨削液會(huì)產(chǎn)生油氣、煙霧，使生產(chǎn)環(huán)境惡劣，而且磨削液的后期處理成本太高，要改善這種情況，可以采用干磨削方式來(lái)加工。

在干磨削加工中，現(xiàn)在采用的一種較為有效的方式是強(qiáng)冷風(fēng)磨削。強(qiáng)冷風(fēng)磨削是通過(guò)熱交換器，把壓縮空氣用液氮（－190°C）冷卻到－110°C，然后經(jīng)噴嘴噴到磨削點(diǎn)上（由于溫度下降，原來(lái)空氣中的水份會(huì)凍結(jié)在管道中，因此需使用空氣干燥裝置），由于壓縮空氣溫度很低，所以在磨削點(diǎn)上很少有火花出現(xiàn)，也幾乎沒(méi)有熱量產(chǎn)生，因而工件變形極小，可得到10μm以內(nèi)的橢圓度。

目前，采用CBN砂輪的強(qiáng)冷風(fēng)磨削技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有很好的效果。CBN砂輪的磨削比約為30 000，在加工過(guò)程中砂輪幾乎不磨損，所以在磨屑中也沒(méi)有砂輪的粉末，設(shè)置在磨削點(diǎn)下方的真空泵吸入的磨屑的純度很高，易于直接再次回收利用。由于在加工中不采用磨削液，所以磨削效率也更高。

干式加工并不是簡(jiǎn)單的取消切削液就可以實(shí)現(xiàn)，它對(duì)刀具材料、機(jī)床結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)等均有較高的要求。

2.2刀具技術(shù)

干式加工對(duì)刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的紅硬性和熱韌性，良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性，現(xiàn)在立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等超硬材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于干切削。經(jīng)研究表明，高速鋼和硬質(zhì)合金經(jīng)過(guò)PVD涂層處理后也可以用于干切削。

在對(duì)刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足干切削對(duì)斷屑和排屑的要求。對(duì)韌性材料的加工來(lái)說(shuō)，斷屑是很關(guān)鍵的，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對(duì)不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計(jì)出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大提高切屑折斷能力和對(duì)切屑流動(dòng)方向的控制能力。

2.3機(jī)床技術(shù)

干式加工在切削區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，如果不及時(shí)散熱，會(huì)使機(jī)床受熱不均而產(chǎn)生熱變形，這個(gè)熱變形就成為影響工件加工精度的一個(gè)重要因素，因此機(jī)床應(yīng)配置循環(huán)冷卻系統(tǒng)，帶走切削熱量，并在結(jié)構(gòu)上有良好的隔熱措施。實(shí)驗(yàn)表明，干式切削理想的條件應(yīng)該是在高速切削條件下進(jìn)行，這樣可以減少傳到工件、刀具和機(jī)床上的熱量。干切削時(shí)產(chǎn)生的切屑是干燥的，這樣可以盡可能的將干切削機(jī)床設(shè)計(jì)成立軸和傾斜式床身。工作臺(tái)上的傾斜蓋板用絕熱材料制成，在機(jī)床上配置過(guò)濾系統(tǒng)排出灰塵，對(duì)機(jī)床主要部位進(jìn)行隔離。現(xiàn)在切削加工已朝著高速、超高速方向發(fā)展，高速切削機(jī)床的發(fā)展給干切削的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了良好的條件，對(duì)于精密切削機(jī)床，可在機(jī)床上裝上監(jiān)控系統(tǒng)，以檢測(cè)切削區(qū)域的溫度變化、切削力的變化以及刀具的磨損，并配以機(jī)床補(bǔ)償裝置。

2.4工藝技術(shù)

對(duì)機(jī)械加工來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)干切削，工件材料在很大程度上起著決定性的作用，經(jīng)研究表明干切削的"工件材料加工方法"的組合如下表所示。

由上表可見(jiàn)，超硬合金最難進(jìn)行干切削，鋼次之，而鑄鐵的干切削性能最好。鋁合金在加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑很容易與刀具發(fā)生"咬焊"式粘連，采用高速干切削這種方法可以解決這種問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明在高速切削中95％～98％的切削熱都傳給了切屑，切屑與刀具前刀面接觸的部分被局部熔化，很容易被切離工件表面，減少了積屑瘤的產(chǎn)生，可提高鋁合金的加工精度和表面質(zhì)量。

為了減少高溫條件下刀具和工件之間材料的粘結(jié)和擴(kuò)散，要注意刀具材料和工件之間的搭配，還可以采用硬車和激光輔助切削等方法對(duì)不適合進(jìn)行磨削加工的零件和抗拉強(qiáng)度極高的零件進(jìn)行加工。

鈦鋁釩合金（Ti6Al4V）和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅(RBSN)是典型的難加工材料，采用液氮冷卻刀具可以進(jìn)行加工。

采用干切削和干磨削技術(shù)能夠節(jié)約資源，降低能耗，就目前來(lái)看其加工的范圍還比較有限，對(duì)于干切削來(lái)說(shuō)，應(yīng)該利用現(xiàn)有的刀具材料探索新的加工條件，以達(dá)到干切削的要求；干磨削會(huì)使磨削液的作用完全喪失掉，在實(shí)際應(yīng)用中還不太多，在研究干磨削方式的同時(shí)，還應(yīng)該積極探索新的磨削方式以達(dá)到綠色制造的要求。

2.5準(zhǔn)干式加工

干式加工并不是簡(jiǎn)單的取消切削液就可以實(shí)現(xiàn)，它對(duì)刀具材料、機(jī)床結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)等均有較高的要求，所以目前它的應(yīng)用范圍還比較有限，而完全采用濕加工又有資源浪費(fèi)和環(huán)境保護(hù)等方面的問(wèn)題，如果將干、濕加工的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，既能夠達(dá)到加工要求，又能夠使切削液的費(fèi)用降到最低，達(dá)到與干切削相同的要求，這種切削方式稱為準(zhǔn)干式切削。準(zhǔn)干式切削是一種介于濕式切削和純干式切削之間的一種切削方式。一般濕式切削時(shí)切削液消耗量可能在5L/min以上，而準(zhǔn)干式切削時(shí)切削液消耗量可能在50mL/h以下。

"汽束"噴霧冷卻切削就是目前應(yīng)用較多的一種準(zhǔn)干式切削方式。在切削時(shí)采用一定壓力（0.3～1MPa）的壓縮空氣使微量切削液（50～125mL/h）霧化，并以高速噴向切削區(qū)，使在該區(qū)域高溫下呈霧化狀態(tài)的切削液很快汽化，由于液體在汽化時(shí)會(huì)吸收大量熱量，因而可使切削區(qū)域內(nèi)的熱量大幅度下降，使工件變形很小，所產(chǎn)生的切屑通過(guò)重力作用落入切削區(qū)域下方的收集區(qū)內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)床調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，每工時(shí)所消耗的切削液在50～125mL/h之間，刀具、工件和切屑都是干燥的。清潔干凈的切屑還可以回收再利用，既不污染環(huán)境又可以節(jié)約資源。2.6風(fēng)冷卻切削技術(shù)干式加工是綠色制造工藝研究的重點(diǎn)，但是在一定條件下，沒(méi)有任何冷卻措施的干式加工還很難實(shí)現(xiàn)，還需要對(duì)刀具進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。在這種情況下，可以采用風(fēng)冷卻切削技術(shù)。

風(fēng)冷卻切削技術(shù)是將從空氣供給源來(lái)的空氣經(jīng)過(guò)除濕器將水份除去后，送入空氣冷卻器冷卻至－30℃，再經(jīng)絕熱管由風(fēng)嘴將冷風(fēng)送至切削部位，同時(shí)向加工點(diǎn)噴少量的無(wú)害植物油，以防銹并且有一定潤(rùn)滑作用。在風(fēng)嘴的對(duì)面設(shè)有集塵裝置以收集廢屑和風(fēng)塵，通過(guò)集塵器內(nèi)的過(guò)濾器將切屑濾去。

但是目前風(fēng)冷卻切削技術(shù)還存在以下問(wèn)題，如切屑收集、純風(fēng)冷時(shí)刀具的潤(rùn)滑、已加工工件的防銹、冷風(fēng)的噪聲，還要從解決這幾個(gè)問(wèn)題著手，對(duì)風(fēng)冷卻切削技術(shù)進(jìn)行研究。

總之，綠色加工業(yè)已是世界工業(yè)發(fā)展的潮流，它必將隨著人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出和經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)，顯示出它的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樽非笊姝h(huán)境的質(zhì)量已是人類共同的價(jià)值趨向，綠色加工業(yè)作為符合人類這一價(jià)值趨向的新興工藝前景廣闊，做好綠色制造工藝的產(chǎn)、學(xué)、研已成為當(dāng)務(wù)之急。