綠色制造技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

[摘要]機(jī)械加工工業(yè)中存在能源的大量的浪費(fèi)，對環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，通過綠色制造工藝技術(shù)機(jī)械加工中的應(yīng)用來達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械加工 綠色制造 工藝

中圖分類號：TH11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310124－01

一、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)是對資源的合理利用，節(jié)約成本，降低對環(huán)境造成的污染。根據(jù)這個目標(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)過程中簡化工藝系統(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，可通過優(yōu)化毛坯制造技術(shù)、優(yōu)化下料技術(shù)、少無切屑加工技術(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。環(huán)保型工藝技術(shù)是指通過一定的工藝技術(shù)，使生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液、廢氣、廢渣、噪聲等對環(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。

二、在機(jī)械加工中的應(yīng)用

從節(jié)約資源的工藝技術(shù)方面來說，在機(jī)械加工中，綠色制造工藝技術(shù)主要應(yīng)用在少無切屑加工技術(shù)、干式加工技術(shù)、新型特種加工技術(shù)等方面。

（一）干式加工。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。在磨削加工時，采用油基磨削液會產(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，原來空氣中的水分會凍結(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。干式加工并不是簡單的取消切削液就可以實(shí)現(xiàn)，它對刀具材料、機(jī)床結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)等均有較高的要求。

（二）刀具技術(shù)。干式加工對刀具材料要求很高，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。在對刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要滿足干切削對斷屑和排屑的要求。對韌性材料的加工來說，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切屑流動方向的控制能力。

（三）機(jī)床技術(shù)。干式加工在切削區(qū)域會產(chǎn)生大量的切削熱，如果不及時散熱，會使機(jī)床受熱不均而產(chǎn)生熱變形，這個熱變形就成為影響工件加工精度的一個重要因素，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。工作臺上的傾斜蓋板用絕熱材料制成，在機(jī)床上配置過濾系統(tǒng)排出灰塵，對機(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。

（四）工藝技術(shù)。對機(jī)械加工來說，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，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，就目前來看其加工的范圍還比較有限，對于干切削來說，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，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。

（五）準(zhǔn)干式加工。干式加工并不是簡單的取消切削液就可以實(shí)現(xiàn)，它對刀具材料、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。

“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，由于液體在汽化時會吸收大量熱量，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，每工時所消耗的切削液在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。

（六）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，沒有任何冷卻措施的干式加工還很難實(shí)現(xiàn)，還需要對刀具進(jìn)行冷卻和潤滑。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的空氣經(jīng)過除濕器將水分除去后，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，同時向加工點(diǎn)噴少量的無害植物油，以防銹并且有一定潤滑作用。在風(fēng)嘴的對面設(shè)有集塵裝置以收集廢屑和風(fēng)塵，通過集塵器內(nèi)的過濾器將切屑濾去。但是目前風(fēng)冷卻切削技術(shù)還存在以下問題，如切屑收集、純風(fēng)冷時刀具的潤滑、已加工工件的防銹、冷風(fēng)的噪聲，還要從解決這幾個問題著手，對風(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，顯示出它的優(yōu)勢。因?yàn)樽非笊姝h(huán)境的質(zhì)量已是人類共同的價值趨向，綠色加工業(yè)作為符合人類這一價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。

作者簡介：

王江慧，中北大學(xué)機(jī)械及其自動化學(xué)院，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。