綠色制造技術在機械加工中的應用

[摘要]機械加工工業中存在能源的大量的浪費，對環境造成的污染日益嚴重，通過綠色制造工藝技術機械加工中的應用來達到節約資源、保護環境的目的。

[關鍵詞]機械加工 綠色制造 工藝

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

一、綠色制造工藝技術的概念

綠色制造工藝技術是以傳統的工藝技術為基礎，并結合材料科學、表面技術、控制技術等新技術的先進制造工藝技術。其目標是對資源的合理利用，節約成本，降低對環境造成的污染。根據這個目標可將綠色制造工藝劃分為三種類型：節約資源的工藝技術、節省能源的工藝技術、環保型工藝技術。節約資源的工藝技術是指在生產過程中簡化工藝系統組成、節省原材料消耗的工藝技術。它的實現可從設計和工藝兩方面著手。在設計方面，通過減少零件數量、減輕零件重量、采用優化設計等方法使原材料的利用率達到最高；在工藝方面，可通過優化毛坯制造技術、優化下料技術、少無切屑加工技術、干式加工技術、新型特種加工技術等方法減小材料消耗。環保型工藝技術是指通過一定的工藝技術，使生產過程中產生的廢液、廢氣、廢渣、噪聲等對環境和操作者有影響或危害的物質盡可能減少或完全消除。

二、在機械加工中的應用

從節約資源的工藝技術方面來說，在機械加工中，綠色制造工藝技術主要應用在少無切屑加工技術、干式加工技術、新型特種加工技術等方面。

（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生油氣、煙霧，使生產環境惡劣，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，現在采用的一種較為有效的方式是強冷風磨削。強冷風磨削是通過熱交換器，把壓縮空氣用液氮（-190°C）冷卻到-110°C，然后經噴嘴噴到磨削點上（由于溫度下降，原來空氣中的水分會凍結在管道中，因此需使用空氣干燥裝置），由于壓縮空氣溫度很低，所以在磨削點上很少有火花出現，也幾乎沒有熱量產生，因而工件變形極小，可得到10μm以內的橢圓度。干式加工并不是簡單的取消切削液就可以實現，它對刀具材料、機床結構、工藝技術等均有較高的要求。

（二）刀具技術。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、耐熱沖擊和抗粘結性，現在立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）、超細晶粒硬質合金等超硬材料已經廣泛應用于干切削。在對刀具的幾何參數和結構設計時，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，斷屑是很關鍵的，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設計制造技術已經比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量很快設計出相應的斷屑槽結構與尺寸，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）機床技術。干式加工在切削區域會產生大量的切削熱，如果不及時散熱，會使機床受熱不均而產生熱變形，這個熱變形就成為影響工件加工精度的一個重要因素，因此機床應配置循環冷卻系統，帶走切削熱量，并在結構上有良好的隔熱措施。實驗表明，干式切削理想的條件應該是在高速切削條件下進行，這樣可以減少傳到工件、刀具和機床上的熱量。干切削時產生的切屑是干燥的，這樣可以盡可能的將干切削機床設計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，在機床上配置過濾系統排出灰塵，對機床主要部位進行隔離。

現在切削加工已朝著高速、超高速方向發展，高速切削機床的發展給干切削的實現創造了良好的條件，對于精密切削機床，可在機床上裝上監控系統，以檢測切削區域的溫度變化、切削力的變化以及刀具的磨損，并配以機床補償裝置。

（四）工藝技術。對機械加工來說，要實現干切削，工件材料在很大程度上起著決定性的作用，經研究表明干切削的“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生的切屑很容易與刀具發生"咬焊"式粘連，采用高速干切削這種方法可以解決這種問題，實驗表明在高速切削中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，減少了積屑瘤的產生，可提高鋁合金的加工精度和表面質量。為了減少高溫條件下刀具和工件之間材料的粘結和擴散，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行磨削加工的零件和抗拉強度極高的零件進行加工。鈦鋁釩合金（Ti6Al4V）和反應燒結氮化硅(RBSN)是典型的難加工材料，采用液氮冷卻刀具可以進行加工。

采用干切削和干磨削技術能夠節約資源，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，應該利用現有的刀具材料探索新的加工條件，以達到干切削的要求；干磨削會使磨削液的作用完全喪失掉，在實際應用中還不太多，在研究干磨削方式的同時，還應該積極探索新的磨削方式以達到綠色制造的要求。

（五）準干式加工。干式加工并不是簡單的取消切削液就可以實現，它對刀具材料、機床結構、工藝技術等均有較高的要求，所以目前它的應用范圍還比較有限，而完全采用濕加工又有資源浪費和環境保護等方面的問題，如果將干、濕加工的優點結合，既能夠達到加工要求，又能夠使切削液的費用降到最低，達到與干切削相同的要求，這種切削方式稱為準干式切削。準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用較多的一種準干式切削方式。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，使在該區域高溫下呈霧化狀態的切削液很快汽化，由于液體在汽化時會吸收大量熱量，因而可使切削區域內的熱量大幅度下降，使工件變形很小，所產生的切屑通過重力作用落入切削區域下方的收集區內。實驗表明，當機床調整到最佳狀態時，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，既不污染環境又可以節約資源。

（六）風冷卻切削技術。干式加工是綠色制造工藝研究的重點，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現，還需要對刀具進行冷卻和潤滑。在這種情況下，可以采用風冷卻切削技術。

風冷卻切削技術是將從空氣供給源來的空氣經過除濕器將水分除去后，送入空氣冷卻器冷卻至-30℃，再經絕熱管由風嘴將冷風送至切削部位，同時向加工點噴少量的無害植物油，以防銹并且有一定潤滑作用。在風嘴的對面設有集塵裝置以收集廢屑和風塵，通過集塵器內的過濾器將切屑濾去。但是目前風冷卻切削技術還存在以下問題，如切屑收集、純風冷時刀具的潤滑、已加工工件的防銹、冷風的噪聲，還要從解決這幾個問題著手，對風冷卻切削技術進行研究。

總之，綠色加工業已是世界工業發展的潮流，它必將隨著人類可持續發展戰略的提出和經濟全球化的趨勢，顯示出它的優勢。因為追求生存環境的質量已是人類共同的價值趨向，綠色加工業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、學、研已成為當務之急。

作者簡介：

王江慧，中北大學機械及其自動化學院，碩士研究生，研究方向：先進制造技術。