[摘要]機械加工工業(yè)中存在能源的大量的浪費，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)機械加工中的應(yīng)用來達(dá)到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的。

[關(guān)鍵詞]機械加工 綠色制造 工藝

中圖分類號：TH11文獻標(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)。它的實現(xiàn)可從設(shè)計和工藝兩方面著手。在設(shè)計方面，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冷風(fēng)磨削。強冷風(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現(xiàn)，它對刀具材料、機床結(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。實驗表明，干式切削理想的條件應(yīng)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(chǎn)生的切屑是干燥的，這樣可以盡可能的將干切削機床設(shè)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(tǒng)排出灰塵，對機床主要部位進行隔離。

現(xiàn)在切削加工已朝著高速、超高速方向發(fā)展，高速切削機床的發(fā)展給干切削的實現(xiàn)創(chuàng)造了良好的條件，對于精密切削機床，可在機床上裝上監(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，并配以機床補償裝置。

（四）工藝技術(shù)。對機械加工來說，要實現(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(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(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現(xiàn)，它對刀具材料、機床結(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和環(huán)境保護等方面的問題，如果將干、濕加工的優(yōu)點結(jié)合，既能夠達(dá)到加工要求，又能夠使切削液的費用降到最低，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)。實驗表明，當(dāng)機床調(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，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(xiàn)，還需要對刀具進行冷卻和潤滑。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)濟全球化的趨勢，顯示出它的優(yōu)勢。因為追求生存環(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)機械及其自動化學(xué)院，碩士研究生，研究方向：先進制造技術(shù)。