梅志敏，張融

(武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北武漢 430065)

機(jī)械產(chǎn)品綠色加工工藝研究

梅志敏，張融

(武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北武漢 430065)

機(jī)械加工存在著浪費(fèi)能源、污染環(huán)境等問題，因此發(fā)展綠色制造技術(shù)十分重要。介紹綠色制造加工工藝，分析多種綠色加工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，將其與傳統(tǒng)的加工技術(shù)進(jìn)行對比，指出綠色加工技術(shù)在我國生態(tài)工業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。

綠色制造;工藝技術(shù);可持續(xù)發(fā)展

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，世界的工業(yè)化進(jìn)程加快，而對環(huán)境的破壞、資源的浪費(fèi)也越來越厲害。機(jī)械制造業(yè)在促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的污染，使資源日益枯竭，地球環(huán)境惡化，生態(tài)環(huán)境受到破壞，使人類的生存和發(fā)展受到了威脅。如果繼續(xù)使用這種粗放式的制造模式，必將影響社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 綠色制造加工工藝簡介

綠色制造加工工藝技術(shù)是以傳統(tǒng)的加工工藝技術(shù)

為基礎(chǔ)，以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、降低成本為目標(biāo)，并結(jié)合環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、表面技術(shù)、材料科學(xué)、控制技術(shù)等的先進(jìn)制造技術(shù)工藝。其目標(biāo)是使機(jī)械產(chǎn)品在制造的過程中對環(huán)境的影響最小，資源利用率高，并使企業(yè)在不危害環(huán)境的同時(shí)讓自己的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益一致。

2 綠色低耗的制造工藝技術(shù)

2.1 綠色切削技術(shù)

采用綠色切削加工工藝技術(shù)，是為了解決切削過程中切削液帶來的問題。切削液在機(jī)械加工制造過程中起潤滑、冷卻、排屑和清洗的作用，但如果在機(jī)械加工的過程中大量使用切削液，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，同時(shí)也會(huì)危害到工作人員的身體健康?，F(xiàn)今國內(nèi)學(xué)者主要針對干式切削、綠色濕式切削、低溫切削等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1.1 干式切削加工工藝

干式切削加工工藝技術(shù)方法有很多，如干車削、干銑削、干鉆削、干式齒輪加工、干式螺紋加工等。如今，干式切削加工工藝技術(shù)在很多材料加工中都得到了應(yīng)用，尤其是在有色金屬及其合金和鑄鐵的加工方面。干式切削時(shí)溫度一般都很高，因此在選擇刀具方面是很嚴(yán)格的。干式加工刀具必須具有很高的熱韌性和紅硬性，還要有很好的耐磨性，抗粘結(jié)性強(qiáng)還得耐熱沖擊，要保證刀具和切削工件之間的摩擦因數(shù)盡可能小，排屑順暢，易于散熱。機(jī)床切削時(shí)速度盡量高，并配備有吸塵和排屑裝置。

雖然干式切削加工工藝對環(huán)境等方面都起到了一定的作用，但是，應(yīng)該知道干式切削加工技術(shù)還存在很多不足之處:如在對高強(qiáng)度的鋼材進(jìn)行切削時(shí)，刀具就磨損得相當(dāng)嚴(yán)重，于是對刀具的材料和結(jié)構(gòu)功能要求很高，成本也相對較大;加工時(shí)能量耗損比較大，切削過程中產(chǎn)生的溫度很高，而且在高溫時(shí)鐵屑會(huì)體現(xiàn)出熱塑性，由于很難控制，所以就造成了排屑困難。

2.1.2 低溫切削加工工藝

一般對于對那些難度比較大的材料進(jìn)行加工，比如高錳鋼、淬硬鋼、鈦合金等，用低溫切削。低溫切削時(shí)在其裝置上一般要配有低溫冷風(fēng)裝置，包括氮?dú)饬靼l(fā)生裝置、使用低沸點(diǎn)工質(zhì)作冷媒的間接冷卻裝置等，相比較其成本也會(huì)有一定的提高，因此這也將是技術(shù)改進(jìn)所需解決的問題。近年來，在國外低溫冷風(fēng)切削技術(shù)的研究已趨于成熟，國內(nèi)在之方面的研究也比較順利，相信在不久的將來，低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置在國內(nèi)的成功研制必將推動(dòng)干式切削技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

2.1.3 準(zhǔn)干式切削加工工藝

準(zhǔn)干式切削加工技術(shù)是將干、濕加工的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，即在切削加工中，將混有少量潤滑油的氣體噴射于加工部位，恰當(dāng)?shù)厥褂?，使得零件、刀具和切削處于干燥狀態(tài)，避免了切削液的污染與處理問題，而且改善了工作環(huán)境，能夠在達(dá)到加工要求的同時(shí)使切削的費(fèi)用降到最低，達(dá)到與干切削相同要求的一種切削工藝。干式切削加工中的潤滑或冷卻也稱準(zhǔn)干式切削加工。

對于某些工件材料和加工方式的組合，在實(shí)際生產(chǎn)中純粹的干式切削目前難以使用，故極微量潤滑技術(shù)由此產(chǎn)生。這種潤滑是將具有一定壓力的空氣與極微量的切削油混合并油霧化，然后一同噴于切削區(qū)，對刀具與工件和刀具與切削的接觸面進(jìn)行潤滑，防止了切削液粘到刀具上，還減小了摩擦，而且使得切削區(qū)的溫度有所改善，并有利于排屑，從而使得切削加工的條件有了顯著改善。

2.2 綠色加工技術(shù)——數(shù)控

數(shù)控加工有利于產(chǎn)品的更新改型，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，自動(dòng)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定，加工精度以及自動(dòng)化程度都很高，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造。對于加工頻繁改型的零件，使用數(shù)控機(jī)床能節(jié)省大量工裝費(fèi)用，從而降低了綜合費(fèi)用。

常見的數(shù)控加工設(shè)備:數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心。

2.2.1 數(shù)控車床

數(shù)控車床是目前使用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。數(shù)控車床能加工軸類、盤類等復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件，還能加工完成螺紋、圓錐面、內(nèi)外圓柱面以及端面等的切削加工，能完成復(fù)雜回轉(zhuǎn)面的加工，并且能進(jìn)行車槽、擴(kuò)孔、鉸孔等工作。

數(shù)控車床按功能可分為普通數(shù)控車床、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和車削加工中心。

2.2.2 數(shù)控銑床

數(shù)控銑床比較簡單，它可以組成各種框式循環(huán)和往復(fù)循環(huán)，它不僅可以完成斜線、曲線、直線輪廓的銑削加工，還可以對具有復(fù)雜型面的工件進(jìn)行加工，加工出來的零件，不僅美觀性強(qiáng)，而且精度相當(dāng)高。

2.2.3 數(shù)控加工中心

加工中心是一種備有自動(dòng)換刀裝置和刀庫，對工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具;可自動(dòng)改變機(jī)床進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、刀具相對工件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及其他輔助功能;依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。減少了工件測量、裝夾和機(jī)床調(diào)整時(shí)間，縮短了工件存放、搬運(yùn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率及機(jī)床的利用率，是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展方向。

2.3 特種加工技術(shù)綠色選擇

特種加工是指利用電能、熱能、聲能、光能以及化學(xué)能等去除材料的加工方法。

2.3.1 電火花加工工藝

加工特點(diǎn):能加工任何導(dǎo)電材料，適用于微細(xì)加工及低剛度工件加工，其加工硬度比機(jī)械加工表面硬度高，且有利于保護(hù)潤滑油，在相同表面粗糙度下其耐磨性和表面潤滑性都比機(jī)械加工的表面好。

2.3.2 電火花線切加工

加工特點(diǎn):生產(chǎn)效率高，加工成本低，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，大大降低了電極設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用;電蝕余量小，蝕除金屬量小，適于加工和切割稀有、貴重金屬;工具電極損耗極小;便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;加工小孔、小槽、凹凸模、窄縫可一次完成，能夠?qū)⒍鄠€(gè)工件疊起來加工，能獲得一致尺寸。

2.3.3 激光加工工藝

加工特點(diǎn):能量密度高，應(yīng)用廣泛;加工速度快，效率高，可控性好，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;能透過空氣、惰性氣體或透明物體對工件進(jìn)行加工，在真空環(huán)境下也可加工;激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因此可以用于精密微細(xì)加工。

2.3.4 電子束加工

加工原理:真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的時(shí)間 (幾分之一微秒)內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化或汽化。

加工特點(diǎn):電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，所以加工表面可以很小，能加工半導(dǎo)體、微孔、窄縫集成電路;加工材料范圍廣，可以加工韌性、脆性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料;通過電場或磁場對電子束的位置、聚焦、強(qiáng)度等進(jìn)行控制，整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，所以產(chǎn)生的污染少，加工表面在高溫時(shí)也不易被氧化，特別適用于加工易被氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

2.3.5 離子束加工

加工特點(diǎn):可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料時(shí)逐層去除原子。離子束流密度及能量可以精確控制，其加工精度可以達(dá)到毫微米即納米級別。離子鍍膜可以控制在亞微米精度級別，離子注入的濃度和深度也可以精確控制，因此，離子束加工是所有特種加工方法中最精密最微細(xì)的加工方法。離子束加工在高真空中進(jìn)行，適用于加工易氧化的金屬、高純度半導(dǎo)體材料和合金。

3 結(jié)束語

綜上所述，綠色加工工藝目前已是世界工藝發(fā)展的潮流，其優(yōu)勢必將在經(jīng)濟(jì)全球化和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出中得到完美的展現(xiàn)。環(huán)境的質(zhì)量問題已是當(dāng)今社會(huì)共同價(jià)值的趨向，綠色加工工藝的前景廣闊，它的發(fā)展必將給人類社會(huì)和自然環(huán)境帶來美好的明天!

【1】趙占西.產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)材料與工藝［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【2】林武文，張春燕.特種加工對機(jī)械加工工藝的突破［J］.紅外與激光工程，2006(5):199－202.

【3】張?jiān)葡?淺析綠色制造工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2009(4):81－82.

【4】盛夏.淺談基于綠色制造的新型機(jī)械制造工藝［J］.硅谷，2010(6):130－130.

【5】王利，曹軍.淺談綠色制造技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用［J］.中國科技博覽，2010(24):296 －296.

【6】韓圣武.淺談綠色制造工藝技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2008(33):29 －29.

Study on Green Machining Process of Mechanical Product

MEIZhimin，ZHANG Rong
(Department of Mechanical Engineering，Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei430065，China)

Problems of energy waste，environmental pollution are existed in machining，so it is very important to develop green manufacturing technology.Greenmanufacturing processwas introduced.The advantages and disadvantages of various greenmachining methods were analyzed，and they were compared with traditional processing technology.It is pointed out that the green machining technology plays an important role in China ecological industry and sustainable social development.

Green manufacturing;Technology;Sustainable development

TH16

A

1001－3881(2013)8－137－2

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.046

2012－02－20

2011年湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目(2011477);武昌工學(xué)院大學(xué)生校級科研項(xiàng)目 (2010XS10)

梅志敏 (1991—)，男，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。E－mail:1158153253@qq.com。通信作者:張融，E－mail:meryer@sohu.com。