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绿色制造工艺在机械加工制造中的具体应用

2020-06-15 366 上传者：管理员

摘要：从绿色制造工艺分析入手，对绿色制造工艺在机械加工制造中的具体应用进行论述。期望通过本文的研究能够对机械加工制造过程中资源和能源消耗量的降低以及环境污染的减轻有所帮助。

关键词：
切削
机械制造
机械加工
绿色制造工艺
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传统的机械加工制造不但需要消耗大量的资源，而且能源的用量也比较大，加工过程中产生的“三废”对自然生态环境造成严重的污染和破坏，这与可持续发展的理想相违背。而绿色制造工艺以降低能源、资源的总体消耗量和保护环境为目标。因此，可在机械加工制造中对绿色制造工艺进行合理应用。

1、绿色制造工艺

绿色制造是一项非常先进的技术工艺，其最终目的是降低能源和资源的总体消耗量，并最大限度地减轻对自然生态环境的污染和破坏。正因如此，使得绿色制造得到越来越广泛的关注。绿色制造工艺主要包括以下三个方面的内容，即节约资源、节约能源、保护环境。

1.1 节约资源型绿色制造工艺

机械加工过程中的资源主要为各种材料，而节约资源型的绿色制造工艺能够在机械加工中有效减少材料的消耗量，随着材料消耗量的减少，机械加工时消耗的能源会随之降低，废弃物的产量也会有所减少，从而可以实现节能、环保的目标。不仅如此，还能为机械加工制造企业带来巨大的经济效益。

1.2 节能型绿色制造工艺

现阶段，机械加工基本上都是通过各种机床来完成，机床的运行需要以能源作为驱动力，随着产能的增加，使得机械加工制造过程中的能耗随之增大。节约能源型的绿色制造工艺能够在保证机械加工效率的基础上，最大限度地降低能源的使用量和损耗量，从而实现节能降耗的目标。在传统的机械制造中，损耗的能源非常多，比如燃料燃烧时产生的热能，由于无法被回收利用，不但造成能源白白浪费，还使环境遭到污染[1]。而节能型绿色制造工艺的应用，则可使这一问题得到有效解决。

1.3 保护环境型绿色制造工艺

环境是人类赖以生存的基础，如果环境遭到严重的破坏，则会对人类社会的持续发展带来影响。所以保护环境尤为必要。然而，在传统的机械加工制造中，除了会产生大量的有害物质之外，还伴有噪声污染。保护环境型的绿色制造工艺能够在机械加工时，将有害物质的产生量降至最低程度，并且部分物质可以回收再利用，噪声也随之降低。

2、绿色制造工艺在机械加工制造中的具体应用

在现代机械加工制造中，切削是不可或缺的重要组成部分之一。为此，可在切削加工中，对绿色制造工艺进行应用。

2.1 传统切削的缺陷

在传统的切削加工中需要使用切削液，其主要作用是冷却和润滑。根据相关研究结果显示，切削液的用量与加工时间的关联最为密切，二者之间呈成正比关系，即切削液的用量会随着加工时间的延长而增多。切削液是由多种化学物质组合而成，它是机械加工过程中的重要污染源之一。根据环保部门的规定要求，所有用于机械加工的切削液必须经处理达标后，方可排放，如果直接排放，切削液中的有毒有害物质，会对自然生态环境造成严重的污染和破坏[2]。同时，还会威胁到人体健康。如果能够减少或是不使用切削液进行机械加工，则可使上述问题得到有效解决。故此，应用绿色制造工艺时，要从切削液方面着手。

2.2 准干式与干式加工工艺

2.2.1 准干式加工

由于受到现有技术条件的限制，使得在深孔钻削、孔攻丝等机械加工，很难在不使用切削液的情况下，保质保量地完成生产任务。对此，可采用少量润滑或是风冷的准干式切削工艺。喷雾式润滑是一种比较有效的润滑方式，具体是通过对润滑剂的雾化处理，将之高速喷射至切削加工区域，对工件进行润滑和冷却。实践表明，在同等加工条件下，雾化润滑剂的用量约为切削液用量的数万分之一[3]。随着机械加工中润滑油用量的减少，可以大幅度减轻加工过程对环境的污染，并且还能为后续的加工提供便利条件，有助于生产效率的提升。风冷切削是以雾化润滑作为前提，以温度较低的空气替代常规空气，对机械加工过程进行冷却润滑，这种切削工艺最为突出的特点是能够延长车刀的使用寿命，在提高经济效益的同时，减少资源的消耗。

2.2.2 干式加工

干切削归属于清洁型绿色制造工艺的范畴，整个加工过程不使用切削液，该工艺对环境的污染可以降至最低程度，并且还能使设备结构得到精简，在提高生产效率的基础上，能够减少成本支出，可为机械加工制造企业带来巨大的经济效益。干切削包括干式车削、铣削等，其中干式车削在有色金属、合金等材料的加工中表现非常优异。由于干切削不使用切削液，刀具与工件之间为干磨状态，从而使得该工艺对刀具的耐磨性以及耐热性提出较高的要求，为确保加工的顺利进行，必须对刀具进行优选，这是该工艺应用中需要重点注意的问题。要保证所选的刀具结构合理，并且还要有适宜的几何角度，这样除了能够满足断、排屑的要求之外，还能减少工件上积削瘤的产生。具体选择时，应着重考虑以下两个方面的因素：

(1）材质。在刀具的材质方面，陶瓷的性价比要高于CBN（立方氮化硼），如晶须增韧陶瓷[4]，这种材质的刀具韧性较高，可将之作为首选。与陶瓷材质的刀具相比，硬质合金的价格更低一些，是目前机械加工中应用较为广泛的一种刀具，但这种刀具必须使用切削液。为解决这一问题，可通过涂层技术对其进行改良，增强刀具本身的抗磨性，使其满足干式切削的应用需要。（2）涂层。刀具的抗磨、耐高温等性能与涂层有着密切关联，带有涂层的刀具在高温高压的加工条件下，具有良好的抗磨效果。不仅如此，涂层能在刀具与工件之间生成热绝缘，由此可大幅度增强刀具的耐热性。

2.3 干式切削加工中的冷却技术

由于干式切削不使用切削液，所以必须选择合理可行的冷却方式。可供选择的冷却技术有以下几种：液氮冷却、静电冷却、气体射流冷却。

2.3.1 液氮冷却技术

在机械加工中，对液氮冷却技术进行应用时，可以选择的方式有两种，一种是直接冷却，即将液氮直接喷射到刀具或是工件的表面，另一种是间接冷却，即将液氮集中喷射到机械加工区域内。液氮不仅具有冷却的作用，还能起到一定的润滑效果，并且液氮会自然挥发到空气中，不会产生残留，对环境无污染，是干式加工中比较理想的冷却方式。

2.3.2 静电冷却技术

静电冷却技术主要是利用相应的冷却装置，在干式切削加工中，向加工区域内吹入绝缘的空气，从而改变切削区域的环境，由此除了能够达到降温冷却的效果之外，还能在刀具与工件之间形成氧化膜，进而起到润滑的作用。

2.3.3 气体射流冷却技术

气体射流冷却是在干式切削加工的过程中，利用相应的设备将带有压力的气体，以射流冲击的方式作用于加工区域，以此来达到冷却的效果，这种冷却技术能够减少润滑剂的用量。冷风冷却是气体射流冷却中较为实用的技术之一，它以温度较低的空气作为冷却和润滑介质，通过该冷却方式的应用，可以提高工件的表面粗糙度，并且能够降低刀具表面的损伤程度[5]。此外，二氧化碳也是一种绿色的干式切削冷却介质，在切削过程中没有二氧化碳气体排出，不会加剧温室效应。

上述三种冷却技术各具优点，在具体的机械加工制造中，可以结合实际情况进行合理选用。

2.4 干式机床的优化

在对干式切削加工机床的构造进行优化的过程中，应当以消减热变形作为重点。同时要防止排屑对机床造成的损伤。具体优化时，应综合考虑以下几个方面：

2.4.1 误差补偿

干式切削加工中，温度如果持续升高，会导致主轴箱或立柱变形。对此，可以借助误差补偿系统，抵消由于热变形产生的误差，从而确保切削加工质量。

2.4.2 均匀发热

在干式切削机床中，主轴前后轴承的受力区是主要的发热区域，在对机床进行优化时，应当使发热区域尽可能远离工件，这是确保加工精度的有效途径之一。如果发热源过多，则应进行分散，并采用热传导性好的材料作为冷却部件。

3、结束语

综上所述，机械加工制造在工业生产中占据着重要的地位，由于受到现有工艺的制约，使得加工过程会消耗大量的资源和能源，并且还会对环境造成严重的污染和破坏。而通过绿色制造工艺的应用，能够使上述问题得到有效解决。鉴于此，在机械加工制造中引入绿色制造工艺已经势在必行，这对于工业的持续发展意义重大。

参考文献：

[1]徐志东.机械制造加工工艺合理化的机械设计制造分析[J].科技风,2020(3):45-47.

[2]何文斌.基于机械设计与机械制造技术的分析研究[J].南方农机,2020(3):65-66.