【導(dǎo)讀】綠色制造技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用研究。基于綠色制造的霧化冷卻潤滑切削工藝技術(shù)分析..........18

　　

【正文】 具體比較見表 . 表 振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效特點(diǎn)比較 應(yīng)力消除 能源消耗 環(huán)境保護(hù) 40^39。80% 能耗高 有煙氣粉塵廢渣排放 3055% 比熱時(shí)效節(jié)能 95% 無污染 第 2 章綠色制造在工藝中的應(yīng)用 尺寸穩(wěn)定性 較好 比熱時(shí)效提高 30% 以上 生產(chǎn)費(fèi)用 時(shí)效周期 150^300 元 /噸 2060 小時(shí) 抗變形能力 較差 4 一 10 元 /噸 1 小時(shí)以內(nèi) 比熱時(shí)效提高 30 50% 時(shí)效變形 時(shí)效氧化 大型工件 較大 有 無法進(jìn)爐處理 可忽略不計(jì) 無 可方便就地處理 此外，振動(dòng)時(shí)效操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。還可避免金屬零件在熱時(shí)效過程中 產(chǎn)生翹曲變形和氧化脫碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能進(jìn)行二次時(shí)效的方法。 基于綠色制造的微量潤滑工藝技術(shù)分析 概述 資源和環(huán)境關(guān)系到我國長遠(yuǎn)利益和可持續(xù)發(fā)展。綠色切削加工技術(shù)是一種充分考 慮資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的加工技術(shù)，它要求在整個(gè)加工過程中做到對(duì)資源的利用率最高 和對(duì)環(huán)境的污染最小。 傳統(tǒng)的切削加工中，大量使用切削液以起到冷卻、潤滑、清洗、排屑、防銹等作 用，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，切削液造成的負(fù)面影響己不容忽視 :①增加了總制造成本。 在歐洲汽車制造業(yè)，切削液的成本占總制造成本的 %，其中包括購買切削液的費(fèi)用、 使用切削液所需設(shè)備費(fèi)、維護(hù)及廢液處理費(fèi)用等。②帶來環(huán)境污染 :切削液中含有礦 物油及硫、磷、氯等對(duì)環(huán)境有害的添加劑，如排放前未經(jīng)處理或處理不當(dāng)，則會(huì)對(duì)環(huán)境造 成污染。③引發(fā)疾病 :切削液對(duì)操作工人的健康造成威脅，會(huì)誘發(fā)多種皮膚病和呼吸道、 肺部疾病。④加工質(zhì)量問題 :對(duì)刀具表面有熱沖擊效應(yīng)，造成微裂紋 。同時(shí)，金屬屑 混在切削液的循環(huán)系統(tǒng)中影響加工質(zhì)量。 在世界對(duì)環(huán)保的重視和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)提高的同時(shí)，切削加工中大量使用切削液 的加工方法受到了種種限制。 1996 年，國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布了關(guān)于環(huán)境管理的 ISO 14000 系列標(biāo)準(zhǔn)，德國、美國、加拿大和日本等國家也相繼制定出更加嚴(yán)格的工業(yè) 排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了切削液的使用。 面對(duì)降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)條件和可持續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，及迫于有關(guān) 法律的壓力，合理利用制造資源、廢棄物少、環(huán)境污染小、可進(jìn)行良險(xiǎn)循環(huán)的“綠色 制造”技術(shù)必將會(huì)成為 21 世紀(jì)制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。 微量潤滑技術(shù) MQL (Minimal Quantity Lubrication)就是在這種情況 下產(chǎn)生的。它 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 是在壓縮氣體中混入無公害油霧，代替大量切削液對(duì)切削點(diǎn)實(shí)施冷卻潤滑。 MQL 是一 種有效的綠色制造技術(shù)，切削液以高速霧粒供給，增加了潤滑劑的滲透性，提高了冷 卻潤滑效果，改善了工件的表面加工質(zhì)量 。使用切削液的量僅為傳統(tǒng)切削液用量的萬 分之一，從而大大降低了冷卻液成本，使切削區(qū)域外的刀具、工件和切削保持干燥， 避免了處理廢液的難題 。MQL 可以根據(jù)工況規(guī)定潤滑的最佳濃度，而且消除了切削液 中懸浮的硅離子的污染，改善了工人的工作環(huán)境 。MQL 系統(tǒng)簡單、占地小，易于安裝 在各種類型 的機(jī)床上。 機(jī)械加工過程中，刀具和金屬接觸表面會(huì)產(chǎn)生高溫，而在傳統(tǒng)切削液的冷卻作用 下，高熱固體金屬會(huì)急速冷化產(chǎn)生淬火效應(yīng)，金屬表面會(huì)產(chǎn)生淬火馬氏體組織，使金 屬變硬的同時(shí)脆性增強(qiáng)。由于淬火反應(yīng)的強(qiáng)烈程度與溫差成正比，而提高生產(chǎn)速度會(huì) 使刀具溫度更高，所以提高生產(chǎn)速度將產(chǎn)生強(qiáng)的淬火效應(yīng)導(dǎo)致刀具壽命降低。 微量潤滑系統(tǒng)中潤滑劑是以微米級(jí)霧粒進(jìn)給，不會(huì)產(chǎn)生淬火效應(yīng)。在刀具沒有過 熱的情況下，切削速度提高，工件切削層的破裂點(diǎn)會(huì)提前出現(xiàn)，也即切削破裂點(diǎn)將遠(yuǎn) 離刀尖，使得破裂點(diǎn)的高溫難于傳給刀尖。切削熱集中在工件及切屑上，刀具唯一的 熱源只有和切屑的接觸點(diǎn)，切削速度提高亦會(huì)使切屑易于彎曲并以高速離開工件及刀 具，從而有效減少切屑傳導(dǎo)切削熱的時(shí)間。此外，適宜的高溫可以軟化切削工件的表 面，減少切削力，更易于切削。 對(duì)于切削液的滲透機(jī)理，有著多種不同的假設(shè)。一種比較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為 :由于 切削區(qū)摩擦接觸界面上存在著強(qiáng)大的拉壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，在這些應(yīng)力的綜合作用下， 必然會(huì)產(chǎn)生微裂紋。根據(jù)物理學(xué)中的毛細(xì)現(xiàn)象原理，微裂紋可以作為毛細(xì)管，會(huì)把切 削液引入摩擦接觸區(qū)。有實(shí)驗(yàn)對(duì)用水蒸氣作為綠色冷卻潤滑劑的作用機(jī)理作了研究， 證實(shí)了在切屑沿前刀面流出的過程中，前刀面與切屑底面的滑擦和耕犁作用使刀一屑接 觸區(qū)形成了大量的毛細(xì)管，通過虹吸作用，使切削液滲透到切削區(qū)。同時(shí)比較了切削 液以流體及蒸氣形式的滲透時(shí)間，結(jié)果表明，切削液以較小直徑的霧粒形式可以更迅 速滲透至加工表面。微量潤滑系統(tǒng)形成的微霧粒大小與蒸氣霧粒相當(dāng)，而且速度高， 更利于高速進(jìn)入毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)更好的潤滑效果。 MQL 技術(shù)的應(yīng)用 MQL 技術(shù)的潤滑方式主要包括氣霧外部潤滑和氣 霧內(nèi)部冷卻兩種方式 : 1)外部潤滑冷卻方式 :將潤滑油與高壓空氣進(jìn)行混合，通過運(yùn)輸管、噴嘴，在刀 具的外部對(duì)切削部位進(jìn)行冷卻潤滑 。 2)內(nèi)部潤滑冷卻方式 :通過主軸和刀具中的孔道直接將冷卻氣霧送至切削區(qū)域， 第 2 章綠色制造在工藝中的應(yīng)用 進(jìn)行冷卻和潤滑。根據(jù)加工需要，可將兩種潤滑方式配合使用，以獲得最佳冷卻潤 滑效果。 圖 潤滑系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)研究表明，采用 MQL 技術(shù)高速銑削鋁合金時(shí)，在油霧潤滑狀態(tài)下，刀具上的 材料粘附很少，極大 地提高了刀具的壽命。同樣，在鋼的切削試驗(yàn)中， MQL 技術(shù)大大 減小了切削力，減少了后刀面磨損，改善了已加工表面質(zhì)量，避免了切削中的集中熱 應(yīng)力，減小了毛刺重量和長度。 MQL 的優(yōu)勢(shì)更加體現(xiàn)在高速切削過程中，切削效果明 顯優(yōu)于普通的澆注冷卻方式。 目前， MQL技術(shù)的使用主要是在鑄鐵、鋼和鋁合金上進(jìn)行鉆孔、鉸孔和攻絲加工， 以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。 美國的 Tbyssen 公司將潤滑系統(tǒng)集成在主軸中，其流量由 CNC 程序控制，該單元 在 時(shí)間內(nèi)可鉆削 10 個(gè)直徑 8mm、中心距為 20mm的孔，每小時(shí)使用一杯潤滑油， 且大部分被蒸發(fā)，切削中切削液含量大大減少，因此處理費(fèi)用大幅降低。在德國， MQL 裝置近幾年來每年有 15000套的市場(chǎng)，而且還將進(jìn)一步增加。 MQL與新型刀具的結(jié)合使 用也方興未艾?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來兩三年內(nèi)，德國制造的加工中心將有 5%用 MQL 與潤 滑性涂層刀具相結(jié)合來取代澆注式冷卻。 MQL 的實(shí)現(xiàn)中也會(huì)遇到一些問題 : MQL 技術(shù)主要包括外部潤滑冷卻和內(nèi)部潤滑冷卻兩種方式。內(nèi)部潤滑方式比外部潤 滑方式更有效地對(duì)加工區(qū)進(jìn)行潤滑冷卻，不過內(nèi)部潤 滑時(shí)刀具的形狀比較復(fù)雜，而外 部潤滑方式噴嘴的噴射方位也影響著潤滑冷卻效果。因此如何選取正確的潤滑冷卻方 式，對(duì)提高切削加工的質(zhì)量和效率是很重要的。 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 MQL 要求每小時(shí)只消耗幾十毫升的潤滑液，所以就必須嚴(yán)格控制霧粒的直徑大小。 而且霧粒直徑越小，潤滑液就越容易進(jìn)入到刀具的前后刀面處，冷卻潤滑的效果就越 好。但要形成微米級(jí)微粒也是比較困難的，國內(nèi)在這方面的成就還不是很多，但是國 外一些公司比如德國的 VOGEL 公司所生產(chǎn)的 MQL設(shè)備已經(jīng)能夠生成直徑為幾 個(gè)微米的 霧粒。所以如何形成毫、微米級(jí)氣霧已經(jīng)成為國內(nèi) MQL 技術(shù)研究的主要問題。 傳統(tǒng)的冷卻澆注法與 MQL 所造成的空氣中油霧微粒濃度是不同的。美國 Cicinati 大學(xué)和 nc 公司的聯(lián)合研究項(xiàng)目進(jìn)行了 MQL 和澆注切削下產(chǎn)生的空氣油霧 濃度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) MQL 冷卻下空氣中的油霧濃度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)澆注法〔 33]。即在人們 免除了傳統(tǒng)切削液所造成的臭味、細(xì)菌和霉菌等損害健康的同時(shí)，卻造成了加工區(qū)油 霧微粒濃度迅速增加，同樣對(duì)環(huán)境及健康造成了不利的影響 。另外由于較高的油霧微 粒生成量，使得采用 MQL加工方法的機(jī)床必須具有封閉、抽吸通風(fēng)以及空氣清新設(shè)施， 給 MQL 加工帶來了附加的成本。所以，控制加工中空氣的油霧含量也是要解決的一個(gè) 重要問題。 根據(jù)環(huán)保要求和下一代機(jī)床要求油品潤滑性能好、使用壽命長的特點(diǎn)， MQL 潤滑應(yīng) 使用生物降解性能好、承載能力高、蒸發(fā)損失少、氧化穩(wěn)定性優(yōu)越的脂類潤滑油。 基于綠色制造的霧化冷卻潤滑切削工藝技術(shù)分析 霧化冷卻潤滑切削技術(shù)的原理是利用霧滴汽化來進(jìn)行散熱冷卻的，當(dāng)霧滴落于高 溫的加工表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽化中心，氣泡脫離，并且?guī)?dòng)霧滴液體劇烈翻動(dòng)，使霧 滴進(jìn)一步氣化，把熱量帶走，細(xì)小水珠產(chǎn)生相變，變成蒸汽，從而達(dá)到冷卻的效果。 噴霧的實(shí)現(xiàn)方式一般是切削液在高壓氣體的作用下形成霧狀的氣霧混合體，經(jīng)過 收縮噴嘴以高速噴向加工區(qū)域，對(duì)加工區(qū)進(jìn)行冷卻和潤滑。 對(duì)比傳統(tǒng)的澆注方法，霧化冷卻方法具有以下特點(diǎn) :(1)高速氣流帶著微小水珠 很容易就滲透到加工面，有效地降低了摩擦和摩擦熱，延長了刀具壽命 。(2)在降低 摩擦的同時(shí)，就使高精密加工成為可能，更容易實(shí)現(xiàn)工件的微米級(jí)精加工 。(3)潤滑 效果明顯，當(dāng)冷卻潤滑液中的水分蒸發(fā)后，潤滑成分就滯留在了工作區(qū)，在加工表面 上形成潤滑薄膜，同時(shí)也保持了機(jī)床的干燥。 陳德成等人采用的噴霧加工法是利用高壓氣流引導(dǎo)微量切削油對(duì)切削區(qū)進(jìn)行噴霧 潤滑的加工方式，噴霧氣流供給切削區(qū)，其中的微小油離子覆蓋刀具、被切削材料和 切屑，達(dá)到冷卻和潤滑的目的。實(shí)驗(yàn)中利用水和植物性切削油的復(fù)合噴霧加工方法實(shí) 現(xiàn)將水的冷卻機(jī)能配合植物性切削油潤滑機(jī)能的加工方式，針對(duì)奧氏體不銹鋼 SUS304 試驗(yàn)材料進(jìn)行加工試驗(yàn)，證明加工表面粗糙度值在復(fù)合噴霧切削條件下比干切 削和油 第 2 章綠色制造在工藝中的應(yīng)用 劑切削條件下要小 [12]0 但由于從噴嘴噴出的冷卻液成霧狀，雖然大部分噴到切削區(qū)，但也會(huì)有少量彌散 到空氣中，所以為了避免環(huán)境污染以及對(duì)操作者造成傷害，不要選用一些含有亞硝酸 鈉和三乙醇胺等對(duì)人體有害成分的冷卻液。 基于綠色制造的低溫切削工藝技術(shù)分析 低溫切削技術(shù)是指在機(jī)械加工中采用不同冷卻方法，使工件材料的切削區(qū)處于低 溫下進(jìn)行切削加工的方法。在現(xiàn)階段研究過程中，根據(jù)冷卻介質(zhì)不同，低溫切削可分 為液氮冷卻切削和低溫冷風(fēng)冷卻切削。 液氮冷卻切削是使用低沸點(diǎn)介質(zhì)，在壓力作用下，將氮?dú)獍l(fā)生裝置所生成的氮?dú)? 以液氮的形式送入切削點(diǎn)，代替大量油劑的切削方法。 液氮冷卻切削主要有兩種應(yīng)用形式，一種是利用瓶裝壓力將液氮像切削液一樣直 接噴射到切削區(qū) 。另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)來間接冷卻刀具或工件。氮?dú)馐谴? 氣中含量最多的成分，氮?dú)庾鳛橹蒲豕I(yè)的副產(chǎn)品，資源十分豐富，由于液氮使用后 直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，因此不會(huì)留下任何污染。 美國林肯大學(xué)的 Z. Y. Wang 采用 H13A硬質(zhì)合金刀具，并用液氮循環(huán)冷卻刀具 的方法對(duì)欽合金進(jìn)行了低溫切削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的切削方法相比， 刀具磨損明顯減少，切削溫度降低 30%，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善。 低溫冷風(fēng)冷卻潤滑技術(shù)是一種用低溫的冷風(fēng) (101000C)經(jīng)由盡量靠近切削點(diǎn) 的風(fēng)嘴噴至切削區(qū)，并混入微量的植物性潤滑劑，可使切削區(qū)的溫度大大降低，同時(shí) 引發(fā)被加工材料的低溫脆性，使切削過程變得較為容易進(jìn)行，并相應(yīng)改善刀具磨損狀 況的切削方法。目前低溫切削加工主要應(yīng)用于欽合金、高錳鋼、淬 硬鋼等難加工材料 的加工中。 低溫切削技術(shù)也存在著一些難點(diǎn) :(1)液氮冷卻中，由于金屬的熱脹冷縮作用， 零件的加工尺寸會(huì)發(fā)生誤差，而且液氮容易揮發(fā)，所以傳輸比較困難，而且噴嘴處溫 度較低，易結(jié)成冰，堵塞噴嘴。 (2)低溫冷風(fēng)冷卻中，由于氣態(tài)介質(zhì)的動(dòng)能小，所以 在流向切削區(qū)時(shí)，易受到切削位置、工件形狀、刀具和機(jī)床部位的阻礙而改變方向， 而且刀具和工件材料之間潤滑較差，切屑收集困難，噪聲等問題也很嚴(yán)重，低溫氣體 產(chǎn)生裝置也比較復(fù)雜。 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于綠色制造技術(shù)的硬車削工藝技術(shù)分析 車削加工是機(jī)械制造業(yè)中最基本、最廣泛、最重要的一種工藝方法，它直接影響 生產(chǎn)效率、成本、能源消耗和環(huán)境污染。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高 硬度的工程材料越來越多地被采用，傳統(tǒng)的車削技術(shù)難以勝任或根本無法實(shí)現(xiàn)對(duì)某些 高強(qiáng)度、高硬度材料的加工，而現(xiàn)代的硬車削技術(shù)使之成為可能，并在生產(chǎn)中取得明 顯效益。 硬車削及其特點(diǎn) 通常所說的硬車削是指把淬硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法，這樣 可以避免目前普遍采用的磨削技術(shù)。淬硬鋼通常是指淬火后具有 馬氏體組織，硬度高， 強(qiáng)度也高，幾乎沒有塑性的工件材料，硬度 HRC 55 時(shí)，其強(qiáng)度 sb=2100