【正文】 硬車削及其特點 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)。 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。 低溫切削技術(shù)也存在著一些難點 :(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。 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 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 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行，并相應(yīng)改善刀具磨損狀 況的切削方法。 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 的方法對欽合金進行了低溫切削加工試驗。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。 液氮冷卻切削是使用低沸點介質(zhì)，在壓力作用下，將氮氣發(fā)生裝置所生成的氮氣 以液氮的形式送入切削點，代替大量油劑的切削方法。 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 溫下進行切削加工的方法。 陳德成等人采用的噴霧加工法是利用高壓氣流引導(dǎo)微量切削油對切削區(qū)進行噴霧 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，達到冷卻和潤滑的目的。(2)在降低 摩擦的同時，就使高精密加工成為可能，更容易實現(xiàn)工件的微米級精加工 。 噴霧的實現(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，對加工區(qū)進行冷卻和潤滑。 根據(jù)環(huán)保要求和下一代機床要求油品潤滑性能好、使用壽命長的特點， 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。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。美國 Cicinati 大學(xué)和 nc 公司的聯(lián)合研究項目進行了 MQL 和澆注切削下產(chǎn)生的空氣油霧 濃度對比實驗，發(fā)現(xiàn) MQL 冷卻下空氣中的油霧濃度要遠大于傳統(tǒng)澆注法〔 33]。所以如何形成毫、微米級氣霧已經(jīng)成為國內(nèi) MQL 技術(shù)研究的主要問題。 而且霧粒直徑越小，潤滑液就越容易進入到刀具的前后刀面處，冷卻潤滑的效果就越 好。因此如何選取正確的潤滑冷卻方 式，對提高切削加工的質(zhì)量和效率是很重要的。 MQL 的實現(xiàn)中也會遇到一些問題 : 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。 MQL與新型刀具的結(jié)合使 用也方興未艾。 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 時間內(nèi)可鉆削 10 個直徑 8mm、中心距為 20mm的孔，每小時使用一杯潤滑油， 且大部分被蒸發(fā)，切削中切削液含量大大減少，因此處理費用大幅降低。 MQL 的優(yōu)勢更加體現(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。 圖 潤滑系統(tǒng) 實驗研究表明，采用 MQL 技術(shù)高速銑削鋁合金時，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。 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 進行冷卻和潤滑。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， 更利于高速進入毛細管，實現(xiàn)更好的潤滑效果。有實驗對用水蒸氣作為綠色冷卻潤滑劑的作用機理作了研究， 證實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)形成了大量的毛細管，通過虹吸作用，使切削液滲透到切削區(qū)。一種比較普遍的觀點認為 :由于 切削區(qū)摩擦接觸界面上存在著強大的拉壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，在這些應(yīng)力的綜合作用下， 必然會產(chǎn)生微裂紋。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。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會提前出現(xiàn)，也即切削破裂點將遠 離刀尖，使得破裂點的高溫難于傳給刀尖。由于淬火反應(yīng)的強烈程度與溫差成正比，而提高生產(chǎn)速度會 使刀具溫度更高，所以提高生產(chǎn)速度將產(chǎn)生強的淬火效應(yīng)導(dǎo)致刀具壽命降低。MQL 系統(tǒng)簡單、占地小，易于安裝 在各種類型 的機床上。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 。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，代替大量切削液對切削點實施冷卻潤滑。 面對降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)條件和可持續(xù)發(fā)展對環(huán)境保護的要求，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、可進行良險循環(huán)的“綠色 制造”技術(shù)必將會成為 21 世紀制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。 在世界對環(huán)保的重視和可持續(xù)發(fā)展意識提高的同時，切削加工中大量使用切削液 的加工方法受到了種種限制。④加工質(zhì)量問題 :對刀具表面有熱沖擊效應(yīng)，造成微裂紋 。②帶來環(huán)境污染 :切削液中含有礦 物油及硫、磷、氯等對環(huán)境有害的添加劑，如排放前未經(jīng)處理或處理不當(dāng)，則會對環(huán)境造 成污染。 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)濟的發(fā)展，切削液造成的負面影響己不容忽視 :①增加了總制造成本。 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)系到我國長遠利益和可持續(xù)發(fā)展。80% 能耗高 有煙氣粉塵廢渣排放 3055% 比熱時效節(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 比熱時效提高 30% 以上 生產(chǎn)費用 時效周期 150^300 元 /噸 2060 小時 抗變形能力 較差 4 一 10 元 /噸 1 小時以內(nèi) 比熱時效提高 30 50% 時效變形 時效氧化 大型工件 較大 有 無法進爐處理 可忽略不計 無 可方便就地處理 此外，振動時效操作簡單，易于實現(xiàn)自動化。 總之，振動時效工藝技術(shù)和其他時效尤其熱時效工藝比較，在節(jié)能、環(huán)保、生產(chǎn) 率等方面有著突出的優(yōu)點。 自然時效需經(jīng) 6 個月至一年時間，熱時效也需要十幾至幾十個小時一個周期，而 振動時效只需十幾分鐘至一個小時即可完成。另外，爐內(nèi)溫度很難 均勻，消除應(yīng)力效果差，而采用振動時效則完全可以避免這些問題。這也是振 動時效技術(shù)被國家環(huán)保局近幾年一直推廣的原因。同時根據(jù)工藝要求克 安排在工件不同的加工工序間進行處理。因為振動時效不僅克服了熱時效爐溫不 均而造成消除應(yīng)力不均勻之難題，而且避免了工件因加熱而降低其抗變形能力的影響， 所以一般經(jīng)過振動時效處理的工件較一般熱時效處理的工件的尺寸穩(wěn)定性可提高 30% 以上。特別是九一年 JB/T592691《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》 標(biāo)準的誕生，使得這項技術(shù)得以較快的推廣和發(fā)展，到目前為止，我國己有幾千臺的 振動時效設(shè)備投入使用，涉及領(lǐng)域包括機床、冶金、礦山、航空、航天、軍工、輕工、 電力、紡織、風(fēng)機，建筑、造紙等機械制造行業(yè)。為進一步推動振動時效工藝研 究和設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 國內(nèi)的發(fā)展及現(xiàn)狀 國內(nèi)開展這項工作比較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩的工程技術(shù)專家 74 年 出國考察時，把這項技術(shù)帶回國內(nèi)，并開始在機械部、航空部研究移植，并于“六五” 期間在機械部提出的攻關(guān)課題之一一提高機床鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的大課題里面確定了“振 動時效可行性研究”這一子課題，并指定由北京機床研究所和四大機床廠來完成這一 課題，我們在七九年自行研制成功交流串激式振動時效簡易設(shè)備的基礎(chǔ)上不斷地試驗 研究，經(jīng)過幾年的努力與其他兄弟院所工廠一起取 得了一定的成果，證明振動時效工 藝的可行性，機床所大連理工大學(xué)、撫順石油機械學(xué)院等對機理也進行了較深入的研 究。但由于當(dāng)時難以制造出高頻率、 輕巧的振動時效設(shè)備，且對其機理也尚待研究，所以二十世紀五十年代以前，這項技 術(shù)的發(fā)展十分的緩慢，到了五十年代后期，由于電動機制造水平的不斷提高，輕巧的 振動時效設(shè)備陸續(xù)在美國，德國，英國，法國，蘇聯(lián)等國家出現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用到 機械制造業(yè)中，大量的實際應(yīng)用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性。 振動時效源自于敲擊時效，我們知道在焊接過程中有經(jīng)驗的焊接師傅在施焊一段 時間后立即用小錘對焊縫及周邊進行敲擊以防止產(chǎn)生裂紋，究其原因即是隨時將焊接 應(yīng)力消除一些，以免最終產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。 振動時效技術(shù)，國外稱之為“ Vibrating Stress Relief(簡稱“ VSR),旨在通過專 第 2 章綠色制造在工藝中的應(yīng)用 用的振動時效設(shè)備，使被處理的工件產(chǎn)生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能 量傳遞到工件 的所有部位，使工件內(nèi)部發(fā)生微觀的塑性變形一被歪曲的晶格逐漸恢復(fù) 平衡狀態(tài) [11]。降低工件的疲勞壽命等。易發(fā)生變形而影響工件的尺寸精度 。 基于綠色制造的振動時效工藝技術(shù)分析 振動時效的由來及國外應(yīng)用情況 我們知道在工件的鑄造、焊接、鍛造、機械加工、熱處理、校直等制造過程中在 工件內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的存在必然會導(dǎo)致一些不良的后果。建立了面向綠色制造工藝種類選擇的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用模糊加權(quán)系統(tǒng)方法對該模型進行求解。 5 結(jié)論 綠色制造工藝規(guī)劃是實施綠色制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而綠色工藝種類的選擇是綠色制造工藝規(guī)劃過程的首要內(nèi)容。 表 1 毛坯造型方法的模糊評價矩陣 The fuzzy evaluation matrix of the semifinished modelling method 表 2 毛坯造型方法的標(biāo)準化評價矩陣 The standardized evaluation matrix ofthe semifinished modelling method 對評價指標(biāo)進行定量化處理和無量綱標(biāo)準化處理，由式 (4)可以得到毛坯的各待選造型方法在各評價指標(biāo)下偏好值的標(biāo)準化評價矩陣如表 2 所示。待選造型方法有整模造型 (x1)，分模造型 ( x2)，挖砂造型 (x3)，活塊造型 (x4)，刮板造型 (x5)。 4 應(yīng)用實例分析 為了說明上述工藝種類選擇方法的具體過程，現(xiàn)以圖 1 所示零件的毛坯成形最優(yōu)綠色工藝種類選擇為例進行簡要闡述。但是，這些參數(shù)的范圍及屬于該范圍的程度是可以得知的，因而用模糊數(shù)來表示這些參數(shù)就更加符合生產(chǎn)實際。 工藝種類選擇模型的求解 由于產(chǎn)品在其構(gòu)思、設(shè)計、生產(chǎn)、使用到報廢處理的整個壽命周期中充滿了不確定性，產(chǎn)品的時間 T、質(zhì)量 Q；成本 C、資源消耗 R，環(huán)境影響 E 等參數(shù)難以定量表示。 3 面向綠色制造的工藝種類選擇模型及其求解 工藝種類選擇模型 從以上分析可知，面向綠色制造的工藝種類選擇需要綜合考慮時間 T、質(zhì)量 Q、成本 C、資源消耗 R 和環(huán)境影響 E 等 5個決策目標(biāo)，而這 5 個決策目標(biāo)之間又往往是相互沖突的，需要相互協(xié)調(diào)，因而是一個多目標(biāo)決策問題。因此，在選擇具體的工藝種類時，應(yīng)綜合考慮綠色工藝種類選擇的 TQCRE 5 個決策目標(biāo)，協(xié)調(diào)沖突，力求加工過程的整體優(yōu)化。此外，還要優(yōu)先選擇有利于實現(xiàn)工藝種類選擇總體目標(biāo)的新工藝和新方法。 (2)最優(yōu)性原則 所選擇的工藝種類在零件加工制造中應(yīng)是可行的。 因此，面向綠色制造的工藝種類的選擇應(yīng)包括 5 個決策目標(biāo)：時間 T(Time)、質(zhì)量Q(QuMit)r)、成本 C(Cost)、資源消耗 R(Resource)和環(huán)境影響 E(Environment)，所追求的總體目標(biāo)應(yīng)是縮 短時間，提高質(zhì)量，降低成本，極小的資源消耗，對環(huán)境的影響最小，即優(yōu)質(zhì)、高效、清潔、低耗、成本低廉。其中，資源消耗 R 通常指能源動力消耗、原材料的消耗和設(shè)備資源的消耗等。而在綠色制造中，工藝種類的選擇不但要兼顧以上 3 個決策目標(biāo)，而且還要充分考慮制造過程中資源消耗尺 (Resource)和環(huán)境影響 E(Environment)這兩 個因素。廣義的質(zhì)量 Q 包括產(chǎn)品質(zhì)量、過程質(zhì)量、工作質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量．通常所說的質(zhì)量主要是指產(chǎn)品質(zhì)量，又包括產(chǎn)品性能、使用壽命、可靠性、安全性和經(jīng)濟性等。綠色產(chǎn)品的興起和發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢，是人類認識并從本質(zhì)上解決環(huán)境、資源和可持續(xù)發(fā)展闖題的臣大進步，它將對人類未來的生存和發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。工件裝卸時照