绿色制造中切削工艺探讨

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  【摘 要】 本文主要从绿色制造工艺是绿色制造的核心问题、绿色制造技术体系的组成及应用、面向绿色制造的切削液选择的决策目标体系、绿色制造中切削液系统的选择等方面对绿色制造中切削工艺进行了全面的探讨。
  【关键词】 绿色制造;切削工艺;探讨
  一、前言
  可持续发展是我国的基本国策,科学的应用资源和能源是非常有现实意义的,这也符合我国乃至国际环境保护的要求。在可持续发展的过程中加强绿色制造切削工艺的研究是非常有必要的,也越来越受到企业及生产部门的重视。
  二、绿色制造工艺是绿色制造的核心问题
  绿色制造工艺是绿色制造的核心问题,其最终目的是合理利用资源和能源以减少对环境的污染。根据这个目标,我们可以把绿色制造工艺分为三种类型:节约资源型工艺技术、降低能耗型工艺技术、环境保护型工艺技术。以下笔者对此进行具体分析:
  2.1节约资源型工艺技术
  (一)加强新技术的创新。新技术和新工艺的不断发展使铸造、冷挤压成形技术及其在机械制造、工程塑料的应用越来越成熟。一些地方不需要机械加工就可直接使用,不仅可以节约能源,也减少了传统毛坯的制造材料的消耗,而且大大降低了产品的生产周期和生产成本,因此在机械工业中得到越来越广泛的应用。该技术是最适合加工异型孔零件、齿轮类零件、齿轮花键端爪、台阶轴类零件和类似的部分,特别适用于有色金属零件。与传统的锻造相比加工周期减少,减少材料消耗量约为30%~70%,成本降低约20%~70%。
  (二)减少加工余量。如果零件的毛坯粗加工余量大,原材料不仅消耗多,而且生产效率低。因此,有条件的地区可以组织提高专业毛坯的制造精度,改善粗糙;另一方面,采用先进的制造技术,如高速切削,随着切削速度的增加,切削力减小,处理时间缩短、工件的变形程度小,更可以保证加工质量。在航空业,尤其是薄壁铝加工,经过加速处理现在可以把厚度控制为0.1mm的光滑表面。
  2.2降低能耗型工艺技术
  2.2.1常见的节能技术
  在生产过程中的机械制造企業需要大量的钢铁、电力、煤炭和有色金属资源,随着地球矿产资源的减少,国际市场石油价格的不断波动,近年来,节能降耗工艺技术变得尤为重要,我们可以把技术绿色化技术转变成节能技术。加强技术创新,提高能源效率,推广节能技术及设备,改变加工过程中的能源消耗,先进的节能新技术的使用尽早提上日程并且加大节能管理力度,加强能源管理的科学性,减少设备负荷,及时消除滴、漏等浪费现象,避免设备的浪费性消耗,加大新能源的合理使用。利用可再生、无污染的新能源是能源发展的重要方向。如太阳能聚焦,可以使用辐射处理,通过太阳能获得高能量的光源,天然气、地热能源和其他清洁的新能源也有待进一步发展。
  2.2.2润滑方式及润滑剂的改进
  干切削具有其显著优点但应用范围有限,准干切削技术还需使用少量切削液,在很长一段时期内,大多数切削加工还离不开切削液,无法实现完全的绿色切削。因此,研发和推广绿色切削液仍然具有重要意义。绿色切削液是指对人和环境友好的切削液,残留废油和添加剂在自然界可完全降解。近期应着力开发低毒、低污染的绿色切削液,远期则应追求无毒、无污染的绿色切削液。目前采用的绿色切削液技术有:用可降解性好的植物油和酯类油代替矿物油。植物油是可再生资源,在自然界可完全降解,对人和环境无害;酯类油生物降解率可达90~100%。用低毒、低污染乃至无毒、无污染的可生物降解的绿色添加剂代替有害添加剂。开发水基切削液代替油基切削液。
  工艺润滑的改进。一个典型的主轴内混式MQL润滑系统,结构是由改性的机床主轴和供油系统,蒸汽供应系统。在空心轴套油内管、外管通风,通过混合装置是在主轴的前端设置使燃料空气混合物的切割工具,输入喷雾润滑剂。旋转部分喷雾润滑剂后很短,不受离心力作用,由高效率的工具鼻子喷雾润滑剂,喷到切割位置准确。定量泵,CNC(计算机数控),你可以任意设置油量。MQL润滑油系统很少,不超过50毫升/小时的压缩空气运送石油总供给,而且消除切削冷却效果。MQL润滑油在使用中发现,有有限的冷却效果的问题。为了解决这个问题,石油的进一步发展水复合雾MQL加工方法。润滑油和水分别,雾化,喷雾同时为切入点。混合油、水比的自由度很大,可根据加工情况调整。根据形状和配置的喷嘴,同轴供电方式可制成水包油,也可制成混合供电方式。
  三、绿色制造技术体系的组成
  (一)快速成型技术
  快速成型技术的基础是当前计算机技术、精密控制技术、数字加工技术、激光技术的快速发展,通过对原材料迅速加工和处理,形成具有设计功能和形状的产品,由于具有精密和快速的特点,快速成型技术对于能源有节约的效果,减少了产品加工中原材料的浪费,尽量节省了加工残、次品和废弃物,提高了制造和生产的效率和经济性。
  (二)干式切削技术
  干式切削技术可以在不用或少用切削液的情况下完成机械和零件的加工过程,这既有利于对切削条件的控制,也有利于切削操作的成本降低,还可以提升切削操作的效率,实现绿色制造技术的价值和意义。
  (三)工艺模拟技术
  在产品和零部件的热加工过程中可以利用工艺模拟技术以专家系统、物理量计算和数值模拟等方法,通过综合和平衡的计算确定最佳的参数,以优化的工艺和最佳的方案提升制造和生产的效率,提高加工工件的质量,在控制污染的基础上,形成对能源的节约。工艺模拟技术可以有效预计可能出现的问题和缺陷,并提供相应的预防措施和方法,这有利于形成绿色制造技术的优势,是绿色制造技术生命力和竞争力的所在。
  四、面向绿色制造的切削液选择的决策目标体系
  面向绿色制造的切削液综合选择实际上是复杂的决策问题,定性与定量相结合等。决策模型的建立,首先需要确定决策变量,即决策目标。传统的切削液的选择,人们追求的目标变量主要有Q和C质量成本。质量主要是指它的润滑、冷却和清洗性能和寿命周期和利用。成本包括经济成本(材料成本、设施和设备的成本、劳动力成本、能源成本等),使用者成本(维护成本、其他杂项费用等)。在国外,一些发达国家在切削液的选择,要同时满足加工工艺的要求,注重个人的健康危害的选择,废水处理和综合成本,这种观点已经被国内加工行业公认的。切削液的绿色制造决策目标系统的环境影响是必须考虑的一个重要因素,决策变量为切削液的绿色制造质量,成本Q、C、E三者是在追求质量的三个变量的变化,即越高越好,成本希望越低越好,希望更好的环境影响较小。一个QEC三者之间在决策曾层有着密切的关系,它们构成了面向绿色制造的切削液的决策目标体系。切削液对环境的影响主要包括:   4.1对生态环境影响:主要是指对制造过程的影响可能造成对生态环境的影响,如废气,生产过程中废水,对环境的废物。切削液造成的环境污染主要是产生的废物加工的切削液(废油)水资源污染。因此,如果没有经过有效处理的切削液直接排放到河流、胡泊或者海洋中,会使水污染越来越严重。也会影响切削液寿命的问题。用切削切削过程的流体,或多或少会一直保持在一个芯片,芯片与切削液的积累会污染土壤,有毒和有害成分也会污染环境芯片的再生型切削液。切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油,而且含有烧碱、油酸皂、乙醇和苯酚等有害物质。如果这些切削液未经处理直接排入外界,就会污染土地、水源和空气,严重影响动植物的生长,破坏生态环境,不利于可持续发展战略的实施。
  4.2对职业健康安全与健康管理的影响:职业卫生工作者工作的过程中可能造成的身体的损伤。一是切削液容易产生对人体有危害的化学物质,如作为杀菌剂使用苯酚毒性;二是对皮肤的伤害,因为除油效果,矿物油、表面活性剂或防腐剂的刺激,会使皮肤表面的脱脂、干燥、开裂、甚至引起发红、脓现象。三是切削液对呼吸系统的危害,碱性物质主要矿物油和水基切削液油基切削液对呼吸器官的有害。
  4.3对不安全因素的影响:由于各种原因的过程中不安全。因为切削液含有许多添加剂,在使用过程中,会使设备产生腐蚀、生锈、火灾等不安全隐患。切削液的绿色制造决策的决策目标向量分解绿色切削液的生产目标系统的决策问题的目标系统的分解,如下图所示:
  图1 面向绿色制造的切削液决策目标体系分解
  五、绿色制造中切削液系统的选择
  5.1新的环保型水基切削液的选择。
  广泛应用于机械制造水基切削液具有导热系数高、冷却快、润滑程度好和防锈性能好等优点,但目前的水基切削液在市场上时常含有对人体有致癌作用的亚硝酸钠,作为防锈剂和防腐剂的铬酸盐的物质,不仅废液的处理有困难,对环境和人类的危害也很大。因此,我们应该选择新的环保型水基切削液,如:鲁东大学的拉式多效水基切削液和MCL型水基合成切削液,是油酸酰胺非离子表面活性剂的水溶性配方,其分子中含有多羟基,酰胺基团和长碳链的羟基,防锈、耐腐蚀性和可靠性能都很好,其不含矿物油,铬酸盐,亚硝酸盐等有害物质,与皮肤有良好的相容性,废液容易降解微生物在自然环境中,环境指标也合格。国家重点实验室重庆大学机械传动与松香胺为主要原料,无毒,合成润滑油和非离子表面活性剂H优良的防锈性能,作为一种新的环保型水基切削液的腐蚀剂和离子型表面活性剂,工业应用结果表明,其优越的性能,是一种理想的产品完全取代乳液。因此用新型环保切削液大大降低液体循环变化,减少废弃物的排放,对环境污染很小甚至无污染,具有环保意义和重要的应用价值。
  5.2氮气冷却选择。
  氮是大气中含量最多的元素,氮气作为工业副产品的来源很广。使用液氮作为切削液,直接喷射到切削区之后蒸发成气体到大气中直接排放,无任何污染,对人体无害,对环境的健康和保护有益,是一种良好的切削液的替代品。利用氮的另一种方法是间接使用,而不是液态氮是直接喷射到切削区,在多晶CBN刀具盒上美国林肯大学储存液态氮,使进口投入,从出口流出,冷却工具,达到了预期的效果。
  5.3切削液供液方法
  传统的切削液供液方法有铸造法、压力喷雾法、喷雾冷却法等。切削液供应量较少,未能充分发挥其效能,量大则会引起切削液飞溅,没有提升的效果,而且容易造成切削液的浪费。因此,切削液的供液量应满足加工要求,如切削液的消耗最小、与切削液有关的成本和对环境的影响等问题的考虑、设备减少到最低使用限度等。气雾冷却方式是通过主轴和渠道的工具直接冷却气溶胶送到切割区,冷却和润滑。此外,根据加工要求,也可以采用这两种冷却和润滑方式,以获得最佳的冷却润滑。因此,最小润滑技术可使刀具,工件和切削面积的保持干燥外,并可避免处理大量废切削液的问题,是绿色制造的重要的润滑技术。
  5.4干切削的规则
  在特定的一些规律性的干式切削加工过程,在相同的工艺条件下,当不使用切削液,切削力大,切削溫度高,加工表面的质量的稳定性也会产生变化。下面是一个选择YWI+钛涂层刀具在干式和湿式切削条件下,工件材料40Cr,与表面粗糙度测量仪测定不同切削速度与粗糙度的曲线关系。
  图2 YWI+TIC涂层刀片切削速度与粗糙度的关系曲线
  1-干式切削2-湿式切削
  两种切削条件,数值表面粗糙度与切削速度的增加而增加,但在同一时间,切削速度相同时,湿式切削表面粗糙度值低于干式切削,特别是在低切削速度更加明显,高速切削时的表面粗糙度值降低,即切削液的效果是不是很明显的使用。这种现象主要是由以下原因造成的:金属切削过程中转化为热,功率消耗,和热在第一变形区和第二变形区产生的。工件材料在第一变形区受剪切滑移以及在第二变形区切屑与前刀面产生的挤压和摩擦,使刀具前刀面的切削温度很高;浇注切削液的润滑作用在于减小前刀面与切屑的摩擦,降低两者摩擦系数。
  六、结束语
  切削技术分为多种,如何正确的进行绿色制造是这个时代的主题,也是我国以人为本基本国策的体现,本文从各个方面对绿色制造中切削工艺进行了初步的探讨,希望对以后研究该课题的同志有所帮助。
  参考文献:
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