淺談綠色機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來前景

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720114

摘要：本文首先從綠色機(jī)械加工技術(shù)的含義、特點兩個方面，介紹綠色機(jī)械加工技術(shù)的相關(guān)概念，并指出該技術(shù)所具備的優(yōu)勢；之后結(jié)合實際使用到的具體的技術(shù)，介紹綠色機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀；最后分析綠色機(jī)械加工技術(shù)的未來前景，即今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：綠色機(jī)械；加工技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；未來前景

綠色機(jī)械加工技術(shù)改善了傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)中存在的諸多弊端，重視資源、能源和環(huán)境，將環(huán)保作為重點，在提高資源利用效率、減小環(huán)境污染的同時，還能夠減少機(jī)械加工對人體造成的危害。

一、概述綠色機(jī)械加工技術(shù)

（一）綠色機(jī)械加工技術(shù)的含義

綠色機(jī)械加工技術(shù)以傳統(tǒng)工藝技術(shù)為前提，通過科學(xué)利用材料、借助多種制造加工技術(shù)，推動實現(xiàn)機(jī)械加工各個環(huán)節(jié)環(huán)保效益的最大化。

（二）綠色機(jī)械加工技術(shù)的特點

1.節(jié)約資源和能源

在傳統(tǒng)機(jī)械加工過程中，為了保證工作效率，會大量使用潤滑液，雖然實現(xiàn)了機(jī)械零部件的潤滑和較高效的運行，但也造成了工業(yè)材料、化工原料、人力資源等的浪費。

而在綠色機(jī)械加工過程中，切削液是所有消耗中所占比例最大的一部分，但是其刀具費用只占4%，零部件加工總成本只占16%，與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，節(jié)省了相當(dāng)大一部分的能源和資源。

除此之外，綠色機(jī)械加工技術(shù)不再使用傳統(tǒng)的廢液處理裝置和冷卻裝置，這一舉措就可以實現(xiàn)20%以上的節(jié)能，進(jìn)一步減少了能源的浪費，也降低了加工成本。

2.減小污染，保護(hù)環(huán)境

仍以切削液為例。切削液是由化學(xué)原料和材料構(gòu)成的，如果得不到及時的處理，會隨著水渠排入河水中，污染水質(zhì)，破壞生態(tài)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)對切削液的有效處理，很容易導(dǎo)致切削液流出，造成環(huán)境污染。

而綠色機(jī)械加工技術(shù)不僅能夠減少切削液制作過程中使用到的化學(xué)原料，還可以利用水、可自然降解油劑和冷風(fēng)，完全回收利用切削液，從而實現(xiàn)切削液廢液零排放的目的，大大減小了對環(huán)境的污染和破壞。

二、綠色機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）干式切削技術(shù)

1.發(fā)展、含義及優(yōu)劣

干式切削技術(shù)最早是由法國的一位博士提出的，該技術(shù)的研究工作開始于20世紀(jì)90年代。指的是為了降低成本、保護(hù)環(huán)境，有意識地在不使用切削液和冷液的條件下，進(jìn)行切削加工。

在停止使用切削液的同時，對刀具的質(zhì)量、耐用度、切削度都有著非常高的要求，這就意味著要改善切削刀具的材料、熱變形能力、耐熱耐磨性能、與切屑之間的摩擦系數(shù)等；通過利用性能優(yōu)良的刀具、機(jī)床和輔助設(shè)施代替切削液，實現(xiàn)真正意義上的干式切削。

但是干式切削屬于一種較理想狀態(tài)下的切削，在具體應(yīng)用時，還要借助刀具冷卻劑和潤滑劑，最終效果不夠理想，這就加大了干式切削技術(shù)的推廣難度。

2.現(xiàn)階段對干式切削刀具的應(yīng)用

（1）新型的刀具材料。高硬度材料為干式切削技術(shù)的發(fā)展提供了可能性。干式切削技術(shù)中要求刀具材料要具有極高的熱韌性、紅硬性、耐磨性、耐沖擊性和抗粘結(jié)性，有很多新型的高硬度材料能夠符合這些要求，現(xiàn)階段被應(yīng)用于干式切削刀具材料的有陶瓷、超細(xì)硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）等。

陶瓷刀具具有較高的紅硬性，但不適用于斷續(xù)切削，因此主要被應(yīng)用于一般的干車削，而不用于干銑削；超細(xì)硬質(zhì)合金具有非常好的耐磨耐熱性，且能夠提高普通硬質(zhì)合金的韌性，因此可以被制成大前角的深孔鉆頭和刀片，主要被應(yīng)用于干銑削和干鉆削；聚晶金剛石硬度、熱導(dǎo)率高，線膨脹系數(shù)小，在切削過程中，由于熱能可以很快從刀尖傳到導(dǎo)體，使得刀具熱變形造成的誤差大大減小，主要被應(yīng)用于干式加工鋁、鋁合金、銅工件；立方氮化硼熱傳導(dǎo)率高，而且具有較高的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，因此主要被應(yīng)用于加工鑄鐵和淬火鋼，用車削代替磨削。

（2）對刀具進(jìn)行涂層處理。對刀具進(jìn)行涂層處理，相當(dāng)于為刀具提供與一層類似于冷卻液的保護(hù)層，將刀具和切削熱隔離，維持刀尖長時間的鋒利和堅硬，從而能夠大大提高刀具的性能。現(xiàn)階段的涂層刀具主要分為兩種：硬涂層和軟涂層。

硬涂層刀具有硬度高、耐磨性好的特點，現(xiàn)階段使用的有：TIN、碳化鈦（TIC）、AI2O3陶瓷基等涂層刀具，TIN涂層刀具能夠有效抗月牙洼磨損、TIC涂層刀具可以抗后刀面磨損。

軟涂層刀具和工件材料之間的摩擦系數(shù)很低，所以也被稱為“自潤滑刀具”能夠有效減少切削力、降低切削溫度，現(xiàn)階段使用的有：二硫化鉬（MoS2）涂層刀具，大大提高了加工效率。

3.現(xiàn)階段比較成功的兩種干式切削方法

（1）高速干式切削。該種切削方法省去了油屑分離的過程，沒有油屑分離裝置、冷卻潤滑油箱以及相關(guān)的電氣設(shè)備，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，加工效率和加工質(zhì)量高，同時還降低了加工成本。

在應(yīng)用時需要滿足兩個條件：一是要有非常高的切削速度，盡量縮短刀具和工件接觸的時間；二是要采用壓縮空氣等方法及時移去切屑，控制加工區(qū)域的溫度。

（2）低溫冷風(fēng)切削。使用冷風(fēng)，能夠避免因只使用極微量的植物油而造成的加工點高溫化，保持加工點的潤滑性。

低溫冷風(fēng)切削技術(shù)的性能是傳統(tǒng)的油劑切削的兩倍，配合植物油使用，其性能和加工效率能夠得到進(jìn)一步的提升。

4.我國的研究現(xiàn)狀

我國對干式切削技術(shù)的研究已經(jīng)起步，清華大學(xué)、山東工業(yè)大學(xué)和成都工具研究所等單位，對高硬度刀具材料、刀具涂層技術(shù)等做過系統(tǒng)的研究，并取得了較好的研究成果，我國也形成了一定的陶瓷刀具的生產(chǎn)能力，特別是北京機(jī)床研究所已經(jīng)開發(fā)成功了KT系列加工中心，實現(xiàn)了高速干切削技術(shù)的應(yīng)用。

但是與國外相比，我國在干切削理論研究水平和工業(yè)應(yīng)用水平都比較低，依然需要加快研究和推廣的進(jìn)程。

（二）最小量冷卻潤滑技術(shù)

在目前尚未有效實現(xiàn)干式切削技術(shù)的情況下，使用的較多的就是最小量冷卻潤滑技術(shù)（MQCFA）。這是一種類似于干式切削和切削液切削的加工技術(shù)，具有不用處理廢液、對刀具磨損較小、節(jié)約資源等特點，能夠提高切削質(zhì)量和加工質(zhì)量。

在使用該技術(shù)時，需要掌握兩種關(guān)鍵技術(shù)：一是要能夠保證將潤滑液準(zhǔn)確可靠地送入切削區(qū)，以實現(xiàn)加工點的充分潤滑；二是要能夠保準(zhǔn)潤滑液的用量。

現(xiàn)階段，主要通過兩種方法將潤滑液送入切削區(qū)：

（1）“外噴法”。從外部將油氣混合物噴入加工區(qū)，這種方法雖然簡單，但是要消耗大量的潤滑液，不僅會增加成本，處理不當(dāng)時，容易加大環(huán)境污染，而且這種方法還不適用于封閉式的機(jī)械加工；

（2）“內(nèi)噴法”。將油氣混合物從刀具中開出的通道噴入加工區(qū)，這種方法能夠不僅能夠?qū)崿F(xiàn)充分的潤滑，還能夠降低潤滑液的消耗，但是目前實際應(yīng)用的難度比較大，需要通過實驗確定噴射的切削液量和速度。

（三）綠色機(jī)械加工切削液

由于切削液具有較大的污染性，想要降低其造成的環(huán)境污染，就要改善其組成和應(yīng)用條件，即基礎(chǔ)潤滑油、切削液添加劑、抗煙霧劑和抗磨劑等，這也是綠色加工技術(shù)研究和關(guān)注的幾個主要方面。

可以將合成油、合成脂、礦物油和植物油等作為基礎(chǔ)潤滑油，其中植物油儲量大、價格低、沒有什么污染性，因此被作為綠色機(jī)械加工中切削液的主要原材料；使用的添加劑必須是無毒的；現(xiàn)階段使用的抗煙霧劑多為聚異丁烯；使用的抗磨劑多為豬血清。

三、綠色機(jī)械加工技術(shù)的未來前景

（一）集約化

綠色機(jī)械加工技術(shù)需要對形式各異的原材料、設(shè)備、零部件等進(jìn)行分析整合；需要在綜合考慮各個加工環(huán)節(jié)和整個社會的基礎(chǔ)上，對加工參數(shù)、冷卻介質(zhì)等進(jìn)行綜合的考慮和優(yōu)化處理，從而選出最合適和方案，實現(xiàn)縮短加工時間、提高加工效率、降低污染水平、減少能耗的目的，實現(xiàn)整體效益的提升。

其今后的發(fā)展前景，也一定是借助于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，在綜合考慮多種加工因素的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)綠色機(jī)械加工各個環(huán)節(jié)信息交互和共享，從而將各個環(huán)節(jié)融入到一個集成系統(tǒng)中。

（二）信息化和網(wǎng)絡(luò)化

制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合發(fā)展，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，綠色機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展也是如此。

未來，綠色機(jī)械加工技術(shù)會不斷加強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)化的程度，借助企業(yè)局域網(wǎng)將分散著的數(shù)控設(shè)備和加工中心連接起來，從而總體監(jiān)控整個加工過程；通過優(yōu)化工程設(shè)計系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)，提高集成企業(yè)決策效率和工作效率；借助計算機(jī)技術(shù)科學(xué)合理分析不同零部件、材料和設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，分析得出最優(yōu)化合理的加工方案，以進(jìn)一步提高環(huán)保效益和加工效率。

除此之外，綠色機(jī)械加工成本的計算和資金使用方案，切削液、切削刀具、加工設(shè)備等相關(guān)資料的統(tǒng)計和管理，都離不開數(shù)據(jù)庫、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信息化和網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)，綠色機(jī)械加工技術(shù)的信息化與網(wǎng)絡(luò)化的程度也會不斷加深。

四、結(jié)語

由于相關(guān)理論、技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)還不夠成熟，綠色機(jī)械加工技術(shù)沒有得到廣泛的發(fā)展，一些優(yōu)秀的加工技術(shù)尚未得到有效的實現(xiàn)，加工技術(shù)推廣起來也非常不容易。但隨著研究人員研發(fā)程度的加深，以及科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，綠色機(jī)械加工技術(shù)未來一定會朝著集約化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的程度不斷發(fā)展，其環(huán)保效益和加工效益也會不斷的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳蓉.綠色機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（4）：173174.

作者簡介：廖艷萍（1973），女，北京市人，教育學(xué)碩士，北京市勞動模范，主要研究方向：機(jī)械加工及實訓(xùn)教學(xué)，多次指導(dǎo)選手在各類技能競賽中獲獎。就職于北京汽車技師學(xué)院機(jī)電工程系，系主任、高級實習(xí)指導(dǎo)教師。