綠色機械加工技術的應用及發展趨勢分析討論

李超 崔文霞 譚愷陽 李曉輝 劉曉可

摘要：經過數十年的發展，機械制造業已成為中國國民經濟的支柱產業。但傳統的機械加工技術不僅浪費大量金屬原料，增加加工成本，而且會產生嚴重的環境污染，并危害工人的健康。因此，機械制造企業應積極應用綠色機械加工技術，以節約資源、能源，提高生產效率，實現無污染生產。本文將分析、討論綠色機械加工技術的應用及其發展趨勢。

關鍵詞：綠色機械加工技術;應用;發展趨勢;分析

機械制造業是工業化建設的火箭引擎。在過去四十年的時間里，國內機械制造業一直保持著高速增長，推動中國成為名副其實的世界工廠。另一方面，國內機械制造業采取是的傳統機械加工技術，在生產過程中會消耗、浪費大量原材料，并嚴重污染環境。——為促進機械制造業長期可持續發展，應積極應用綠色機械加工技術。

一、傳統機械加工技術的缺陷

長期以來，國內機械制造企業使用傳統機械加工技術對金屬材料進行鍛壓、切削、加工，但生產的機器零件卻以低端產品為主，精度低、附加值不高。在生產過程中，每年要產生大量廢物。每生產1噸機器零件的能源消耗量是發達國家的兩倍，每年消耗的鋼材超過1000萬噸，鋼材利用率只有60%，每年浪費的金屬材料價值至少超過1億元，而生產效率卻只有日本的十分之一，切削速度只有日本的三分之一，廢品率卻高達10%（這一數字是日本的兩倍[1]）。

在傳統機械加工中，必須使用切削液對刀具與加工件進行冷卻、潤滑，減少刀具與加工件相互之間的摩擦。大量使用切削液又會使機器零件的生產成本大幅上升（在有些零件加工過程中，每分鐘須使用80～100L切削液）。據分析，刀具消耗僅占機器零件制造成本的2%～4%，而切削液消耗則占機器零件制造成本的14%～17%，消耗的電能占機械制造企業總能耗的十分之一。

切削液中，含有大量有毒有害物質：乙二醇、四硼酸鈉、偏硅酸鈉、磷酸鈉、妥爾油酸鈉鹽、石油酸鈉鹽、合成脂肪酸、石油磺酸鈉、聚氧乙烯烷基酚醚、高速機械油、聚乙二醇、氯化石蠟、環烷酸鉛、三乙醇胺油酸皂、工業機械油、氯化石蠟、硫化油酸、石油磺酸鋇、油酸、三乙醇胺（國內許多品牌的切削液中甚至含有早已明令禁止的亞硝酸鹽）。切削液受熱揮發后會產生化學煙霧，污染環境。工人長期接觸切削液，輕則罹患皮膚病，重則致癌。

二、在機械制造業中推廣應用綠色機械加工技術

有鑒于傳統機械加工技術的種種缺陷，一九九六年，美國制造工程師學會提出“綠色制造”的概念。經過二十多年的發展，目前，國外綠色機械加工技術已經趨于成熟，并被廣泛應用于機械制造行業。

（一）高速干式切削技術

高速干式切削，指的是機械加工過程中，有意識地少用或不用切削液的加工技術。高速干式切削可大大提高切削速度，增加單位時間內的金屬材料進給量與切削深度，同時減少切削加工時間，降低至少30%的切削力，提高零件的加工精度[2]。

應用高速干式切削技術，須選用三剛度高的高速數控機床，機床工作臺四周應設置傾斜的隔板，或改變機床布局以便于排屑。還須通過注入油液、設置冷水降溫裝置等方式提高數控機床的熱穩定性。數控機床的刀具材料宜選用超細顆粒硬質合金或聚晶金剛石，刀具表面須設置TiN涂層或MoS2涂層;設計刀具外形時，須增加刀具的正前角與刃傾角。進行高速干式切削時，還須根據實際情況認真選擇切削參數。

目前，30%的德國制造企業已經采用干式切削技術進行大批量生產。實踐證明：干式切削可以每分鐘15米的切削速度在低碳結構鋼上加工1000個螺孔，以每分鐘20米的切削速度在HT300鑄件上加工4000個螺孔，而加工成本則下降44%，滾刀壽命提高六倍以上。

但高速干式切削技術在國內機械制造企業中應用規模較小，尚待推廣。

（二）液氮冷卻切削技術

液氮冷卻切削是將-196℃的液氮送入機床中的切削點，替代切削液的切削方法。

液氮冷卻切削通常采用兩種方式，一種方式是在一定壓力下將液氮罐中的液氮直接注入切削區;另一種方式是使液氮受熱蒸發，間接冷卻加工件與刀具。

液氮溫度極低，可使切削區局部迅速進入超低溫狀態，利用熱脹冷縮原理降低工件材料的塑性、韌性，完成快速斷屑，減少刀具磨損;同時保持準確的尺寸公差，提高陶瓷刀具的強度、韌性、硬度[3]。

液氮冷卻切削技術具有良好的經濟效益、技術效益、環保效益。

（三）干冰冷卻切削技術

干冰冷卻切削技術使用DIPS系統，將30微米的干冰顆粒噴射至機床切削區，使其瞬間氣化膨脹，起到絕熱效果，從而抑制切削過程中的異常發熱。據實測，采用該方法，切削區溫度不超過80℃，而切削速度可提高3～5倍，刀具壽命也可延長3～5倍，加工成本可降低5～10倍。而且清潔環保，無任何污染。該技術可適用于不銹鋼、鋼材、高鎳合金、鈦合金等多種金屬材料。

（四）激光加熱切削

激光具有高度的定向性，顏色極純，能量極大。以激光束為熱源，對工件進行局部加熱，使工件受照射部位的強度與硬度下降，再使用刀具進行切削，可節約25%的切削力，將刀具壽命延長1倍;并可對工件進行精細化加工。

（五）超聲振動切削技術

給刀具沿一定方向施加超聲頻（20KHz的頻率）振動，進行振動加工。超聲振動切削可在普通機床上進行精密加工，并且實現零誤差。可節約2/3～90%的切削刀，并提高刀具的耐用度與工件的耐磨性、耐腐蝕性。

（六）綠色環保切削液

目前，國外企業已推出拉克龍205合成切削液、MILACRON切削液等多種綠色環保切削液。這些綠色環保切削液不僅具有極好的潤滑性，而且不含硼、氯、酚等有毒有害物質，可明顯改善操作環境，保護工人健康[4]。

三、展望綠色機械加工技術的發展趨勢

（一）網絡化

今天，互聯網時代已經進入第三十個年頭，物聯網技術正在從構想走向現實。而綠色機械加工技術也必將與物聯網深度融合，機械制造企業將通過物聯網系統聯接數控機床，設計師、用戶，對工件進行精細化加工，從而將工件質量提高至一個新的等級。

（二）信息化、智能化

今天，虛擬現實技術、增強現實技術、人工智能、機器人技術已經異軍突起，而綠色機械加工技術也將與信息化技術、智能化技術相結合。在不久后的將來，機械制造企業將應用人工智能技術全面分析材料的性質，根據客戶要求制定最佳施工方案，并精細化確定加工參數，實行智能化切削。而操作人員也將通過增強現實技術，實時調控切削速度、切削量、進給量、背吃刀量。有條件的機械制造企業還會采用機器人進行全自動切削，將人工成本下降至零。

（三）納米化

不斷提高金屬切削的精度，一直是機械加工技術永恒的主題。目前，高精加工已從毫米級發展至微米級、亞微米級;但與金屬資源、能源儲量急劇下降的趨勢相比，切削精度仍顯更高。——一九九〇年代，納米技術橫空出世，該技術著重研究納米級別材料的性質與應用（1納米=10-6毫米=0.001微米）。經過二十多年發展，納米技術正在走向商業化[5]。相信在不久后的將來，納米技術便將全面應用于綠色機械加工技術，對工件實施納米級的切削，金屬材料在切削過程中浪費30%～40%的現象將永遠成為歷史。

結束語

雖然綠色機械加工技術至今仍然存在價格昂貴、工藝復雜等不足，但該技術的發展前景是廣闊的。在機械制造業中大力推廣、應用綠色機械加工技術，有利于保護環境、提高金屬材料的利用率，減少資源與能源的消耗，降低企業的生產成本，促進機械制造業長期可持續發展。

參考文獻：

[1]周兆祥，王健.淺談綠色機械加工技術應用現狀和未來前景[J] .科技經濟導刊， 2018， 26（06）：46 .

[2]廖艷萍.淺談綠色機械加工技術應用現狀和未來前景[J] .科技風， 2017（20）：133-134 .

[3]馬驄.綠色機械加工技術的應用及發展前景探究[J] .科技創新與應用， 2017（16）：162 .

[4]姚翠萍，張文杰.綠色機械加工技術的應用分析與發展探討[J] .技術與市場， 2017，24（01）：72 .

[5]郭鵬，李琳，李洪彬.淺析我國綠色機械加工技術的現狀及發展[J] .世界有色金屬， 2016（21）：86-87 .