绿色加工体系的构建与切削液的选择--毕业论文

摘要今天，在全球经济相比过去得到前所未有的发展，但环境的污染与破坏进而造成的严重后果也是过去好多倍的时候，我们应该很清楚的认识到机械制造加工业在给人类创造巨大财富的同时，还给我们人类社会带来大量的资源消耗和环境污染，对经济和社会的可持续发展构成十分严峻的威胁。因此，关注机械加工的绿色化，构建绿色加工体系就显得格外重要且必要了。本文就先从绿色加工的基本理论出发，研究并分析了绿色加工的相关理论知识，并在此时提出了绿色加工的模式，这在内涵上很好的丰富了接下来构建的绿色加工评价体系。绿色加工评价体系，给出了评价指标，确定了基本的评价方法，提出了粗糙综合评价法，此评价体系系统、客观、简便、可靠、易行。在此基础上，就可对怎样实施绿色加工进行研究与描述，根据实施绿色加工的实际情况，研究并给出了各种绿色加工的技术手段，进而能合理、科学的实施绿色加工。另外，本文基于推广绿色加工，使绿色机械加工趋于普遍化，社会化；文章以人为本，以社会为中心的构建出切削液的选择模型，并归纳提出了在绿色加工下切削液合理选取的方法。关键词绿色制造；绿色机械加工；绿色加工技术；选择模型；切削液GREENPROCESSINGSYSTEMWITHTHECHOICEOFCUTTINGFLUIDABSTRACTTODAY,THEGLOBALECONOMICOBTAINSTHEUNPRECEDENTEDDEVELOPMENTCOMPARESTOFORETIME,BUTTHESERIOUSRESULTSCAUSEDBYTHEENVIRONMENTPOLLUTIONANDTHEDESTRUCTIONISALSOMANYTIMEOFTIMEOFPAST,WESHOULDUNDERSTANDCLEARLYTOTHEMACHINEMANUFACTUREPROCESSINGINDUSTRYWHILEGAVETHEHUMANITYTOCREATETHEGREATWEALTH,SOMETIMES,ITBRINGSTHEMASSIVERESOURCESCONSUMPTIONANDTHEENVIRONMENTALPOLLUTION,POSEDTHETREMENDOUSSERIOUSTHREATTOTHEECONOMICALANDSOCIETYSSUSTAINABLEDEVELOPMENTTHEREFORE,WESHOULDPAYANATTENTIONTOTHEMACHINEFINISHINGSGREEN,THECONSTRUCTIONGREENPROCESSINGSYSTEMAPPEAREDISESPECIALLYIMPORTANTANDESSENTIALFIRSTLY,THISARTICLEBASEDONTHEGREENPROCESSINGSELEMENTARYTHEORY,STUDIESANDHASANALYZEDTHEGREENPROCESSINGCORRELATIONTHEORIESKNOWLEDGE,ANDPROPOSEDTHEGREENPROCESSINGSPATTERNATTHESAMETIME,ITHASENRICHEDTHEFOLLOWINGCONSTRUCTIONGREENJOBEVALUATIONSYSTEMINTHECONNOTATIONTHEGREENPROCESSINGEVALUATIONSYSTEM,HASGIVENTHEEVALUATINGINDICATOR,HADDETERMINEDTHEBASICASSESSMENTMETHOD,PROPOSEDTHEROUGHQUALITYSYNTHETICEVALUATIONLAW,THISAPPRAISALSYSTEMISSYSTEMIC,OBJECTIVE,SIMPLE,RELIABLEANDEASYLINEINTHISFOUNDATION,HOWCANIMPLEMENTTHEGREENPROCESSINGANDTHEPROCESSCONDUCTSTHERESEARCHANDTHEDESCRIPTION,ACCORDINGTOTHEIMPLEMENTATIONGREENPROCESSINGSACTUALSITUATION,STUDIEDANDHASGIVENEACHKINDOFGREENPROCESSINGTECHNOLOGICALMEANSTHATTHENCOULDREASONABLE,THESCIENCEIMPLEMENTATIONGREENPROCESSINGMOREOVER,THEARTICLEBASEDONTHEPROMOTEDGREENPROCESSING,CAUSESTHEGREENMACHINEMANUFACTURETOPROCESSTENDSTHEGENERALIZATION,THESOCIALIZATIONTHEARTICLEISHUMANIST,TAKETHESOCIETYASTHECENTRALCONSTRUCTIONCUTTINGCOMPOUNDSPREFERENCEPATTERN,ANDINDUCEDPROPOSEDUNDERTHEGREENPROCESSINGTHECUTTINGCOMPOUNDREASONABLESELECTIONMETHODKEYWORDSGREENMANUFACTURING；GREENMACHINING；GREENMACHININGTECHNOLOGY；SELECTMODEL；CUTTINGFLUID目录第一章绪论111课题的提出及背景112课题提出的目的及意义113课题的主要内容114当前国内外的研究现状1第二章绿色制造加工技术的理论分析321绿色制造技术的概念322绿色机械加工的概念及内容323绿色机械加工的模式3第三章绿色加工的评价体系731概述732指标层中绿色加工评价的因素733绿色加工体系的评价834绿色加工的评价手段935结论10第四章绿色加工的实施1141概述1142绿色加工的实施过程（运用各种技术手段）1143结论1651概述1752机械加工中常用的切削液及其添加剂1753基于绿色加工切削液的合理选取23第六章课题总结及展望3161本文结论3162本文展望31致谢32参考文献33第一章绪论11课题的提出及背景环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题，并且这三大问题在以后很长一段时期内将依旧存在，表现日趋突出。长期以来，人类沉醉于征服自然、改造自然的喜悦之中，尽情的享受着高科技带来的种种成果，忽略了与自然界的和谐相处。结果是全球经济得到了前所未有高速度的发展，但随之而来的是全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、空气污染、水源污染、土地沙化等等恶果。作为整个国民经济中的工业母机，机械制造工业首当其冲。可以说制造业是创造人类财富的支柱产业,但同时又是环境污染的主要源头。制造业在将制造资源转变为制造产品的过程中，以及产品使用和处理的过程中,同时产生废弃物,而废弃物是制造业对环境的主要污染源。据统计,造成环境污染的排放物有70以上来自制造业,它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。因此为了能满足当前社会的需要，又不过分影响下一代的需要，必须走可持续发展的道路。通过对制造加工业进行绿色分析，建立绿色加工评价体系，建立绿色机械加工的实施体系，基于绿色制造的切屑液系统研究与开发来对制造业进行相关绿色加工的引导，为我国绿色加工的相关技术增添一笔。12课题提出的目的及意义制造业的迅猛发展,满足了人类日益增长的需求,为大幅度提高人类的生活水平提供了物质基础。然而,现代制造业的发展主要是建构在大量消耗不可再生资源基础上,其生产和消费过程产生大量污染,严重地破坏了人类赖以生存的自然环境,也使得工业的发展失去后劲。这使得胡锦涛总书记2003年在中央人口资源环境座谈会指出要转变经济增长方式,将循环经济的发展理念贯穿到区域经济发展、城乡建设和产品生产中,使资源得到最有效的利用,最大限度地减少废弃物排放,逐步使生态步入良性循环。其中以金属切削加工为核心的冷加工占机械制造过程总工作量的60以上1,切削加工的过程必然要消耗大量自然资源,同时也将对环境产生不利的影响,因此,如何在发展机械制造的过程中,既为人类的生产生活提供各种优质的产品,又对地球有限资源的夺取和对环境的影响降到最低，保护环境、节约材料和能源,科学的建立绿色加工体系、实施绿色加工，成为了机械加工中必须考虑的因素。13课题的主要内容在认真分析了当前机械加工的现状后，结合我国的基本国情，促使企业的微观效益与国家的宏观效益互为协调，互为最优。进而通过对制造加工业进行绿色分析，建立绿色加工评价体系，建立绿色机械加工的实施体系，基于绿色制造的切削液系统研究与开发的提出及实施，使得企业与国家效益共赢。14当前国内外的研究现状国内外对于绿色加工已进行了较为详尽的研究。一方面是关于绿色加工问题的认识，绿色加工涉及的政府机关问题，绿色加工的概念理论体系及并行运行模式2等战略性研究和总体技术研究；另一方面，是有关绿色加工及体系的概念、定义和方法的研究以及技术的应用，主要是通用性的研究和通用指导框架、能量模型、材料流动模型、资源优化模型以及各种算法；更具体的技术应用，一般会对某一应用或产品生命周期的某一特殊阶段进行研究，如绿色材料、绿色设计、清洁生产、绿色包装、产品使用及其用后处理。141国际上的研究现状自绿色加工提出以来国内外各单位高度重视，并开展了大量的研究工作。在国际上，特别是美国在这方面的研究比较深入。主要研究范围包括环境意识机床系统3及其关键技术、废物流的评价、工艺规划方法以及低温加工、干切削等先进的绿色加工工艺技术等。部分研究结论已经被开发成软件原型系统。142国内的研究现状国家863和国家自然科学基金支持大量绿色加工方面的课题，有力的推动了该领域的研究工作。如我们对铸造、压力加工、焊接、切削加工、特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装等九个工艺大类中的若干典型工艺的资源环境特性进行了研究，并初步建立了绿色加工工艺数据库的原型系统3,4；还对面向绿色加工的工艺规划中部分关键技术，如工艺种类选择、工艺参数优化、单工件多机床的节能调度等进行了初步的研究。第二章绿色制造加工技术的理论分析21绿色制造技术的概念制造技术的作用在企业生产力的构成中，一般占60左右，它的作用之大，由此可见其的重要地位。绿色制造的概念模式也适时被提了出来，众多的科研机构对此进行了较为深入的研究和模拟应用。绿色制造2,9是一种现代制造模式，如图1所示,它综合考虑了制造业对环境的影响和对资源效率的利用,它的目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售、使用的整个过程中,对资源的利用率最高,对环境造成的有害影响最小。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的体现,也就是说,绿色制造是现代制造业的可持续发展模式。绿色制造的提出,是人们日益重视环境保护的必然选择,任何发展都不能以环境污染为代价。国际制造业的实践表明,通过改进整个制造工艺来减少废弃物,要比处理工厂已经排放的废弃物更为节省开支。因此,绿色制造具有节能、降耗、少环境污染或无环境污染的特征,是在传统制造的基础上发展而来的。图1绿色制造模式框架图22绿色机械加工的概念及内容综合上面所讲的有关绿色制造技术的概念，可科学的概括出绿色机械加工的内容。绿色机械加工是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术,它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。其主要内容是对绿色加工的分析、决策、规划、管理、运筹、和评价等，从各个角度对绿色机械加工进行研究。23绿色机械加工的模式绿色加工所涉及的问题包括三个方面一是制造加工问题；二是环境保护问题；三是资源的优化利用问题。绿色制造制造资源（原材料，能源等）资源转化和消耗过程产品产品使用过程产品报废后处理回收利用废料资源最少资源利用率最大环境污染最小首先有必要先来了解传统的的制造加工模式，传统的工业制造加工模式4往往只关注产品的生产,缺乏环境保护意识,很少考虑资源的有效利用,是一种“资源产品污染排放”的单向线性和非循环的经济过程。目前,机械制造加工业大多数采用传统生产模式,这是一个开环的生产系统。传统生产模式的典型特征5是从自然界获取资源,经提炼后成为各种工程材料。在此过程中大量废气、废水和残余杂质等污染性物质进入环境。在毛坯成型过程中,也同样存在大量污染、浪费问题。可见，我们有必要对传统的制造加工模式实施绿色化，使之成为绿色的制造加工模式4,6。绿色制造加工模式着眼产品加工与环境协调发展,强调有效利用资源和保护环境,表现为“资源产品再生资源”的持续循环增长方式,做到生产和消费“资源消耗减量化、污染排放最小化、废物再生资源化和无害化”,促进企业经济效益和社会效益共同提高,以最小发展成本获得最大经济效益、社会效益和生态效益。绿色制造加工模式是一种具有闭环性质的生产系统,以系统集成的观点考虑产品在加工过程的环境属性,改变了原来末端处理的环境保护办法,对环境保护从源头抓起,其生产模式如图2所示,它是一种清洁生产方式和废弃物循环利用的生产模式。下面就针对怎样实施绿色制造加工模式做具体介绍众所周知，机械产品大多是由一个个零件组成的。就具体的制造加工过程而言,零件的加工制造是大量消耗资源材料、能源、产生废弃物烟尘、废油、废液、切屑等的主要环节。从产品的生命周期7看,产品的寿命主要取决于零件的寿命,机械产品报废后的可回收和再生利用的主体是零件。因此,零件作为机械产品的细胞,基于绿色的观点,如何加工如何再生利用这是值得我们去研究的。231机械零件加工过程的绿色分析机械零件的加工过程是为了获得所要求的形状、尺寸、精度、特性强度、刚度、硬度、摩擦磨损等的零件而施加于原材料上的机械、物理、电化学等作用的过程。这一过程通常包括毛坯制造、表面成形加工、材料改性处理、检验等工艺环节。综合考虑零件制造加工过程的输入、输出和资源消耗以及对环境的影响,零件制造加工过程可由图23所示。辅助材料、能源、设备、工具等原材料毛坯制造表面成形加工材料改性处理检验合格零件废品、废料、废油、废液、烟尘、粉尘等再生利用环境污染图2零件制造加工过程机械零件加工过程的框图模型反映了由原材料到合格零件的转化过程和转化过程中物料流动、物能资源的消耗、废弃物的产生、对环境的影响等状况。基于绿色观点,可以看出1制造加工过程是一个物能资源的消耗过程,其中,加工出的合格零件是对物能资源的有效利用或者说有效消耗,对具体零件而言,有效利用量是一个常量。那么,加工过程需要的物能资源输入量种类、数量越少,资源利用率就越高,产生的废弃物也就越少,对环境的影响则越小。2加工过程对物能资源的需求量、资源利用率以及废弃物产生量与所采用的工艺技术密切相关。3加工过程的每个工艺环节都会消耗物能资源,产生废弃物,因此,系统优化工艺过程,缩短工艺流程能够提高资源利用率,减少废弃物。4废弃物的再生利用可大大减少零件加工过程对环境的污染。232绿色加工机械零件的特征公式机械零件绿色加工的目标是使物能资源的利用率（F）最高,对环境的负影响F最小。但是,达到这一目标必须以满足零件的加工质量Q、效率T、成本C要求为前提。因此,机械零件加工绿色特征公式可以用一个多目标多约束最优化模型来描述TEXFFV,MINCCTTQQIXGIGIGTS式中,XX1,X2,X3,XNT,XII1,2,3,N为影响资源利用率、环境状况以及零件加工质量、效率、成本的各种因素（X、X、QGTX为零件加工质量、效率、成本的函数或向量函数、为零件加工质量、CQITCI效率、成本的指标常数或常向量。233绿色加工机械零件的技术框架基于对机械零件加工过程的绿色分析和绿色加工机械零件的特征公式,绿色加工机械零件的技术包含如下方面减源消耗和使用清洁能源的技术减少有害废弃物和排放物的技术废弃物的再生利用技术。以上绿色技术在机械零件加工的各类工艺技术中的具体运用,从而形成机械零件的绿色加工技术，如图3所示。这个技术体系应该包含4个方面的技术群绿色成形工艺技术群、绿色材料改性技术群、零件再生加工技术群和绿色加工机械零件工艺过程技术群。零件绿色加工技术绿色成形工艺技术绿色铸造工艺技术绿色锻压工艺技术粉末冶金工艺技术绿色焊接工艺技术绿色切削工艺技术快速原型制造技术绿色材料改性技术绿色热处理技术绿色表面改性技术零件再生加工技术零件绿色加工工艺过程技术图3绿色加工机械零件的技术框架234绿色过程加工机械零件在完成了加工对象的绿色分析，归纳出机械零件的特征公式，构造了机械零件加工技术框架之后，方能科学的实施机械零件的绿色加工。（具体的怎样实施绿色加工的过程将在之后的第四章详细说到）第三章绿色加工的评价体系31概述为了从根本解决工业资源浪费及工业污染问题，许多发达国家正在研究开发绿色加工技术，理论阐述及具体应用而对绿色加工评价体系的研究还处于初期探索阶段。我国在绿色加工评价体系的研究方面则起步不长时间，尚有待于更为深入的了解。建立绿色加工的评价体系，有利于用科学的方法评价绿色加工的效果，有助于解决环境污染问题，节约原材料和能源，降低生产成本，提高企业的经济效益和社会效益。绿色加工过程的绿色性8,应从资源性、能源性、环境性和经济性等几方面加以考察和评价,从节能、降耗、减污的角度组织加工工作。绿色加工应满足以下几方面的要求在整个加工的过程中,符合特定的环境保护要求,对人体无害,对环境无影响或影响极小加工过程中对能源和原材料的消耗要尽量少。传统的机械加工主要追求的是经济效益这一目标,在现代加工工艺中,除了考虑机械加工的品质和成本因素外,同时也应与机械加工过程中的能量消耗、产生噪声的程度、刀具材料的损耗和切削润滑液的使用等因素一起考虑,即考虑机械加工的绿色环保性与资源的合理利用。32指标层中绿色加工评价的因素机械加工中的绿色评价是一项复杂的、科学性要求较高的工作,现代绿色加工绿色度评价体系方案框图如图4所示。切削加工的绿色度资源属性能源属性环境属性经济属性刀具磨损人力资源切削液，机械设备，切屑利用电能消耗刀具材料消耗，切屑的回收利用加工噪声切削液雾汽，切削废液排放切削无害化处理刀具材料消耗费，能源耗费设备耗损环保耗费人员工资图4绿色度评价体系方案评价体系的目标是考察机械加工过程是否达到期望的绿色程度8,10，考核绿色机械加工过程的资源性、能源性、环境性和经济性。321资源性地球资源很有限,机械加工应尽量减少材料消耗,合理使用材料是实现绿色机械加工的重要环节。机械加工中刀具的消耗量占据极大的比例,刀具失效形式主要表现在由于加工过程中的工件与刀具、切屑与刀具的摩擦而产生的磨损材料不能满足由于摩擦而产生的热导致的高温条件要求,而失去热加工性能。使用切削液具有降低切削处的切削温度,减小刀具的磨损,延长刀具寿命的作用,但同时也消耗地球资源,如矿物质等。切屑是切削加工过程中产生的废料,对切屑进行有效合理回收利用,使之既不占用有限土地资源,又不污染环境。322能源性机械加工过程中机床消耗的能量主要用于克服工件对刀具的切削阻力,通过采取相应措施,减少切削力,是减少动力资源消耗的重要途径通过研究表明,针对不同加工对象,调整刀具的几何参数正确安装刀具开发环保型高性能刀具材料使用切削液和采用高速切削等,都能减小切削力的大小,从而达到减低能耗的目的。最新研究结果表明,应用陶瓷刀具对减小切削力,实现干切削不使用切削液,既减少刀具材料及切削液的消耗,又减少对环境的污染,实现节能与环保。323环境性绿色机械加工就是要改善工艺过程,实现各个环节的环境友好性。切削加工中对环境影响较大的是机加工噪声与切削废液的排放。噪声的来源既有由于刀具与工件之间高速运动、摩擦而引起的噪声,又有由于机床内部机械零件相对运动产生的噪声和机床电动机运转而产生的噪声,为此,提高机床的精度和加强防震、抗振措施是解决机床噪声污染的一个途径研究调整切削刀具的几何参数,开发新型刀具材料可以减少刀具与工件间的摩擦,减少噪声对环境的污染。切削液本身为含有多种成分的化学物质,如乳化剂、极压添加剂等,加工中使用切削液除起冷却作用外,还具有清洗作用,所以切削废液中夹杂着大量的金属粉末,这些金属粉末来源于加工工件材料和切削刀具材料,而这些材料中往往可能含有一些对环境产生污染的物质如铅、铬、钒等。因此,老化切削液的处理与无害化排放是一个不可忽视的问题。在高温下切削液中的某些易挥发物质便汽化,可能产生有毒有害的物质污染周围环境。324经济性机械加工中以产品的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度作为衡量产品加工品质的指标,以刀具成本、单件生产综合成本为经济成本。在满足加工产品品质指标的前提下尽量降低经济成本,达到经济效益与社会效益共赢。33绿色加工体系的评价绿色加工是以环境资源保护为核心概念的机械制造过程,其评价的目标在于切削加工对环境、能源、资源的友好性,评价时应考虑加工制造过程对于环境资源、能源的索取和输出的量,加工过程的绿色属性指标需运用数学分析法,利用数学工具进行分析、推导和计算,得到定量参数进行评价。由于该绿色加工评价体系包含有许多因素,经研究，可以采用粗糙评价法11对其做出有效的综合评价。34绿色加工的评价手段绿色加工评价体系的核心部分是评价手段，评价方法对评价结果的真实性起决定作用，在此，通过归纳总结提出粗糙综合评价法（粗拉综合评价法），它是利用粗糙集理论来确定评价指标体系中各因素的权重。而且还可剔除冗余的因素。341粗糙综合评价法中的相关概念粗糙集理论是波兰数学家ZPAWLK教授于1982年提出的一种数据分析理论11，它的特点是不需要提供求解问题时所需处理的数据集合之外的任何先验知识，仅对实测数据本身进行分类处理即可发掘隐含知识，揭示潜在的数据内部规律；可处理不完备的数据信息；能在保留关键数据信息的前提下对数据进行化简并求出知识的最小表达10、11；能评估数据间的依赖关系，从经验数据中获取易于验证的分类规则。具体解释如下假设知识库SJ,G）对于每个子集和一个等价关系GINDS,可以根据JXG的基本集合描述划分集合X。为了衡量YI，YIG精确说明X中对象的隶属度情况，作如下定义定义1XJYJ/GYX和XJYJ/GYX分别称它们为X的G下近似和G的上近似。定义2令SJ,G为知识库，且,当KQCARDQ/CARDRQP,PRPOSJ时,称知识库是S度可导的。Q可以看作是Q和P间依赖性的度量。PR定义3一个知识表达系统S可以表达为S这里J是对象的集合,CDA是属性集合,并且子集C和D分别称为条件属性和结果属性,V是属性值的集合,VA表示了属性AA的范围,F是AUAVAUX一个信息函数,它指定J中每一个对象X的属性值。知识表达系统的这个定义可以用表格表达来实现，列表示属性，行表示对象，这样的数据表称作知识表达系统。为了找出某些属性或属性集的重要性，需要从表中去掉另外一些属性，再来考察没有该属性后分类会怎样变化。若去掉该属性会相应的改变分类，则说明该属性的强度大，即重要性高。属性集C导出的分类的属性子集BB的重要性用两者依赖程度的差度量。342具体运用评价方法的评价过程3421建立评价的指标体系建立评价指标体系，L代表一级指标，B代表二级指标。3422利用粗糙集理论来确定权重利用上述的粗糙集理论中属性重要性的概念来确定权重。步骤如下（1）从最低一层指标开始，建立其对上一层指标的知识表达系统，下一层指标即构成条件属性集合C，而上一层指标即为决策属性D。可设CA1,A2,A3,AI,AN（2）对知识表达系统进行数值化处理，并删除重复行。（3）求出各个条件属性的，计算各条件属性的重要性DPOSAICRPAICI（4）进行归一化处理,即先使PA,后求出即是下一层指标AI关NIP1AIIPW/0于其上一层指标的权重。3423计算综合权重利用以上方法分别求出各指标对上一级指标的权重后。即可从上一级开始，自上而下的求出各级指标关于评价目标的综合权重。由下面公式计算得出IWMJABI1其中AJ是一级指标相对于评价目标的权重,是二级指标相对于一级指标的权重IJB。3424各指标隶属度的确定分析各指标的实际特点，确定出各个指标的隶属函数，然后把待评对象各个指标的参数值XI及其对应的标准值分别代入其隶属函数,计算出隶属度。XIA3425综合评价利用线性加权法对各指标进行综合评价计算T，然后将待评对象NIIAW1和参照对象的计算结果T1、T2进行比较,即可确定待评对象的的绿色度（即指对环境的友好程度），绿色度高或者好表示对环境的负面影响小，资源利用率高，反之亦然。35结论绿色加工评价体系的构建,为广大加工领域生产企业提供了一种绿色加工的选择方案,把现代制造加工的环保、资源理念渗透于产品的制造加工中的各个环节,改变工业生产由单纯地追求经济效益而逐步转化为追求经济效益、社会效益和环境效益协调发展的健康模式,其综合效益也是构筑和谐社会的基础。因此该评价体系不仅对于绿色加工工作具有实际指导意义,而且对于推动社会实现可持续发展具有重要意义。第四章绿色加工的实施41概述机械加工的绿色化是制造业可持续发展的重要方向。绿色加工是在企业内部贯彻可持续发展战略和实施绿色制造的微观体现，它是在保证产品功能、质量的前提下，实现整个机械加工过程的优质、高效、低耗及清洁化，使企业效益与社会效益协调优化。实施绿色机械加工可提高资源利用率，降低对环境的危害和负面影响，改善机械加工时的人机友善性，提高机械加工生产率，提高产品质量，降低制造成本，改善机械加工柔性，实现机械加工整体最优化。本章将主要针对实施绿色加工过程中所需运用的各种技术手段展开全面的研究与论述。42绿色加工的实施过程（运用各种技术手段）421绿色加工技术的简述绿色加工技术是实施绿色加工的工具，针对机械加工对象，科学、合理的运用绿色加工技术方能有效的实施绿色加工。422绿色加工技术的运用4221少无切削加工技术随着新技术、新工艺的发展，精密铸造、冷挤压、直接沉积等成型技术6、12和工程塑料在机械制造中的应用日趋成熟，从接近零件形状向精密成形、仿形方向发展。用自由成形制造代替切削加工，有些成形件不需要机械加工，就可直接使用，这样不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，同时也大大减少了产品的制造周期和生产费用。4222快速成型制造技术他是利用三维CAD的数据,通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。它与传统机加工去除材料的方法截然相反，该加工可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速、准确、直接地制造任意复杂形状的三维实体和零件，实现零件的生产。他包括铸造、连接、塑性加工等单元技术，目前成型制造技术正从接近零件形状，向直接制成工件即精密成型或净成型方向发展。这些工件有些可以直接或者稍加处理既可用于组成产品，这样就可以大大减少原材料和能源的消耗，缩短生产周期，提高效率，降低成本，改善对环境的负面影响。4223干切削的加工技术干切削12、13就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统加工方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色加工和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响，即简化了工艺系统，降低了加工成本，消除了因切削液的使用所带来的一系列环境污染问题。对于干切削过程，具体的功能目标为加工时间,加工质量,生产成本,资源消耗和环境影响。对这5个目标变量变化的追求，是加工时间越少越好,加工质量越高越好,生产成本越低越好,资源消耗越少越好,环境影响越小越好。然而由于在切削中不使用切削液，它会使切削状态恶化，即切削中摩擦加剧，切削温度升高，排屑不畅，刀具使用寿命缩短和加工表面质量降低。因此切削加工必须寻求新技术和新工艺，以弥补切削液的功能。高速干切削与低温干切削是目前比较常用的两种干切削技术手段。高速干切削是一种新型的绿色加工方式，它是在不使用切削液的条件下，采用很高的切削速度进行切削加工的方法。高速干切削的出现与高速切削和干切削有密切关系。高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削热集中、加工过程稳定以及可以加工各种难加工材料等特点。随着高速机床、加工中心的不断发展，切削速度和切削功率急剧提高，使得单位时间内的金属切除量大大增加，机床的切削液用量也越来越大，但高速切削时切削液实际上是很难到达切削区的，大量的切削液根本起不到实际的冷却作用，这不仅增加了制造成本，还加重了切削液对资源、环境等方面的负面影响。与高速切削相比，由于干切削在加工过程中不用切削液，是一种对环境污染源头进行控制的清洁加工方法，干切削作为一种新型的绿色加工技术，不仅对环境污染小，而且能大幅度降低产品的生产成本。作为一种环境效益和经济效益俱佳的切削技术，干切削已成为目前绿色加工方法研究的一个热点，并已在车、铣、钻、铰、镗削等加工中得到了成功应用。然而高速干切削技术就是在高速切削技术的基础上，结合干切削技术将高速切削与干切削技术有机地融合，结合两者的优点，并对它们的不足进行了有效补偿的一项新兴先进加工技术。采用高速干切削技术可以获得高效率、高精度、高柔性，同时又限制使用切削液，消除了切削液带来的负面影响，因此是符合可持续发展要求的绿色加工技术。采用高速干切削技术加工产品，有如下特点（1）生产效率高高速干切削的切削速度远高于常规切削。目前在实际生产中高速切削铝合金的速度范围为15005500MMIN，铸铁为7504500MMIN，普通钢为600800MMIN。切削进给速度已高达2040MMIN。而且，高速切削技术还在不断发展，采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍，传统的切削加工方式为“重切削”方式，每一刀切削排屑量大切削深度大，但进给速度低；而高速干切削为“轻切削”方式，采用小吃刀深度、高主轴转速和高进给速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削线速度大，进给速度高，这样可显著提高工件材料切除率，切削效率高。（2）加工质量好干切削是依靠刀具涂层起到的积极作用，无论切削速度多高，涂层的前后刀面都始终在接触区内，所以，高速切削时更容易显示出干切削的优势。尽管干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑作用，会导致刀具与工件、切屑之间的摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧，切削热急剧增加，切削区温度显著升高，刀具耐用度降低，工件加工质量不易保证。但可通过分析干切削的各种特定条件和影响干切削的各种因素，寻求相应的技术解决方案及措施来弥补不使用切削液所造成的上述缺陷。如针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数和相应的断屑槽形，以满足干切削的加工要求；某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应等。应用这些措施来保证干切削的加工质量，使干切削加工顺利进行，达到甚至超过湿切削时的加工质量、生产率和刀具耐用度。（3）生产成本低湿切削加工中切削液的使用成本太高。德国汽车制造业的调查数据显示，把切削液的费用和有关设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费加在一起达到全部制造费用的717，而全部刀具费用仅为总制造费的24，可见使用切削液的成本已数倍于刀具费用。同时，由于排放的切削液和带有切削液的固体物被当作有毒材料进行处理，大大增加了切削液的供给、保养和回收处理成本。而采用高速干切削技术后由于不使用或使用最少量的切削液，加工的成本大幅度降低，节省了大量的切削液成本，而且切削速度提高、切削时间变短、设备利用率提高，使得综合生产成本大幅度下降。低温干切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加工系统的切削区域,造成切削区的局部低温或超低温状态,利用工件在低温条件下产生的低温脆性,提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量。根据冷却介质的不同,低温切削可分为冷风切削14和液氮冷却切削。低温冷风切削是通过向刀尖的加工部位喷射2030甚至更低的低温气流,并混入微量的植物性润滑剂每小时1020ML,从而起到降温、排屑、润滑的作用。低温冷风切削与传统切削相比,能够提高加工效率,改善工件表面质量,而且对环境几乎无污染。日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构,使30的低温冷风直接通向刀刃。该结构大大改善了切削条件,有利于低温冷风切削加工工艺的实施。横川和彦15对车削和铣削中的冷风冷却进行了研究,在铣削试验中,分别采用水基切削液、常温风10和冷风30三种条件进行比较，结果表明，采用冷风切削时刀具耐用度显著提高。在车削试验中，冷风20切削时刀具磨损率比常温风20切削时显著下降。液氮冷却切削主要有两种应用形式,一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件。氮气是大气中含量最多的成分,氮气作为制氧工业的副产品,资源十分丰富,由于液氮使用后直接挥发成气体返回大气中,因此不会留下任何污染。目前低温干切削加工主要应用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等难加工材料的加工中。国外有专家通过研究采用H13A硬质合金刀具、并用液氮循环冷却刀具的方法对钛合金进行了低温切削加工试验14，试验结果表明，与传统的切削方法相比，刀具磨损明显减少，切削温度降低30，工件表面加工质量得到很大改善。还有就是采用间接冷却方法对高锰钢进行了低温切削加工试验，结果表明，采用间接冷却方法低温加工高锰钢时，刀具所受冲击力减少，刀具磨损减小，加工硬化现象得到改善，工件表面质量也有所提高。由此可见,干切削技术在绿色加工中不断被发展，不断被改进以至于更优化。目前干切削技术在以下几个方面已经获得比较成功的应用1铸铁的干切削铸铁加工通常都不用切削液，总是进行干切削加工以提高其生产效率。最典型的是日本MAKINO集团美国分公司的“红月牙”REDCRESCENT高速干切工艺16,利用陶瓷或CBN刀具进行高速加工,聚集在刀具前端的热量使工件达到红热状态,降低工件的屈服强度,大大提高了切削效率。2铝合金的干切削铝合金因具有良好的耐蚀性、较高的强度、导电性及导热性好等优点,在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝合金已普遍采用高速干切削加工方法,这是由于在高速切削中,9598的切削热都传给了切屑,而且切屑在与刀具前刀面接触的界面上会被局部熔化,形成一层极薄的液态薄膜,因而切屑很容易在瞬间被切除,大大减小了切削力和产生积屑瘤的可能性。4224亚干式加工技术亚干式切削加工是一种介于湿式切削和纯干式切削之间的一种切削加工技术。干式加工并不是简单的取消切削液就可以实现，它对刀具材料、机床结构、工艺技术等均有较高的要求，所以目前它的应用范围还比较有限，而完全采用湿加工又有资源浪费和环境保护等方面的问题，如果将干、湿加工的优点结合，既能够达到加工要求，又能够使切削液的费用降到最低，达到与干切削相同的要求。一般湿式切削时切削液消耗量可能在5L/MIN以上，而亚干式切削时切削液消耗量可能在50ML/H以下。最小量润滑技术12，简称MQL技术，是亚干式切削在实际加工中的典型应用。它是指在加工中，加工工作处在最佳状态下（即不缩短刀具使用寿命，不降低已加工表面质量），切削液的使用量达到最少。它的工作原理是将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，对刀具和工件间的加工部位进行有效润滑。可大大减少“刀具工件”和“刀具切屑”间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量。此法所使用的润滑液很少，消耗量在50ML/H以下，而正常射流润滑的消耗量可达6L/MIN。加工时不但工件和切屑可保持干燥，清洁干净的切屑经过压缩还可回收使用，不会对环境造成污染,而且工效十分显著。目前MQL技术分为气雾外部润滑和气雾内部润滑两种。MQL技术适合于无法完全实现干切削的情况，如磨削加工及难加工材料的切削加工，有广阔的应用前景。4225采用新型刀具技术新型刀具有3大技术基础材料，涂层，结构创新、优化。（142251采用新型的刀具材料陶瓷刀具、金属陶瓷,等材料的硬度在高温下变化不大,具有很好的红硬性,因此很适合于一般目的干加工而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好,故不适用于进行断续切削。也就是说,陶瓷刀具较适用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼（CBN）17是超硬材料中较好的绿色干切削刀具材料，CBN有很高的高温硬度和对铁基材料的高温化学稳定性，并且由于水解反应而自然排斥水基切削液的作用，能够高速干切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金、钛合金及各种热喷涂材料。聚晶金刚石（PCD）17材料的硬度约为CBN的2倍，其导热性好、热膨胀系数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速干切削，是实现超精密切削的重要刀具。其次，超细硬质合金还可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。（2）42252采用涂层技术涂层技术已经进入新的发展阶段，成为现代高效刀具的重要标志，也已经成为快速提高刀具性能的有效途径，应用涂层刀具对提高企业的切削加工效率可产生立竿见影的效果。刀具涂层技术是在刀具的刀体涂上一层或多层不同性质的材料,从而具有对刀具整体性能的加强和提高的作用。涂层材料的化学稳定性好、红硬度高、绝热性好，刀具表面涂层可减少刀具与切屑和工件表面之间的摩擦，减少切削变形和切削力，降低切削温度，延长刀具使用寿命，并改善已加工表面质量，弥补了切削液的润滑性和冷却性。涂层刀具可分为三大类一类是“硬”涂层刀具，如TIAIN和等涂层刀具,这类刀具表面硬度高,耐磨性能好,抗氧化性强,如在常规32OAI涂层中TIAIN是干式加工中改善热绝缘的首选涂层。一类是“软”涂层，如TA、WS等涂层,这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”,刀具、工件和切屑之间的摩擦因数很低,只有约001,能降低切削力和切削温度。最后一类是采用“软/硬”组合涂层，即先在刀具上涂覆“硬”涂层如TIN，再在其上涂“软”涂层如，形成多涂层刀2MOS具，使得涂层刀具既具有高的硬度和耐磨性,又具有摩擦系数小、切屑易流出之特点。目前，已有多达13层的涂层刀具。由此可见，涂层不但有适应高速切削、干切削、硬切削的耐磨、耐热涂层,有适应断续切削的韧性涂层,还有适用于干切削及需要降低摩擦因数的润滑涂层。涂层技术的进一步开发，还将提高了涂层刀具的性能，也为企业提供了更多的选择余地。（3）42253采用结构创新、优化的刀具复合刀具17，它是经过改进的多功能刀具，它将2把或2把以上的同类或不同类的孔加工刀具组合成一体的专用刀具，他能在一次加工的过程中，完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和镗孔等多个工序不同的工艺复合，减少了换刀时间，保证相互位置精度，具有高效率、高精度、高可靠性的成形加工特点。整体硬质合金圆形刀具的应用13、17，用细颗粒、超细颗粒硬质合金制造的钻头、立铣刀、丝锥等圆形刀具与现在常用的同类高速钢刀具相比，切削速度可提高几倍，能在很大程度上提高加工效率。4226采用改进后的先进机床技术高速多功能绿色机床技术的应用在很大程度上满足了绿色机械加工中所要求的高效率、高精度、高柔性与绿色化。高速多功能绿色机床运用了“一次过”的技术，将传统的粗精加工一次加工完成，它还通过一次性工具装卡，完成过去需要几台不同的机床所完成的加工,从而在省去了传统的若干工序，提高了加工效率及产品的质量外，还有效的节约了能源，降低了成本。423运用绿色加工技术解决实际问题大家记得在第二章中我们在讲绿色机械加工模式时曾提到绿色加工机械零件，当时我们就已研究到了绿色加工机械零件的过程，现在，我们研究完第四章的内容后，我们就明白了绿色加工机械零件的过程实质上就是运用绿色加工技术来对机械零件进行加工的过程。零件成形通常采用“材料去除”的切削加工技术，逆向思考，也可以采用“材料增加”的技术。首先说明基于“材料去除”技术的零件加工过程，金属切削加工是用去除材料的方法来获得所要求的几何形状的一种加工技术。由于该技术能够加工出很高的形状精度、尺寸精度、位置精度和很低粗糙度的表面,因此成为最重要的零件成形的加工技术,并在机械制造中被广泛采用，由第四章的内容可知，应用高速干切削技术以及采用先进新型的刀具技术都可实现高精度零件的绿色加工。再来说明基于“材料增加”技术的加工过程，由材料的直接堆积成形或在一基体上涂熔覆材料成形是一种通过“材料的增加”来获得零件形状的成形技术。由于成形是材料的增加过程,是对材料的有效利用,因此,材料浪费小,废弃物少。“材料增加”成形技术若发展成能够直接生产出合格零件则是一种很有前途的零件绿色加工技术，同样根据第四章的内容可知，运用快速成型制造技术则可实现机械零件的绿色加工。43结论机械加工技术是机械工业的关键因素，它的发展水平决定着一个国家机械制造业的面貌。机械加工技术绿色化较之传统的加工技术从实质上说有了根本，长远的进步，它在保证了机械加工业健康、快速发展的同时，使得企业效益与社会效益实现了双赢，为实现社会的可持续发展打下了良好的基础。第五章基于绿色加工的切削液的分析及选取51概述近年来，尽管国内外学者，专家都在致力于研究不使用切削液的各种加工技术，但由于种种原因，这种无切削液的加工技术还不能在短期内被广泛应用。目前，对于众多的机械制造企业尤其是传统机械制造企业来说，在机械加工中大量使用切削液的现象依旧很普遍。大家都知道的是切削液是机械加工中的主要污染源，切削液首先是对人体健康的危害，切削液中的添加剂具有很强的毒性，如常作为杀菌剂使用的苯酚类物质有很大的毒性；效果较好的防锈剂是亚硝酸钠18，国际上普遍认为它与胺盐在某些条件下会形成致癌物质亚硝胺；因矿物油、表面活性剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性及无机盐、有机胺等碱性物质的作用，会使皮肤出现干燥、裂口、红肿而导致皮炎；在使用切削液时产生的油雾及散发的刺激性气味对呼吸系统的危害。切削液除对操作人员的身体健康造成危害外，废液的排放对环境也造成严重污染，主要是对水资源的污染，矿物油基的生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中，油对水生物有极性致死毒性，也有破坏生物生态毒性，严重影响水生动植物的生长；防锈剂磷酸钠的积累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮。另外，在机械加工中使用切削液在很大程度上增加了制造成本，这对发展经济性社会也造成了负面的影响。为了尽可能的减少切削液的负面效应，同时达到切削液应有的效应，必须对切削液及其添加剂的种类；对切削液的作用，使用机理进行分析研究，进而选取符合绿色加工的切削液。52机械加工中常用的切削液及其添加剂521切削液的种类切削液主要有两类水基切削液和油基切削液。5211水基切削液水基切削液又称为水溶性切削液。可分为乳化型、微乳化型和合成型切削液3种类型。水基切削液的优点是冷却性好，特别是对机床零件的冷却、减少热变形有很好的作用，还有就是加工件易清洗，主要用于高速切削加工工序中。近年来由于水基切削液的组分的改进，大大提高了它的润滑性能和防腐蚀能力，因而需求量日渐增大，尤其在对铝和铜材加工方面。（1）乳化型切削液乳化切削液也称溶性油。是将浓缩液用水稀释而成的乳状液体。乳化液将油的润滑性和防锈性与水的优异的冷却性能结合起来。它对于有大量热生成的高速低压力的金属切削加工是很有效的。一般具有润滑作用的油性物均可作为油性剂，如油酸类添加剂（油酸钠皂、油酰三乙醇胺、油酸酯、油酸硼酸酯等。此外，含稀土元素的有机化合物，无机硅酸盐，有机硅化合物在水基切削液中有良好表现，如硅酸钠与亚磷酸二正丁酯有较好的配伍性18，比例合适时能更好地发挥硅酸钠在水基液中的