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绿色制造工艺技术在机械工业中的应用研究

2016/6/28    来源:互联网    作者:燕辉  王黎明  潘亮  潘敏强      
关键字:绿色制造工艺技术  干式加工  准干式加工  绿色热处理  绿色材料  
对绿色制造工艺技术的概念及其具体内容进行了介绍,并基于绿色制造工艺技术的内涵来着重讨论绿色制造工艺技术在机械工业中的应用。

1 引言

    随着机械工业的蓬勃发展,许多新型高效的先进机械加工工艺技术不断推陈出新的同时,却产生了资源和能源的巨大消耗及对生态环境的严重破坏。机械加工的负面影响越来越受到重视。为了合理利用资源、降低能源的消耗和减少对生态环境的破坏,绿色制造工艺技术在机械工业中的应用和推广势在必行。

    制造业是产业革命的主力军,而机械制造在整个制造业中占有主导地位,因此绿色制造工艺技术在机械工业中的应用显得特别重要。对如何使绿色制造工艺技术在机械加工中得到更广泛的应用的研究具有重大的意义。

2 绿色制造工艺技术

    绿色制造工艺技术(Green Manufacture Technology)是以传统工艺技术为基础,并结合环境科学、材料科学、能源科学、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。绿色制造工艺技术与传统工艺技术的最大区别在于后者只是根据市场信息设计生产和销售产品,对资源利用、能源消耗和环境方面考虑较少。而绿色制造工艺技术对生产制造活动的全过程进行最优控制,全面合理配置资源,最大限度地减少污染,充分发挥制造系统的效能,利用先进的制造技术和工艺方法,最终实现绿色制造的目标要求。

    绿色制造工艺技术的最终目的是对资源和能源的合理利用以及减少对环境的污染。根据这个目标可以把绿色制造工艺技术划分为三种类型: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。

    节约资源型工艺技术是指生产过程中简化工艺系统组成、节省原材料的消耗的工艺技术。降低能耗型工艺技术是指在生产工程中,降低能量损耗的工艺技术。环境保护性工艺技术是指通过一定的工艺技术,使生产过程中产生的废液、废气、废渣、噪声等对环境和操作者有影响或危害的物质尽可能减少或完全消除。

3 绿色制造工艺技术在机械工业中的应用

3.1 节约资源型工艺技术在机械工业中的应用

    节约资源工艺技术在机械工业中的应用可从设计和工艺两方面着手。在设计方面,通过减少零件数量、减轻零件重量、采用优化设计等方法使原材料的利用率达到最高;在工艺方面,可通过优化毛坯制造技术、优化下料技术、少无切削加工技术、干式加工技术、特种加工技术等方法减少材料消耗。

3.1.1 少无切削加工技术

    在机械加工中,当满足零件结构性能要求的前提下,通过选择少切削或者无切削的加工工艺,如成型制造技术、轧制成型等来减少材料的使用量和资源的消耗。少无切削加工有节约材料,生产率高和成本低等优点,因此在机械工业领域得到越来越广泛的应用。汽车的部分零件正是利用了少无切削加工技术得到了长足的发展。减振螺钉是汽车配件之一,需求量大,成对组装使用,用橡胶弹性联接,能承受阻力。原工艺是采用金属棒料切削加工,材料利用率只用18.2%,生产率低。改用少无切削加工工艺之后,材料利用率由原来的18.2%提高到65.3%,金属流线分布合理,生产效率大大提高。

    成型制造技术包括铸造、焊接、塑性加工(如锻造、冲压)等制造方法。目前它正从接近零件形状(Near Net Shape Process)向直接制成工件,即精密形或净化型(Net Shape Process)方向发展。采用这项制造技术可使有些零件或毛坯直接或稍加处理即可用于组成产品,从而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。

3.1.2 干式加工技术

    目前机械加工多是在加工中心、数控机床或者普通机床上以切削液(包括切削液和磨削液等)的湿式加工的方式进行的。切削液的主要作用是降低加工温度,延长刀具耐用度,提高加工尺寸精度。但随着高速加工技术的迅速发展,切削液的使用量越来越大,其流量有时高达80~100l/min,大量的切削液的使用不仅对人体的健康造成威胁,而且对环境造成严重的污染,并且切削液难于处理,即使能处理,其处理成本也很高。因此,对干式加工技术的研究具有重要的意义。

    顾名思义,干式加工(Dry Machining)就是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。干式加工简化了工艺系统,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。干式加工有两种方式,即完全干式加工和准干式加工。完全干式加工就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法,也就是通常所说的干式加工。这种加工方式对工具材料、机床结构、刀具装夹方式等均有较高的要求。

    准干式加工(Near DryMachining-NDM)或最少切削液切削加工(Minimal Quantities of Lubricant-MQL)是一种介于湿式加工与干式加工之间的加工技术。准干式加工是将压缩空气和少量切削液混合气化后喷射到加工区,对刀具与工件之间进行的加工部位进行润滑。它所使用的切削液很少,约占湿加工的六万分之一,但其效果却十分明显。它弥补了完全干式加工应用范围的局限性和完全湿式加工的诸多不足,结合了两者的优点,既满足了加工的要求,又使与切削液有关的费用降至最低,并可取得与完全干式加工相同的效果。准干式切削技术只要使用适当,刀具、工件和切削必然是干燥的,因而可避免切削液的处理过程。目前干式加工中干切削(Dry Cutting)加工和干磨削(Dry Milling)加工是应用和研究较多的两种方法。美国Leistritz公司在加工丝杆时,先是在软的工件上加工出螺纹,再把有螺纹的工件淬硬,然后逐件精磨,加工一根丝杆需要近170个工时。为了提高生产效率,该公司采用GE超硬磨料公司的PCBN刀具进行旋风铣削加工,钢坯在精加工丝杠螺纹之前被淬硬,以硬旋风铣削取代软车削和精磨工序,明显提高了金属切除率,加工时间缩短为1.75小时,提高效率近100倍。

    干磨削目前使用最多的方法是强冷风磨削,通过热交换器,把压缩空气用液氮冷却到-110度,然后经喷嘴喷到磨削点上。由于压缩空气温度很低,所以在磨削点上很少有火花出现,也几乎没有热量产生,因而工件变形极小,可得到10um以内的椭圆度。

责任编辑:屈婷婷
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