基于绿色制造的新型机械制造工艺及装备技术研究

摘要：绿色制造强调机械制造设备能够实现对环境的影响最小、资源利用率最高的效果。航空发动机为航空器提供飞行动力，但是由于发动机的典型零件结构复杂，导致发动机设备的设计与生产周期长、成本高，导致在加工过程中出现工件报废频繁的现象，造成资源浪费。本文以当前航空发动机设计加工过程中存在的问题为切入点，阐释实现航空发动机绿色制造的工艺技术。

关键词：绿色制造 发动机 工艺技术

传统的机械制造技术是以高能耗、高污染为主的，随着世界环境的不断污染，人们开始重视对环境的保护，因此立足科技进步，构建绿色机械制造工艺技术，已经成为当前世界机械制造业的主要发展趋势。绿色制造技术是一种清洁生产方式和废弃物循环利用的生产模式，强调对机械设备生产全过程的最优化控制，通过合理的控制与改进实现机械设备制造对环境的负面影响，降低对自然资源的消耗，达到经济效益、社会效益以及生态效益的和谐发展。

1 航空发动机制造工艺的现状

航空发动机技术的发展很大程度上取决于我国制造技术的发展，与国外先进国家相比，我国航空发动机制造技术还比较落后，尤其是在加工工艺上，由于航空发动机的零部件结构复杂、数量比较多，再加上发动机工作的环境比较恶劣，导致航空发动机在制造过程中存在大量的能源消耗等问题，以对发动机零件的切割技术为例，目前航空发动机的切割主要是依靠编程人员的经验选取切削参数等加工信息，这样导致切削用量选择保守、不规范，进而出现加工出来的零部件不能满足发动机的工作要求，从而产生了大量的废弃零部件，造成资源的浪费。因此实施绿色制造对提高航空发动机制造水平，减少制造过程中的报废具有重要的意义。

2 基于绿色制造的航空发动机制造工艺

由于航空发动机制造过程中出现资源浪费等现象，亟待提高制造技术手段，更大范围地采用现阶段各类成熟的先进制造技术。主要体现在：

2.1 采取资源节约型工艺技术 采取资源节约型工艺技术是目前航空发动机制造技术的主要发展趋势，传统的加工技术以消耗不可再生金属材料的时代已经不能适应现代航空事业发展的要求，当前高性能航空发动机采用了大量的新型结构件，由于毛坯结构的变化，其制坯方法也发生了重大变化。精铸件、精锻件、单晶和定向凝固精铸件毛坯将取代传统的大余量毛坯。传统意义的锻件将由77%降至33%，精铸件由18%增至44%以上，粉末冶金件由3% 增至8%，复合材料构件由4%增至15%。

2.2 降低能耗型工艺技术 在航空发动机生产过程中，需要消耗大量的自然资源，随着自然資源的日益紧张，积极采取低能耗工艺技术是发展现代航空技术的重要内容。降低能耗工艺技术主要包括：一是在发动机生产技术上实施节能措施。比如改善发动机的风扇工作性能参数、提高发动机的工作效率等。二是从生产工艺方面入手，改变传统的生产工艺，加大节能型生产工艺技术的应用。三是积极利用先进的生产材料，比如当前我国的飞机发动机采用了高温合金材料，国内GH4169合金主要采用两联工艺（VIM+VAR）生产，棒材采用快速水压机开坯生产，盘锻件采用快速水压机自由锻制坯，在锤或水压机上采用包套模锻工艺或在等温数控液压机上采用近等温锻工艺生产。四是优化发动机生产的管理技术。通过强化加工过程的管理，提高工作效率，避免出现人为因素的失误而导致的资源浪费现象。例如在生产加工发动机零部件时一定要按照规范的标准对机床参数进行设置，避免因为人为的粗心而导致的零部件出现报废。

2.3 环境保护型工艺技术 航空飞行器对环境污染严重，其主要体现在：一是巨大噪音，对人们的生活产生巨大的影响；二是废气污染，研究发现，航空器在飞行过程中产生的凝结尾迹会形成卷云（一种高空云），这种云会阻碍地球表面热辐射的散发，进而加剧全球气候变暖。因此需要采取具有高阻尼降噪性能、节能环保的新型材料，并从工艺角度避免切削加工的过程中造成的污染。

3 选择绿色制造技术的切削液系统

在航空发动机零件制造过程中需要利用切削加工零部件，为提高切削的工作效率，往往会应用切削液，但是切削液的使用会对环境构成污染，同时在清除加工零件切削液时也会产生“二次污染”。同时应用切削液也会无形之中增加生产成本。因此采用减少切削液的使用、绿色切削液的选择、优化切削液系统以减少切削液的环境污染以及资源浪费等问题已成为绿色制造领域的研究热点之一。

3.1 面向绿色制造的切削液供给系统 一是采取对数量的喷嘴。传统的切削液供给主要是由单一的喷嘴装置实现，主要是通过喷嘴向刀具、工件的喷洒过滤之后返回到供液箱内，这样的喷洒模式需要消耗大量的切削液，如果采取一个喷嘴的话就需要保证切削液的容量，避免因为切削液容量的不足而产生切削温度过热的现象。采取多个喷嘴，可以实现切削量的使用效率，他们就能够更好地渗透到切削区，保证切削工作效率的最大化。二是通过外喷雾冷却方法。外部喷雾冷却润滑方式就是通过雾喷装置将切削液以雾状的形式喷射到加工的零件上，从而降低加工过程中的温度，实践证明使用雾喷技术可以大大降低切削液的使用量，提高航空发动机制造、修理企业的经济效益。

3.2 面向绿色制造技术的切削液选择 切削液虽然能够大大提高切削工件的质量，但是如果不能合理的应用切削量，就会造成环境的污染，切削液对环境的污染主要表现在：一是对生态环境的影响。切削液一旦流入生态环境中，不仅会对水资源构成污染，也会影响土壤的成分。二是对人体身体健康的威胁。切削液中添加的某些成分对人体的影响是巨大的，一旦切削液被人所吸收产生的严重后果就是中毒。因此根据不同的加工工艺要求选择合适的切削液是节约发动机制造企业生产成本，降低对环境污染的有效措施。

3.3 绿色切削液的开发与应用 一是要积极地改善切削液的成分，根据航空发动机性能的要求，选择具有环保、可再生资源作为切削液的主要构成原料，比如在不影响发动机零件性能的基础上可以采取植物油作为切削液的主要成分。二是积极创新切削液的添加剂成分。比如开发研究硼酸酯类添加剂、钼酸盐系缓蚀剂、新型防腐杀菌剂等。三是开发传统切削液的替代品。传统的以油脂为主的切削液具有处理不方便，对环境影响大的缺陷，而液氮则具有挥发性，其在使用后能够快速的挥发，其不会产生任何的污染，而且液氮的制冷效果也要高于传统的切削液。

4 面向绿色制造技术的机床和刀具系统

4.1 面向绿色制造技术的机床设备 随着航空发动机性能的不断提高，对制造航空发动机的机床设备要求也越来越严格，尤其是在高科技信息时代背景下，要求航空发动机的机床设备也要具备高端科技化技术：首先由于发动机的零部件原件的强度不断提高，因此需要切削机床必须有足够高的刚性，以此提高机床加工的工作效率。同时机床的冷却应采用喷雾、冷风或压缩空气。其次利用MQL技术对机床结构改进。实施MQL技术是提高机床排屑性能的重要技术。

4.2 面向绿色制造技术的刀具技术 首先要选择适合发动机零件加工的刀具。加工刀具的材质要符合加工零件材质的要求，要根据不同的加工原料采取相应的刀具，比如钨钻类适合用于加工铸铁、有色金属等短切屑的工件。而钨钴钛类由于存在少量硬度更高而韧性稍逊的钛化物，更合适加工钢件等长切屑的工件。同样刀具的不同涂层材质对加工原料的影响也是不同的，例如氮化钛涂层可增加刀具表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系數，减少积屑瘤的产生，延长刀具寿命。其次加强废旧硬质合金刀片再利用。提高废弃刀具的回收利用是降低生产成本，提高企业经济效益的重要手段。最后，研制适合干切削加工的刀具材料。由于速干式切割的过程中会产生大量的热能，大大降低刀具的使用寿命，因此刀具要具有耐高温性、耐磨性、高强度和高冲击韧性。当然对刀具表面进行涂层处理实际上也会产生很好的效果，通过涂抹可以在刀具与零件加工过程中形成一种隔热层，进而有效避免刀具因为受热而出现磨损较大的现象出现。

5 结束语

随着人们对环境保护的意识不断提高以及追求经济效益最大化的要求，传统的机械设备加工技术已经不能满足现代社会的发展，而基于绿色加工的机械制造工艺技术实现了对机械设备全周期的控制，有效地解决了机械制造过程中对环境的污染和对资源的消耗，并且大大优化了机械制造过程的流程，提高了企业的经济效益。

参考文献：

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[2]郑旭东，张连祥.提高飞机发动机耐久性和可靠性的途径[J].飞机设计，2013（04）.

[3]赵宏平.基于绿色制造的新型机械制造工艺[J].机电信息， 2011（04）.

作者简介：黄彦春（1971-），男，山东胶南人，部长，研究方向：机械制造。