浅谈绿色机械加工技术应用现状和未来前景

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720114

摘要：本文首先从绿色机械加工技术的含义、特点两个方面，介绍绿色机械加工技术的相关概念，并指出该技术所具备的优势；之后结合实际使用到的具体的技术，介绍绿色机械加工技术的应用现状；最后分析绿色机械加工技术的未来前景，即今后的发展方向。

关键词：绿色机械；加工技术；应用现状；未来前景

绿色机械加工技术改善了传统机械加工技术中存在的诸多弊端，重视资源、能源和环境，将环保作为重点，在提高资源利用效率、减小环境污染的同时，还能够减少机械加工对人体造成的危害。

一、概述绿色机械加工技术

（一）绿色机械加工技术的含义

绿色机械加工技术以传统工艺技术为前提，通过科学利用材料、借助多种制造加工技术，推动实现机械加工各个环节环保效益的最大化。

（二）绿色机械加工技术的特点

1.节约资源和能源

在传统机械加工过程中，为了保证工作效率，会大量使用润滑液，虽然实现了机械零部件的润滑和较高效的运行，但也造成了工业材料、化工原料、人力资源等的浪费。

而在绿色机械加工过程中，切削液是所有消耗中所占比例最大的一部分，但是其刀具费用只占4%，零部件加工总成本只占16%，与传统的加工技术相比，节省了相当大一部分的能源和资源。

除此之外，绿色机械加工技术不再使用传统的废液处理装置和冷却装置，这一举措就可以实现20%以上的节能，进一步减少了能源的浪费，也降低了加工成本。

2.减小污染，保护环境

仍以切削液为例。切削液是由化学原料和材料构成的，如果得不到及时的处理，会随着水渠排入河水中，污染水质，破坏生态系统。

传统机械加工技术，不能够实现对切削液的有效处理，很容易导致切削液流出，造成环境污染。

而绿色机械加工技术不仅能够减少切削液制作过程中使用到的化学原料，还可以利用水、可自然降解油剂和冷风，完全回收利用切削液，从而实现切削液废液零排放的目的，大大减小了对环境的污染和破坏。

二、绿色机械加工技术的应用现状

（一）干式切削技术

1.发展、含义及优劣

干式切削技术最早是由法国的一位博士提出的，该技术的研究工作开始于20世纪90年代。指的是为了降低成本、保护环境，有意识地在不使用切削液和冷液的条件下，进行切削加工。

在停止使用切削液的同时，对刀具的质量、耐用度、切削度都有着非常高的要求，这就意味着要改善切削刀具的材料、热变形能力、耐热耐磨性能、与切屑之间的摩擦系数等；通过利用性能优良的刀具、机床和辅助设施代替切削液，实现真正意义上的干式切削。

但是干式切削属于一种较理想状态下的切削，在具体应用时，还要借助刀具冷却剂和润滑剂，最终效果不够理想，这就加大了干式切削技术的推广难度。

2.现阶段对干式切削刀具的应用

（1）新型的刀具材料。高硬度材料为干式切削技术的发展提供了可能性。干式切削技术中要求刀具材料要具有极高的热韧性、红硬性、耐磨性、耐冲击性和抗粘结性，有很多新型的高硬度材料能够符合这些要求，现阶段被应用于干式切削刀具材料的有陶瓷、超细硬质合金、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）等。

陶瓷刀具具有较高的红硬性，但不适用于断续切削，因此主要被应用于一般的干车削，而不用于干铣削；超细硬质合金具有非常好的耐磨耐热性，且能够提高普通硬质合金的韧性，因此可以被制成大前角的深孔钻头和刀片，主要被应用于干铣削和干钻削；聚晶金刚石硬度、热导率高，线膨胀系数小，在切削过程中，由于热能可以很快从刀尖传到导体，使得刀具热变形造成的误差大大减小，主要被应用于干式加工铝、铝合金、铜工件；立方氮化硼热传导率高，而且具有较高的高温化学稳定性，因此主要被应用于加工铸铁和淬火钢，用车削代替磨削。

（2）对刀具进行涂层处理。对刀具进行涂层处理，相当于为刀具提供与一层类似于冷却液的保护层，将刀具和切削热隔离，维持刀尖长时间的锋利和坚硬，从而能够大大提高刀具的性能。现阶段的涂层刀具主要分为两种：硬涂层和软涂层。

硬涂层刀具有硬度高、耐磨性好的特点，现阶段使用的有：TIN、碳化钛（TIC）、AI2O3陶瓷基等涂层刀具，TIN涂层刀具能够有效抗月牙洼磨损、TIC涂层刀具可以抗后刀面磨损。

软涂层刀具和工件材料之间的摩擦系数很低，所以也被称为“自润滑刀具”能够有效减少切削力、降低切削温度，现阶段使用的有：二硫化钼（MoS2）涂層刀具，大大提高了加工效率。

3.现阶段比较成功的两种干式切削方法

（1）高速干式切削。该种切削方法省去了油屑分离的过程，没有油屑分离装置、冷却润滑油箱以及相关的电气设备，因此机床结构紧凑，加工效率和加工质量高，同时还降低了加工成本。

在应用时需要满足两个条件：一是要有非常高的切削速度，尽量缩短刀具和工件接触的时间；二是要采用压缩空气等方法及时移去切屑，控制加工区域的温度。

（2）低温冷风切削。使用冷风，能够避免因只使用极微量的植物油而造成的加工点高温化，保持加工点的润滑性。

低温冷风切削技术的性能是传统的油剂切削的两倍，配合植物油使用，其性能和加工效率能够得到进一步的提升。

4.我国的研究现状

我国对干式切削技术的研究已经起步，清华大学、山东工业大学和成都工具研究所等单位，对高硬度刀具材料、刀具涂层技术等做过系统的研究，并取得了较好的研究成果，我国也形成了一定的陶瓷刀具的生产能力，特别是北京机床研究所已经开发成功了KT系列加工中心，实现了高速干切削技术的应用。

但是与国外相比，我国在干切削理论研究水平和工业应用水平都比较低，依然需要加快研究和推广的进程。

（二）最小量冷却润滑技术

在目前尚未有效实现干式切削技术的情况下，使用的较多的就是最小量冷却润滑技术（MQCFA）。这是一种类似于干式切削和切削液切削的加工技术，具有不用处理废液、对刀具磨损较小、节约资源等特点，能够提高切削质量和加工质量。

在使用该技术时，需要掌握两种关键技术：一是要能够保证将润滑液准确可靠地送入切削区，以实现加工点的充分润滑；二是要能够保准润滑液的用量。

现阶段，主要通过两种方法将润滑液送入切削区：

（1）“外喷法”。从外部将油气混合物喷入加工区，这种方法虽然简单，但是要消耗大量的润滑液，不仅会增加成本，处理不当时，容易加大环境污染，而且这种方法还不适用于封闭式的机械加工；

（2）“内喷法”。将油气混合物从刀具中开出的通道喷入加工区，这种方法能够不仅能够实现充分的润滑，还能够降低润滑液的消耗，但是目前实际应用的难度比较大，需要通过实验确定喷射的切削液量和速度。

（三）绿色机械加工切削液

由于切削液具有较大的污染性，想要降低其造成的环境污染，就要改善其组成和应用条件，即基础润滑油、切削液添加剂、抗烟雾剂和抗磨剂等，这也是绿色加工技术研究和关注的几个主要方面。

可以将合成油、合成脂、矿物油和植物油等作为基础润滑油，其中植物油储量大、价格低、没有什么污染性，因此被作为绿色机械加工中切削液的主要原材料；使用的添加剂必须是无毒的；现阶段使用的抗烟雾剂多为聚异丁烯；使用的抗磨剂多为猪血清。

三、绿色机械加工技术的未来前景

（一）集约化

绿色机械加工技术需要对形式各异的原材料、设备、零部件等进行分析整合；需要在综合考虑各个加工环节和整个社会的基础上，对加工参数、冷却介质等进行综合的考虑和优化处理，从而选出最合适和方案，实现缩短加工时间、提高加工效率、降低污染水平、减少能耗的目的，实现整体效益的提升。

其今后的发展前景，也一定是借助于网络和数据库，在综合考虑多种加工因素的基础上，实现绿色机械加工各个环节信息交互和共享，从而将各个环节融入到一个集成系统中。

（二）信息化和网络化

制造业与互联网技术结合发展，已经成为行业发展的必然趋势，绿色机械加工技术的发展也是如此。

未来，绿色机械加工技术会不断加强其网络化的程度，借助企业局域网将分散着的数控设备和加工中心连接起来，从而总体监控整个加工过程；通过优化工程设计系统、信息管理系统等子系统，提高集成企业决策效率和工作效率；借助计算机技术科学合理分析不同零部件、材料和设备的相关参数，分析得出最优化合理的加工方案，以进一步提高环保效益和加工效率。

除此之外，绿色机械加工成本的计算和资金使用方案，切削液、切削刀具、加工设备等相关资料的统计和管理，都离不开数据库、人工智能、神经网络等信息化和网络化的技术，绿色机械加工技术的信息化与网络化的程度也会不断加深。

四、结语

由于相关理论、技术和设备的研发还不够成熟，绿色机械加工技术没有得到广泛的发展，一些优秀的加工技术尚未得到有效的实现，加工技术推广起来也非常不容易。但随着研究人员研发程度的加深，以及科学技术、网络技术的进步和发展，绿色机械加工技术未来一定会朝着集约化、信息化和网络化的程度不断发展，其环保效益和加工效益也会不断的提高。

参考文献：

[1]陈蓉.绿色机械加工技术的应用与发展[J].现代制造技术与装备，2017（4）：173174.

作者简介：廖艳萍（1973），女，北京市人，教育学硕士，北京市劳动模范，主要研究方向：機械加工及实训教学，多次指导选手在各类技能竞赛中获奖。就职于北京汽车技师学院机电工程系，系主任、高级实习指导教师。