第九章绿色加工技术

第九章绿色加工技术 • 第一节概述 • 第二节绿色加工的基本理论 • 第三节绿色加工的评价体系 • 第四节绿色加工的应用技术 Δ

第一节概述 环境、资源、人口是当今社会面临的三大问题。依靠科技进步，实现节资增效，减少废物排放，建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。进入21世纪，在制造业实施绿色制造已势在必行。切削加工作为制造业重要而应用广泛的加工方法正面临新的挑战，在此背景下，绿色切削加工技术应运而生。

什么是绿色加工 绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境产生有害影响的加工过程，其内涵是指在加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。绿色制造 GM－Green Manufacturing 环境意识制造 ECM－Environmentally Conscious Manufacturing 面向环境的制造 MFE－Manufacturing For Environment

为何需要绿色加工 环境污染、人身健康、能源危机可持续发展的观点

概述 • 绿色加工的内涵及目标制造业在创造了高度发达的物质文明的同时，也造成了严重的环境问题。绿色制造涉及的问题领域包括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题；三是资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分的交叉和集成。目标：优质、低耗、高效、清洁化绿色制造的问题领域

概述 • 绿色加工的分类根据绿色加工的追求目标：节约资源的加工技术节约能源的加工技术环保型加工技术根据采用的加工介质不同：自然绿色加工辅助绿色加工

绿色加工的研究内容 节省资源的加工方法的研究（物质流方面）节省能源的加工方法的研究（能量流方面）少、无污染加工方法的研究（环保的角度）在实际加工中通过改进加工工艺、工具、环境来实现

概述 • 绿色加工的发展绿色加工与绿色制造 1991 日本 “绿色行业计划” 1996 SME 《Green Manufacturing》 1998 SME 绿色制造的发展趋势绿色切削技术：干切削、少切削液的切削等绿色长成技术：激光快速成形等

绿色制造自提出以来受到了国内外各单位的高度重视，并展开了大量的研究。在国际上，特别是美国在这方面的研究已经比较深入。主要研究范围包括环境意识机床系统及其关键技术、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制造工艺技术等。部分研究结论已经被开发成软件原型系统。绿色制造自提出以来受到了国内外各单位的高度重视，并展开了大量的研究。在国际上，特别是美国在这方面的研究已经比较深入。主要研究范围包括环境意识机床系统及其关键技术、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制造工艺技术等。部分研究结论已经被开发成软件原型系统。 2003 德国 20％采用干切技术总制造成本 1.6％德国干式加工方面的研究和应用处于国际领先地位

概述国内高校对绿色加工技术\绿色制造的研究探索：清华大学绿色工程技术列为优先发展上海交通大学汽车可回收性绿色设计技术合肥工业大学机械产品可回收设计理论和关键技术及指标评价体系重庆大学国家自然科学基金和863／CIMS的关于绿色制造的项目

华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校也开展了绿色制造技术研究。国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校也开展了绿色制造技术研究。国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。国内对铸造、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，并初步建立了绿色制造工艺数据库的原型系统；还对面向绿色制造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。

我国“十五” 期间进行的主要研究内容 • 绿色产品设计评价系统模型的建立 • 绿色产品清洁生产技术 • 产品可拆卸、可回收技术 • 机电产品噪声控制技术 • 面向环境、面向能源、面向材料的绿色制造技术

概述绿色加工技术的发展方向： • 最优化绿色机械加工是最小的资源消耗和无环境污染。它是从整个企业和社会的综合成本考虑，对于不同的材料、零部件、设备经过综合分析，对冷却方式、冷却介质用量、加工参数进行优化处理，选择一个最合理的加工方案，使加工时间少，效益高，对环境无污染，综合成本最低(这是对整个企业乃至于整个社会来讲，不是仅单纯的指具体加工成本最低)。也就是从系统的观点出发，综合考虑各方面的因素，追求企业甚至社会整体最优。

集成化 加工过程不应是一个孤立的单独的加工过程，而应是考虑到各种因素的集成系统。通过网络和数据库把其它系统如MIS、绿色设计系统、质量保证系统、物能资源系统等和设备互联起来，实现加工过程中的数据交换和信息共享，从而融入到整个企业集成制造系统里，便于决策。

并行化 通过Internet可以将CAD/CAM/CAPP、MIS、ERP、MRP等相连，使得生产产品的每一个步骤当中都考虑到了产品整个生命周期的所有因素，如质量、成本、进度计划、用户需求、环境影响、资源消耗状况等，这是一个并行的加工过程。 • 柔性化企业必须对市场多样化需求和外界环境变化做出动态响应，生产出多样化的产品，因而在底层加工系统的柔性应比较好，可以根据不同的材料，不同的工件，不同的设备更换不同的方法，同时综合成本也是最低的。

概述 • 绿色加工的意义人们在回顾已走过的历程的同时，都在认真思考应该把一个什么样的地球留给子孙后代。绿色制造/绿色加工是实现生态工业和社会可持续发展战略的决定性因素与必由之路，它对经济、社会和环境的协调发展具有重要作用，采用绿色制造，使得在产品的整个生命周期过程中，能最大限度地减少对环境的负面影响，真正做到解决环境污染、节约原材料和能源、缩短生产周期、降低生产成本，提高企业的经济效益，实现经济、社会和环境三者之间的协调、优化的持续发展。绿色加工技术将带来21世纪制造业的变革！

第二节绿色加工的基本理论 • 绿色加工的基本特征技术先进性（实施前提）加工绿色性（最显著特征）加工经济性（必不可少的条件）最终特征：实现加工整体最优化 • 绿色加工的基本程序 5个基本程序: 预审→加工过程评审→绿色加工方案优选→方案实施→持续绿色加工

实施绿色加工的基本程序

绿色加工的基本理论 核心部分：加工过程评审、绿色加工方案优选 • 绿色加工过程评审绿色加工过程评审是对加工过程的现状及物流、能流等进行调查了解、诊断认识的过程。评审时，根据加工系统特点及其投入、产出关系，确定企业加工过程及加工系统中存在的“非绿色部位”。通过对加工过程及加工系统进行深入、客观的现状审核、分析研究以及对物料平衡和能流的分析，阐明加工过程及各加工单元的功能状态和特性，特别是有关加工过程中资源利用转化、能源物料消耗、废物产生排放的现状及差距。

在加工过程评审的基础上，针对系统中存在的差距，围绕加工过程中原材料投入、加工工艺及设备、生产运行管理、产品和废物内部循环等环节，对可能的节能、降耗、减污部位进行分析，寻找并确定可削减废物、提高能效、提高效率、降低成本等潜在因素。这些潜在因素包括：1）原材料替代和复用(或综合利用)；2）实施技术革新，对工艺流程设备进行改造;3）加强运行与维护管理；4）调整产品结构；5）产品报废回用及再生。上述各因素仅表示对加工过程进行优化的一种可能性，是制定绿色加工方案时需要考虑的一个方面，因此并不等同于实施绿色加工的具体措施。在加工过程评审的基础上，针对系统中存在的差距，围绕加工过程中原材料投入、加工工艺及设备、生产运行管理、产品和废物内部循环等环节，对可能的节能、降耗、减污部位进行分析，寻找并确定可削减废物、提高能效、提高效率、降低成本等潜在因素。这些潜在因素包括：1）原材料替代和复用(或综合利用)；2）实施技术革新，对工艺流程设备进行改造;3）加强运行与维护管理；4）调整产品结构；5）产品报废回用及再生。上述各因素仅表示对加工过程进行优化的一种可能性，是制定绿色加工方案时需要考虑的一个方面，因此并不等同于实施绿色加工的具体措施。

绿色加工方案优选 绿色加工方案的优选是按照绿色加工评价方法，对方案的基本特征进行评估

绿色加工的基本理论 根据对方案技术性、经济性、环境性的评估结果，即可推荐可具体实施的加工方案，要求所推选的方案与国内外同类方案相比具有先进性，并在本企业生产中具有适用性和可实施性，可获得显著的环境和经济效益。对于推荐方案应编制可行性分析报告，供主管单位组织专家论证。如在评估过程中未找到可行方案，就必须返回重新进行预审、评审程序。当确定的方案实施完毕后，应及时总结经验，找出缺陷与不足，然后再开始新一轮绿色加工的改进，即实现持续绿色加工。

绿色加工的基本理论 • 实现绿色加工的主要途径按照实施绿色加工的基本程序，确定了机械加工过程和加工系统中的“非绿色部位”，就可以按照选定方案实施绿色机械加工。实施绿色机械加工的主要途径为网络化、信息化、柔性化。 • 网络化制造的网络化，特别是基于Internet/Intranet的制造已成为重要的发展趋势。作为机械制造重要基础的绿色加工也需要大力推进网络化，通过企业局域网将各个分散的加工中心、数控设备等联接起来，可便于机械加工控制中心对整个加工进程进行总体监控，同时还可与企业中的工程设计系统、管理信息系统等各子系统实现集成，便于优化决策。

信息化 绿色加工的追求目标是实现整体最优化加工，即从系统的观点出发，全面考虑企业和整个社会的综合成本，综合分析不同的材料、零部件、设备等加工因素，优化选择冷却方式、冷却介质及用量、加工参数等，确定最合理的加工方案，以实现加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低的目标。信息化是实施绿色加工的关键要素及有效手段。为实现整体最优化加工，需要建立加工设备、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源等相关资料的机械加工数据库，采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种绿色加工方法(如高速切削、干切削、硬切削、MQL等)进行建模、仿真、虚拟加工和决策，并通过Intranet与企业的其它数据库系统互联共享,实现并行设计与生产。

绿色加工的基本理论 • 柔性化现代生产方式已由大批量!单一品种生产逐渐转变为小批量!多品种生产,要求生产企业能够根据市场变化作出敏捷反应,快速适应市场需求"绿色机械加工的柔性包括机器柔性!工艺柔性!运行柔性和扩展柔性"加工系统应能实现快速重构,对新产品开发及产品更新换代具有快速响应能力,以最小成本和最短时间适应加工任务及环境的变化"

绿色加工的基本理论 • 绿色加工工艺从节约资源的工艺技术方面来说，在机械加工中，绿色加工工艺技术主要应用在少无切屑加工技术、干式加工技术、新型特种加工技术三个方面。在机械加工中，绿色加工工艺技术主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法来进行加工。常规的加工方法例如车削、铣削、磨削等，都需要切削液来帮助加工，切削液在加工中的作用主要有冷却、润滑、排屑和清洗的作用。干式加工是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。由于在加工过程中不采用切削液，所以可获得洁净无污染的切屑，省去了切削液及其处理的大量费用。

绿色加工工艺技术

绿色加工的基本理论 • 绿色加工的关键技术绿色机械加工技术主要从选材、生产加工方法、加工设备三方面来实现。 • 材料选择材料选择包括产品材料和辅助材料的选择，应立足于减少不可再生资源和短缺资源的使用量，且应符合易加工、低耗能、少污染、可回收的原则。绿色加工关键技术

绿色加工的基本理论 • 绿色生产相对于真正的绿色生产技术而言，这里所提到的绿色生产仅仅指生产加工过程。在这一环节，要想为绿色制造做出贡献，需从绿色制造工艺技术、绿色制造工艺设备与装备等入手。在实质性的机械加工中，在铸造、锻造冲压、焊接、热处理、表面保护等过程中都可以实行绿色制造工艺。具体可以从以下几方面入手：改进工艺，提高产品合格率；采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素；减少产品生产过程中的污染物排放，如减少切削液的使用等。目前多通过干式切削技术来实现这一目标。

加工设备 1、刀具技术干式加工对刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性，良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性，在对刀具的几何参数和结构设计时，要满足干切削对断屑和排屑的要求。对韧性材料的加工来说，断屑是很关键的，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。刀具材料的发展使刀片可承受更高的温度，减少了对润滑的要求；真空或喷气系统可以改善排屑条件；复杂刀具的制造可解决封闭空间的排屑问题等。

绿色加工的基本理论 2、机床技术我国是拥有机床最多的国家，但我国机床技术落后，特别是数控、高效和自动化机床的占有率低，而干式加工技术的出现给机床设备提出了更高的要求。干式加工在切削区域会产生大量的切削热，如果不及时散热，会使机床受热不均而产生热变形，这个热变形就成为影响工件加工精度的一个重要因素，因此机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件刀具和机床上的热量。干切削时产生的切屑是干燥的，这样可以尽可能的将干切削机床设计成立轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板用绝热材料制成，在机床上配置过滤系统排出灰尘，对机床主要部位进行隔离。

3、辅助设备技术 辅助设备作为制造系统中不可或缺的一环，它的绿色化程度，对整个制造过程的绿色化水平有着极为重要的影响，甚至是关键性的影响。因此，人类在实现制造技术绿色化的征途上，辅助设备的绿色化是无法回避的。辅助设备包括工装夹具、量具等，夹具又分为通用夹具和专用夹具，其绿色技术主要体现在选用时尽量满足低成本、低能耗、少污染、可回收的原则。

第三节绿色加工的评价体系 确定评价指标体系是进行绿色加工评价的首要问题 • 评价体系（目标）传统加工：加工时间 T (Time) 加工质量 Q (Quality) 加工成本 C (Cost) 绿色加工：加工时间 T (Time) 加工质量 Q (Quality) 加工成本 C (Cost) 资源消耗 R(Resource) 环境影响 E( Environment) ··

绿色加工的评价体系 绿色加工在追求TQC的基础上，强调尽可能少地消耗资源R(这里的R主要指物料、设备资源和能源)和尽可能少地影响环境E，即形成绿色加工规划的T、Q、C、R、E的评价目标。绿色加工的评价目标

绿色加工的评价体系 各目标本身包括复杂的组成部分，可以用一个向量组表示： T( t1，t2，…….，tt) Q(q1，q2，……，qq) C(c1，c2，……，cc) R(r1，r2，……，rr) E(e1，e2，……，er) 绿色加工包括五大方面的目标，而每一个目标又包含多个指标，通过对加工工艺的分析研究，就可以得出绿色加工的评价指标体系

绿色加工的评价体系 绿色加工的评价指标体系

第四节绿色加工的应用技术 传统的切削与磨削加工中，切削液几乎是不可少的，它对保证精度、提高表面质量和生产效率有重要作用。前面也提到，随着人们的环境保护意识的增强以及环保法律法规的要求日趋严格，切削液的负面影响愈加被人们所重视，如污染环境、危害操作者身体健康、切削液的供给和管理费用高、切削液中的添加剂会造成零件的质量事故等。切削过程的研究亦表明，切削液具备的冷却润滑、和排屑等作用没有得到充分有效的发挥。因此，人们正试图少使用或不使用切削液，以适应21世纪清洁生产和降低成本的要求。因而产生了一系列的绿色加工应用技术。

绿色加工的应用技术 绿色加工技术从使用冷却液的情况可以分为一下几种： • 无冷却液机械加工 • 微量冷却机械加工 • 高压水射流切割 • 其它绿色加工

无冷却液机械加工 • 干切技术目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切削液，这是因为使用切削液会耗费大量的切削液和电能，日本一年耗费的切削液就达8亿升，而使用切削液所耗费的能量大约占整个机械制造工厂能量的1/10；切削液和切屑的处理费用高，目前与切削液相关的费用已占零件加工成本的14％～17％，若排出未经处理的切削液则会污染周围地区的生态环境；会直接污染车间环境和危害工人健康，切削液受热挥发易形成烟雾和产生异味，特别是极压添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中形成的物质会引发多种疾病。

然而，不使用切削液的干切削并不能简单实现，因为切削液起着三个重要作用：1）吸收和带走大量切削热，使传入刀具和工件的切削热非常少；2）在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜，既减少摩擦又抑制切屑粘连到刀具上；3）把切屑迅速冲走。最近十几年兴起的干切削技术，就是要在没有切削液的条件下创造与湿切削相同或近似的切削条件，这涉及刀具、机床、工件、加工方式与切削参数等多方面。干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。

无冷却液机械加工 • 干切削技术研究的现状干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。 1995年正式确立干切削的科学意义 1997年德国F.Klocke教授 “干切削”的主题报告 1999年 B.P.Erdel博士美国干切削发展的主题报告干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究。德国处于领先地位。我国干切削技术的研究也已起步，但在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小。

干切加工的刀具 设计干式切削刀具时，不仅要选择适用的刀具材料和采用的涂层，而且应当综合考虑刀具材料、刀具涂层和刀具几何形状之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件:1)刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性;2)切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小;3)刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热;4)刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。

无冷却液机械加工 1、采用新型的刀具材料近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料

无冷却液机械加工 • 超细硬质合金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，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。 • 陶瓷刀具(Al203,Si3N4、金属陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液。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，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。

立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200～HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200～HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。 • 聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000～HV8000，热导率可达2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。但在温度高于700度以上时易出现炭化现象。

无冷却液机械加工 2、采用涂层技术对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类: 一类是“硬”涂层刀具，如TiN,TIC和Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。

另一类是“软”涂层刀具，如:MOS2,W S等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20个螺孔;用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。

无冷却液机械加工 实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。

美国学者开发的纳米涂层(Nanocoatings)刀具，可采用多种材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能。

无冷却液机械加工 3、刀具几何形状设计干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。

第九章 绿色加工技术