机械制造业是工业化建设的火箭引擎。在过去四十年的时间里，国内机械制造业一直保持着高速增长，推动中国成为名副其实的世界工厂。另一方面，国内机械制造业采取是的传统机械加工技术，在生产过程中会消耗、浪费大量原材料，并严重污染环境。——为促进机械制造业长期可持续发展，应积极应用绿色机械加工技术。
一、传统机械加工技术的缺陷
长期以来，国内机械制造企业使用传统机械加工技术对金属材料进行锻压、切削、加工，但生产的机器零件却以低端产品为主，精度低、附加值不高。在生产过程中，每年要产生大量废物。每生产1吨机器零件的能源消耗量是发达国家的两倍，每年消耗的钢材超过1000万吨，钢材利用率只有60%，每年浪费的金属材料价值至少超过1亿元，而生产效率却只有日本的十分之一，切削速度只有日本的三分之一，废品率却高达10%（这一数字是日本的两倍[1]）。
在传统机械加工中，必须使用切削液对刀具与加工件进行冷却、润滑，减少刀具与加工件相互之间的摩擦。大量使用切削液又会使机器零件的生产成本大幅上升（在有些零件加工过程中，每分钟须使用80～100L切削液）。据分析，刀具消耗仅占机器零件制造成本的2%～4%，而切削液消耗则占机器零件制造成本的14%～17%，消耗的电能占机械制造企业总能耗的十分之一。
切削液中，含有大量有毒有害物质：乙二醇、四硼酸钠、偏硅酸钠、磷酸钠、妥尔油酸钠盐、石油酸钠盐、合成脂肪酸、石油磺酸钠、聚氧乙烯烷基酚醚、高速机械油、聚乙二醇、氯化石蜡、环烷酸铅、三乙醇胺油酸皂、工业机械油、氯化石蜡、硫化油酸、石油磺酸钡、油酸、三乙醇胺（国内许多品牌的切削液中甚至含有早已明令禁止的亚硝酸盐）。切削液受热挥发后会产生化学烟雾，污染环境。工人长期接触切削液，轻则罹患皮肤病，重则致癌。
二、在机械制造业中推广应用绿色机械加工技术
有鉴于传统机械加工技术的种种缺陷，一九九六年，美国制造工程师学会提出“绿色制造”的概念。经过二十多年的发展，目前，国外绿色机械加工技术已经趋于成熟，并被广泛应用于机械制造行业。
（一）高速干式切削技术
高速干式切削，指的是机械加工过程中，有意识地少用或不用切削液的加工技术。高速干式切削可大大提高切削速度，增加单位时间内的金属材料进给量与切削深度，同时减少切削加工时间，降低至少30%的切削力，提高零件的加工精度[2]。
应用高速干式切削技术，须选用三刚度高的高速数控机床，机床工作台四周应设置倾斜的隔板，或改变机床布局以便于排屑。还须通过注入油液、设置冷水降温装置等方式提高数控机床的热稳定性。数控机床的刀具材料宜选用超细颗粒硬质合金或聚晶金刚石，刀具表面须设置TiN涂层或MoS2涂层；设计刀具外形时，须增加刀具的正前角与刃倾角。进行高速干式切削时，还须根据实际情况认真选择切削参数。
目前，30%的德国制造企业已经采用干式切削技术进行大批量生产。实践证明：干式切削可以每分钟15米的切削速度在低碳结构钢上加工1000个螺孔，以每分钟20米的切削速度在HT300铸件上加工4000个螺孔，而加工成本则下降44%，滚刀寿命提高六倍以上。
但高速干式切削技术在国内机械制造企业中应用规模较小，尚待推广。
（二）液氮冷却切削技术
液氮冷却切削是将-196℃的液氮送入机床中的切削点，替代切削液的切削方法。
液氮冷却切削通常采用两种方式，一种方式是在一定压力下将液氮罐中的液氮直接注入切削区；另一种方式是使液氮受热蒸发，间接冷却加工件与刀具。
液氮温度极低，可使切削区局部迅速进入超低温状态，利用热胀冷缩原理降低工件材料的塑性、韧性，完成快速断屑，减少刀具磨损；同时保持准确的尺寸公差，提高陶瓷刀具的强度、韧性、硬度[3]。
液氮冷却切削技术具有良好的经济效益、技术效益、环保效益。
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（三）干冰冷却切削技术
干冰冷却切削技术使用DIPS系统，将30微米的干冰颗粒喷射至机床切削区，使其瞬间气化膨胀，起到绝热效果，从而抑制切削过程中的异常发热。据实测，采用该方法，切削区温度不超过80℃，而切削速度可提高3～5倍，刀具寿命也可延长3～5倍，加工成本可降低5～10倍。而且清洁环保，无任何污染。该技术可适用于不锈钢、钢材、高镍合金、钛合金等多种金属材料。
（四）激光加热切削
激光具有高度的定向性，颜色极纯，能量极大。以激光束为热源，对工件进行局部加热，使工件受照射部位的强度与硬度下降，再使用刀具进行切削，可节约25%的切削力，将刀具寿命延长1倍；并可对工件进行精细化加工。
（五）超声振动切削技术
给刀具沿一定方向施加超声频（20KHz的频率）振动，进行振动加工。超声振动切削可在普通机床上进行精密加工，并且实现零误差。可节约2/3～90%的切削刀，并提高刀具的耐用度与工件的耐磨性、耐腐蚀性。
（六）绿色环保切削液
目前，国外企业已推出拉克龙205合成切削液、MILACRON切削液等多种绿色环保切削液。这些绿色环保切削液不仅具有极好的润滑性，而且不含硼、氯、酚等有毒有害物质，可明显改善操作环境，保护工人健康[4]。
三、展望绿色机械加工技术的发展趋势
（一）网络化
今天，互联网时代已经进入第三十个年头，物联网技术正在从构想走向现实。而绿色机械加工技术也必将与物联网深度融合，机械制造企业将通过物联网系统联接数控机床，设计师、用户，对工件进行精细化加工，从而将工件质量提高至一个新的等级。
（二）信息化、智能化
今天，虚拟现实技术、增强现实技术、人工智能、机器人技术已经异军突起，而绿色机械加工技术也将与信息化技术、智能化技术相结合。在不久后的将来，机械制造企业将应用人工智能技术全面分析材料的性质，根据客户要求制定最佳施工方案，并精细化确定加工参数，实行智能化切削。而操作人员也将通过增强现实技术，实时调控切削速度、切削量、进给量、背吃刀量。有条件的机械制造企业还会采用机器人进行全自动切削，将人工成本下降至零。
（三）纳米化
不断提高金属切削的精度，一直是机械加工技术永恒的主题。目前，高精加工已从毫米级发展至微米级、亚微米级；但与金属资源、能源储量急剧下降的趋势相比，切削精度仍显更高。——一九九〇年代，纳米技术横空出世，该技术着重研究纳米级别材料的性质与应用（1纳米=10-6毫米=0.001微米）。经过二十多年发展，纳米技术正在走向商业化[5]。相信在不久后的将来，纳米技术便将全面应用于绿色机械加工技术，对工件实施纳米级的切削，金属材料在切削过程中浪费30%～40%的现象将永远成为历史。
结束语
虽然绿色机械加工技术至今仍然存在价格昂贵、工艺复杂等不足，但该技术的发展前景是广阔的。在机械制造业中大力推广、应用绿色机械加工技术，有利于保护环境、提高金属材料的利用率，减少资源与能源的消耗，降低企业的生产成本，促进机械制造业长期可持续发展。
参考文献：
[1]周兆祥,王健.浅谈绿色机械加工技术应用现状和未来前景[J] .科技经济导刊, 2018, 26(06):46 .
[2]廖艳萍.浅谈绿色机械加工技术应用现状和未来前景[J] .科技风, 2017(20):133-134 .
[3]马骢.绿色机械加工技术的应用及发展前景探究[J] .科技创新与应用, 2017(16):162 .
[4]姚翠萍,张文杰.绿色机械加工技术的应用分析与发展探讨[J] .技术与市场, 2017,24(01):72 .
[5]郭鹏,李琳,李洪彬.浅析我国绿色机械加工技术的现状及发展[J] .世界有色金属, 2016(21):86-87 .
论文作者:李超,崔文霞,谭恺阳,李晓辉,刘晓可
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/11
标签：技术论文; 机械加工论文; 刀具论文; 工件论文; 液氮论文; 加工论文; 切削液论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;