数控技术之绿色制造

数控技术之绿色制造
一、绿色制造简介
在全球经济高速发展的同时, 人类对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺和环境污染等一系列问题。

制造业是创造人类财富的支柱产业, 为人类社会的发展起到了很大促进作用, 但是又是环境污染的主要源头。

为缓解这些问题带来的危害, 必须坚持科学发展观, 实施可持续发展战略, 各国专家普遍认同, 绿色制造是解决机械制造业环境污染问题的根本方法之一, 是控制环境污染源头的主要途径。

绿色制造又称为面向环境制造( MFE) 、环境意识制造( ECM) 等, 其基本观点是协调解决环境和资源两大社会问题,目的是充分利用资源, 减少废弃物的产生, 减少机械制造业对环境的负面影响。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式, 产品从材料的获取、设计、制造、包装、运输、销售、使用和废弃回收, 最后回到土壤中的整个生命循环过程, 使制造业对环境负面影响最小, 资源利用率最高, 产生的废弃物最少, 使企业经济效益和社会效益协调发展。

绿色制造内涵很广, 传统意义上的制造是产品的制造过程, 主要表现为机械加工过程, 即通常称为“小制造”。

绿色制造是一种现代制造模式, 涉及制造工业中的产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和报废处理等一系列相关活动, 因此绿色制造是“大制造”的概念。

绿色制造是人类可持续发展战略在制造业的体现, 它考虑环境和资源既要满足经济发展的需要, 又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要, 从而形成了一种综合性的发展战略, 具有重大的社会效益。

绿色制造将是21 世纪企业取得显著经济效益的机遇实施绿色制造, 最大限度的提高资源利用率, 减少资源消耗, 可直接降低消耗, 从而直接降低成本; 实施绿色制造减少或消除环境污染, 可减少或避免因环境问题引起的处罚; 由于绿色制造是从源头控制了污染, 实行预防为主, 将污染物消除在生产过程之初, 降低了企业环境污染处理费用。

绿色制造环境将全面改善或美化企业员工的工作环境, 有助于提高员工的主观能动性和工作效率, 未来的市场是绿色产品的市场, 因此绿色制造对企业的发展是一种机遇。

绿色制造从“大制造”的概念来讲, 包含生命周期的全过程: 产品设计、工
艺规划、材料选择、生产制造、包装运输、使用和报废处理等阶段。

在每个阶都要考虑绿色制造, 于是就产生相应的绿色制造技术。

二、绿色制造技术
1.绿色高速干式切削技术
1.1 高速干式切削
干式切削在加工过程中不使用切削液,切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用,所以:(1)因缺少润滑,加工中的切削力会大大增加,刀具与工件间的振动会加剧,加工表面质量变差,刀具磨损加快,使用寿命缩短。

另外,由于刀具分屑困难,堵塞容屑槽,损坏工件已加工表面。

而残留切屑可能导致夹紧误差,损坏机床导轨等。

(2)因缺少切削液的冷却,加工瞬间会产生大量热量,且主要集中在切屑中,影响切屑的成型,还会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上,影响后续切削,加剧刀具磨损。

(3)因摩擦工件和刀具的温度升高,刀具磨损加快,工件产生残留应力,刀具和工件发生热变形,表面质量降低等问题。

(4)因热量没从机床的主体结构中排出,不能保持热平衡,床身、立柱等构件会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形,影响加工精度。

在工艺相同的情况下,高速切削加工优势有:(1)提高切削速度,单位时间内的材料切除率增加,切削加工时间减少,可大幅度提高加工效率,降低加工成本。

(2)提高切削速度,切削力随之减小(30%以上),利于刚性较差和薄壁零件的加工。

(3)切屑的高速排出,带走90%以上的切削热,工件受热大幅减少,零件内应力和热变形减小,加工精度提高。

(4)作为切削中产生振动的主要激励源,切削力随切削速度的提高而降低。

使切削系统的工作频率远离机床的粗糙度敏感的低阶固有频率,大大降低表面粗糙度。

干式切削与高速切削二者结合,发挥了各自的长处,形成高速干式切削加工。

高速干式切削工艺不是简单地停止使用切削液,关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法,在无切削液的同时,保证切削过程的可靠。

1.2 高速干式切削加工中机床和刀具的选择
高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大,故需重
新权衡和选用切削参数,使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。

1.2.1干式切削的机床技术
干式切削的理想条件应是在高速切削条件下进行,以减少传到刀具、工件和机床上的切削热量,干式切削应与高速数控机床相联系。

高速切削机床技术的发展给干式切削的实现创造了良好的条件。

为了便于排屑,干式切削机床在结构上应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身,便于将大量热切屑排出,机床上应配有自动排屑装置。

因此,干切削机床在结构和功能上有其特殊性。

[3]
1.2.2 干切削刀具材料
干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性、耐磨性和热韧性,而且还必须有良好的耐热性、耐热冲击和抗粘结性；切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。

目前用于干切削的刀具主要有:陶瓷(Al2O3,Si3N4)和金属陶瓷(Cermets)材料刀具,其硬度在高温下变化不大,具有很好的红硬性,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,较适用于进行干车削而不适用于干铣削。

而氮化硅(Si3N4)特别适合于在断续切削和铸铁有砂皮情况下对铸铁和球墨铸铁进行干切削。

立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石(PCD)、超细晶粒硬质合金等各具特点的超硬刀具材料也广泛使用于干切削。

超细硬质合金刀具具有很好的耐磨性和耐高温性,又具有极好的韧性和刃口强度,但并不适合所有的加工场合。

可用于制作大前角刀具如钻头、深孔钻、刀片等,用于干式铣削和钻削；
1.2.3 干切削刀具的涂层技术
涂层材料的化学稳定性好、红硬度高、绝热性好等优点,能减少刀刃与工件表面的磨擦,起到润滑液的作用。

干切削刀具涂层技术是在刀具的刀体上涂上一层或多层不同性质的材料,从而具有对刀具整体性能的加强和提高的作用。

刀具涂层技术发展非常迅速,涂层材料种类繁多,多达l5种以上,涂层工艺也日趋成熟,有的刀具在刀体上的涂层多达l3层。

另一种很有前途的涂层新工艺叫等离子注入,它是用“射入”金属离子的办法有效地形成点阵结构,并可深入刀具基体内部,这种方法能提高刀具硬度但不会改变其尺寸,这一点对精细刀具的干式切削尤为重要。

1.3 干切削刀具的几何参数
在干式切削加工中,选择适合于干式切削加工要求的刀具几何形状非常重要。

干切削还应根据不同的加工条件考虑优化刀具的几何参数。

而在封闭空间进行干切削时,则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。

1.4 高速干式切削法的特点
首先,由于省去了油屑分离过程,无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及电气设备,机床结构非常紧凑。

其次,极大地改善了加工环境。

另外,没有冷却润滑油剂的配制和回收费用以及工件的清洗费用和油屑分离费用,加工费用大大降低。

干切削技术是一项系统工程,涉及刀具、机床、工艺、材料和生产管理诸多方面的改革和创新。

干切削作为一种新的切削工艺与高速切削是相辅相成的。

随着制造业对绿色环保的要求越来越高,高速削技术作为一种绿色制造工艺对于节省资源、保护环境和降低成本具有重要意义。

2.切削液技术
2.1切削液的应用与影响
切削液广泛应用于机械制造业中，在切削加工过程中起到了冷却、润滑、清洗、防锈等作用，由此得到提高加工表面精度、提高产品尺寸精度、提高工具的使用寿命、降低机器的能耗、提高碎屑排除功能的效果。

然而，切削液也有较多不利影响。

（1）对环境的不利影响,当直接排放或者焚烧加工过程中产生的废液、废油等有害物质时，会造成水资源和大气的污染；另外，在加工形成的切屑上会残留切削液，如处理不当也会造成土壤污染。

（2）对身体健康的影响，首先，切削液含有添加剂（如常用作杀菌剂的苯酚类物质）具有较大毒性，会对人体造成危害；其次，由于切削液含具有脱脂作用的表面活性剂、刺激性防腐菌剂以及碱性物质，这些物质会引起严重的皮肤病，如干燥、皮炎、开裂、红肿、化脓等现象，还会刺激呼吸器官。

（3）不安全性，由于切削液中添加剂的存在，会对
设备有一定的腐蚀、引起生锈，同时添加剂也是引发火灾因素之一。

2.2最小润滑技术
干式切削加工是不采用任何切削液的加工，它可以从根本上消除传统湿式加工易污染环境的弊端，是切削技术的一场深刻革命。

由于干式切削符合当今发展绿色制造技术的要求，因而是一种非常有前途的切削新技术。

但干式切削具有温度高、切削力大等特点，又出现了一系列湿式加工中没有的问题。

目前干式切削技术还很不成熟其应用范围也很有限。

而传统的湿式切削又有诸多不足。

因此有人提出了准干式切削加工技术。

准干式切削是一种介于湿式切削和纯粹干式切削之间的切削方式又称为最小润滑技术。

准干式切削采用喷雾冷却方式它用极少的切削液而起到较好的冷却和润滑作用。

2.3集中冷却润滑系统
集中冷却润滑系统是把多台机械加工设备各自独立的冷却润滑装置合并为一个冷却润滑系统。

这种系统的主要优点是:(1)延长切削液的使用寿命;(2)易于实现对切削液性能指针的自动控制确保切削液质量;(3)废液量较少且便于集中处理，有利于保护生态环境；(4)便于维护、保养和管理;(5)便于切屑运输和进行集中处理等等。

2.4实现切削液质量管理自动化
保证切削液长期稳定地满足各种质量要求和充分发挥经济效益，关键在于严格而科学的日常管理。

随着机械加工自动化程度的不断提高和无人化工厂(车间)的出现，在冷却润滑系统中实现对切削液的自动检测和自动控制已势在必行。

这种检测和控制系统可自动检测和控制切削液的工作温度、使用浓度、PH 值、微生物数量和气味等，并可对切削液的失效进行预报。

高性能、长寿命、低污染切削液及其废液处理技术随着机械工业整体技术的发展机床切削速度更快，切削负荷更大，切削温度更高，同时不断有新工艺出现来适应新材料的加工，这都需要新型的高性能切削液满足加工要求;同时根据劳动卫生和环境保护的要求切削液中应尽量不含有危害人体健康和生态环境的物质。

近年来我国进口的数控机床、加工中心等先进设备越来越多，其使用的切削液若从国外进口，运输不便，成本很高。

因此，研制高性能切削液以替代进口产品已是当务之急。

在
我国，水基切削液使用范围越来越广且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。

在发达国家微乳化液已普遍使用正大力研制环保型切削液。

2.5液氮冷却技术
利用液氮进行低温(超低温)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。

氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔。

使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回到大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种有前途的切削掖替代品。

液氮冷却有直接和间接两种应用方法。

直接应用。

即将液氮作为切削液直接喷射到切削区。

一般来说，由于刀具磨损严重，金刚石刀具不能用来加工黑色金属。

而美国一学者采用液氮冷却系统对不锈钢用金刚石刀具进行车削加工，由于低温抑制了碳原子的扩散和石墨化，大大减少了刀具磨损，并取得了极好的加工质量，其表面粗糙度达到Ra25µm。

磨削加工时会因磨削区高温常常对工件表面造成热损伤如烧伤、微裂纹等，为有效解决这些问题，印度工学院S.Paul用液氮超低温冷却磨削五种常用钢材，结果表明，正确合理地使用液氮冷却，可有效控制磨削区温度使磨削温度保持在材料发生相变温度之下而不发生磨削烧伤;并且在材料塑性增大和较大进给量情况下，这种效果更加显着。

对于非金属材料和复合材料的液氮冷却切削加工,国外也开展了广泛研究。

如FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)是一种高强度/重量比、耐疲劳的复合材料，用传统切削方法加工非常困难，因而限制了这种材料的使用。

新西兰学者对其进行超低温冷却加工，使用液氮不间断冷却(0.4-0.5 L/min)极大地改善了这种材料的切削加工性不但获得了满意的加工表面质量，还在很大程度上延长了刀具寿命。

采用低温切削热固性塑料、合成树脂、石墨、橡胶和玻璃纤维等材料时也均显示出良好的切削性能。

间接利用。

主要是刀具冷却法，即在加工中不断地冷却刀具，使切削热快速从刀具上、特别是刀尖处被带走，刀尖始终保持在低温状态下工作。

美国林肯大学的学者利用一种配备新型冷却系统的PCBN刀具进行了试验研究。

这种刀具是在车刀上部的方盒内储存液氮由进口输人，从出口流出。

试验表明，使用液氮冷却时车刀寿命延长倍磨损降低1/4并可获得较低的表面粗糙度。

还有一种特殊的间接利用方法为喷气冷却。

日本一些学者研制出喷气冷却系统。

该系统使用的冷却气体是由液氮在热交换器中冷却过的，其温度低于—50℃冷却气体直接喷射于磨削点。

实验发现磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液磨削时要大，残余压应力的分布区域也变宽了。

而残余压应力可提高零件的抗疲劳寿命，这对一些零件，如飞机零件等十分重要。

采用固体润滑剂处理过的CBN砂轮，或加工中添加极少量超精植物油，可在加工中起到较好的润滑作用。

3 超声振动切削
切削温度是通过压缩工件和工具之间生成的。

控制切削温度的基本方法是在过程中消除挤压。

所以它是需要创建一种纯切削机制通过没有挤压来消除产生的温度。

在1950年代,日本学者,发明了超声振动切削技术。

后来学者进行了大量的研究超声波振动切削,并获得了比较传统金属切削更好的效果。

超声振动刀具可能使切削温度接近室温,好的切割机制可能实现真正意义上的干式切削。

学者进行了大量的研究超声波振动切削和干切削实验。

实验结果表明,超声振动的质量要求可能满足或超过磨削,工具承受更少的磨损。

3.1原理和超声振动切削机理
超声波系统是安装在纵向滑动马车的车床[7],使得超声系统一起移动。

应用超声波的工具,该工具产生扭转振动和超声振动频率f,方向是沿着圆和幅度约为0.015毫米，结果超声振动结果在表1中列出。

表1表明,表面粗糙度和冷加工硬化在超声振动钻孔低于传统的钻孔，而且只有有很小的刀具磨损，切割温度接近室温，这是因为超声波振动有很优越的切削机理。

3.1.1脉冲能量集中于微切割装置
超声振动原理图如图1所示。

当V〈1/3Vcr,V是切割速度和Vcr是临界切割速度。

当切削速度是在符合方向的振动速度、工具分开与工件,不生成切屑。

如果两个方向相反的,产生切屑，切割过程中是常规和不连续的。

切削力的波形显示在Fig2中。

生成的常规脉冲力本着测试材料和能源的脉冲力集中在微切割装置是高度集中在时间、空间和强度，脉冲能量释放是在不到万分之一秒内。

切割单元的有效面积计算是进给速率(t)*以切削速度(v)/工具振动频率(f)。

加工表面通过分为许多小单位，一层一层被去除，切割后的表面从微观来看是很统一的。

加速器的超声波脉冲是22657 g, g是引力加速,当振幅a = 0.013和振动频率f = 20.8 khz，这个材料就是在这种情况下削减。

3.1.2减少或消除切削温度和弹性挤压
弹性挤压是由超声振动切削技术在加工过程中消除,切割变形也在常规脉冲
切削下最小化。

这个切屑收缩系数几乎为1，切屑是细和长、等厚度、背部明亮,没有任何改变颜色和高延展性的，因为消除乐弹性挤压，切削力也就大大降低，切割温度几乎和室温一致。

在切屑加工区域不会有烧灼的感觉，没有明显的磨损切削过程，因此大大提高了刀具寿命。

3.1.3消除微弹性振动和大大降低振动切削力
根据振动理论,当f / f0> 3是系统稳定,工件和工具之间的位移是相对静态。

一般来说,系统自然频率f0是少于5 khz,超声波频率大于18kHz。

因此,工件和刀具之间的位移在误差敏感范围内是静态位移。

在一个周期T内,切割时间tc =(1/3 ~ 1/10)T,因此切削力大大降低。

3.1.4减少粘着磨损和消除加速热
超声工具是每秒振动20000次,产生巨大的能量,所以切屑几乎不能附着在工件上。

同时,空气可以冷却切削区域,而不需要切削液在超声振动切割。

切削温度是接近房间温度,所以几乎没有刀具磨损。

3.2实验应用超声波振动进行干式钻孔的和在潮湿环境下的钻孔
分别使用干式超声切削和潮湿超声振动切削对材料40CrMnSiNoVA(50 ~ 55 HRC)和1Cr18Ni9Ti进行实验，两个切削温度是封闭下的房间温度。

表二显示了表面粗糙度和冷加工硬化程度在潮湿环境下超声振动切削。

对比表1和表2,切削液几乎没有影响表面的主要参数。

超声波振动切削可能实现真正意义上的干式切削。

干式切削技术是一项系统工程,涉及刀具、机床、工艺、材料和生产管理诸多方面的改革和创新。

干切削作为一种新的切削工艺与高速切削是相辅相成的。

同时，液态氮技术以及超声波振动技术对切削液又是一个新的挑战，通过智能化的处理，超声技术也将广泛的应用于机械制造。

随着制造业对绿色环保的要求越
来越高,不管是高速切削技术，液态氮还是超声振动技术作为绿色制造工艺对于节省资源、保护环境和降低成本具有重要意义。

三、干式切削技术与智能化结合
21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统, 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面: 为追求加工效率和加工质量方面的智能化, 如加工过程的自适应控制, 工艺参数自动生成; 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化, 如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等; 简化编程、简化操作方面的智能化, 如智能化的自动编程、智能化的人机界面等; 还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

例如，高速干切削过程智能监控及工艺研究，采用很高的主轴转速、刀具进给速度以及不使用切削液，使得加工过程变得更加复杂和充满变数，刀具的磨损、崩刃、温度过高等危险性显著增加。

因此出于加工的效率、精度、安全性和绿色制造方式考虑，研究一套性能稳定功能齐全的在线加工过程监控系统成为一个挑战。

通过虚拟仪器软件开发环境(LabVIEW)设计出具有信号实时采集和存储、采集参数设置、信号动态显示、信号基本特征的实时抽取等基本功能的各类虚拟仪器面板。

对切削过程中各加工信号进行可视化采集和综合分析处理。

"虚拟仪器以计算机为统一的硬件平台，配以具有测试和控制功能硬件接口卡，通过系统管理软件的统一指挥调度来实现传统测控仪器的功能。

与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。

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