绿色制造的关键技术

河南机电高等专科学校论先进制造工艺技术
系部：机械工程系
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日期：2012年10月20日
论先进制造工艺技术
一．绿色制造的关键技术
从/大制造0的概念来讲,制造的全过程一般包括: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。

如果在每个阶段都考虑到有关绿色的因素,就会产生相应的绿色制造技术.
1.1 绿色设计
传统的产品设计,通常主要考虑的是产品的基本属性,如功能、质量、寿命、成本等,很少考虑环境属性。

按这种方式生产出来的产品,在其使用寿命结束后,回收利用率低,资源浪费严重,毒性物质严重污染生态环境,形成一个/从摇篮到坟墓0的过程。

绿色设计的基本思想就是要在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中,将环境性能作为产品的设计目标和出发点,力求使产品对环境的影响达到最小[2]。

从这一点来说,绿色设计是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期,强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统性的分析与评价,消除潜在的、对环境的负面影响,力求形成/从摇篮到再现0的过程。

其与传统设计的主要区别如表1所示。

绿色设计主要可以通过生命周期设计、并行设计[3]、模块化设计等几种方法来实现.
1.2绿色材料选择
绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性,即在产品的整个生命周期内,这类材料应有利于降低能耗,环境负荷最小。

具体地说,在绿色设计时,材料选择应从以下几方面来考虑。

减少所用材料种类使用较少的材料种类,不仅可以简化产品结构,便于零件的生产、管理和材料的标识、分类,而且在相同的产品数量下,可以得到更多的某种回收材料.
1.3清洁生产
相对于真正的清洁生产技术而言,这里所提到的清洁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[5]来实现这一目标。

1.4 绿色包装现代商品的营销有五大要素,即产品、价格、渠道、促销和包装。

而在重视环境保护的世界氛围里,绿色包装在销售中的作用也越来越重要。

消费者更是对商品包装提出了4R1D的原则,即Reduce(减少包装材料消耗),Reuse(包装容器的再充填使用),Recycle(包装材料的循环利用),Recover(能源的再生),及Degradable(包装材料的可降解性)。

绿色包装是指采用对环境和人体无污染,可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。

首先必须尽可能简化产品包装,避免过度包装;使包装可以多次重复使用或便于回收,且不会产生二次污染。

如在摩托罗拉的标准包装盒项目方面,其做法是缩小包装盒尺寸,提高包装盒利用率,并采用再生纸浆内包装取代原木浆,进而提高经济效益
1.5绿色处理技术
在传统的观念中,产品寿命结束后,就再也没有使用价值了。

事实上,如果将废弃的产品中有用的部分再合理地利用起来,既能节约资源又可有效的保护环境,这也正是有些文献中所提到的绿色产品的可回收性及可拆卸性设计.
二．超精密加工技术
.2.1 工作原理
近年来在传统加工方法中金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位在非传统加工中出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法特别是复合加工如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等在加工机理上均有所创新
2.2超精密制造技术的应用范围
超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。

Renishaw、Heidenhain及SONY等公司发展了分辨率均可以达到1nm的测量元件美国HP公司、英国Taylor、美国zygo等公司的测量仪器均可以满足纳米测量的需求。

超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用。

与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜(HST)、飞机发动机转子叶片等与集成电路(IC)有关的硅片加工(要求硅片的加工表面粗糙度Ra一般小于2nm最高要求达01nm)此外光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米和纳米级。

导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等其表面粗糙度均要求达到纳米级。

另外光学非球曲面零件面形制造精度要求已达λ/(30—50)表面粗糙度要求≤05nm．
三．超高速切削和超高速磨削技术
3.1 超高速切削和超高速磨削技术在航空航天工业中的关键技术及应用航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。

飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。

有的整体构件的材料去除率高达9O％，采用高速切削可大大提高生产率和产品质量，降低制造成本，这也是高速切削技术在飞机制造业获得广泛应用的主要原因。

例如，波音公司在生产波音F／15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42％，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。

航空和动力工业部门还大量采用镍基合金(如inconel 718)和钛合金(如TiAI6V4)制造飞机和发动机零件。

这些材料强度大、硬度高、耐冲击，加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，属于难加工材料，至今一般仍采用很低的切削速度进行加工。

如采用超高速切削，刚其切削速度可提高到100～1 000 m／min，为常规切速的l0倍左右．不但可大幅度提高生产效率，而且可有效地减少刀具磨损，提高加工零件的表面质量。

3.2超高速切削和超高速磨削技术在纤维增强塑料中的应用
纤维增强塑料是机械工业常用的新型复合材料，分碳素纤维和玻璃纤维两大类，切削这种材料时，对刀具有十分严重的刻划作用，刀具很容易磨损。

当用金刚石刀具对这种材料进行超高速切削时(切速V=2 OOO～5 000 m／min，进给量S=l0～40 m／min)，上述问题都可避免，加工精度和效率将明显提高。

3.3超高速切削超高速切削和超高速磨削技术在模具制造业中的应用
模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。

而超高速加工切削力小，可淬硬HRC60的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。

这样可使生产效率大大提高，周期缩短。

3.4超高速切削和超高速磨削技术在汽车制造业中的应用
以高速加工技术为基础的敏捷柔性自动生产线被越来越多的国内外汽车制造厂家使用。

国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1．50分／辆；上海大众桑塔纳轿车自动生产线等。

国外如美国GM发动机总成工厂的高速柔性自动生产线、福特汽车公司和Ingersoll
机床公司合作研制的以HVM800卧式加工中心为主的汽车生产线等。

四.特种加工
电火花加工
4.1：定义：EDM，又称放电加工。

它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。

4.2：原理：在一定介质（煤油或水）基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状和表面质量预定的加工要求。

4.3：电火花加工的条件：必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，通常约为0.02~0.1mm；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化液或去离子水。

4.4：优点1适合于任何难切削导电材料的加工2可以加工特殊及复杂形状的表面和零件局限性1主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料2一般加工速度较慢3存在电极损耗
4.5：电火花加工的机理：1极间介质的电离、击穿，形成放电通道2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀（5000度以上）3电极材料的抛出（通道中心的压力最高）4极间介质的消电离
4.6：影响材料放电腐蚀的主要因素
1极性效应：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。

即使是相同材料，正负极的电蚀量也是不同的。

这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。

如果两电极材料不同，则极性效应更加复杂。

在生产过程中，我国常把工件接脉冲电源的正极（工具电极接负极）时，称正极性加工，反之称为负极性加工或反极性加工。

短脉冲时，采用正极性；长脉冲时，采用负极性。

从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，一般采用单向脉冲直流电源，不能用交流电源。

2电参数对电蚀量的影响：提高电蚀量和生产率的途径：提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量。

但是如果脉冲间隔时间过短，将产生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度也随之增大
3金属材料热学常数对电蚀量的影响：当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容等越高，电蚀量将越少，越难加工。

4工作液对电蚀量的影响：介质性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但粘度大难于电蚀产物的排出，影响正常放电。

目前，粗加工用机油，中、精加工用粘度小、渗透性好的煤油。

现在还用水基工作液，粗加工可代替油类。

4.7：电火花加工的加工速度和工具的损耗速度：单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，即生产率。

4.8：降低工具电极的损耗的途径：正确选择极性和脉宽；利用吸附效应；利用传热效应；选用合适的电极工具材料（石墨、铜碳、铜钨等合金）
4.9：影响加工精度的主要因素：1.放电间隙的大小及其一致性
2.工具电极的损耗及其稳定性
3.二次放电。

尽量缩小放电间隙，不但可以提高仿形精度，而且放电间隙愈小，可能产生的间隙变化量也愈小。

二次放电：指侧面已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。

（形成喇叭口）。

另外，电火花加工时，工具的尖角或凹角很难精确的复制在工件上，尖角变成圆角。

4.10：电火花加工的表面质量：表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能。

1对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量，能量越大，每次的蚀除量大，表面粗糙度恶化。

2表面变质层
分为熔化凝固层和热影响层。

3表面力学性能：显微硬度及耐磨性、残余应力、耐疲劳性能。

残余应力一般为拉应力，疲劳强度远远低于机械加工表面。

4.11：常用的电火花加工脉冲电源（单向脉冲）：RC线路脉冲电源（"张弛式"脉冲电源）、晶体管式脉冲电源、各种派生脉冲电源（1.高低压复合脉冲电源、2多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分组脉冲和梳形波脉冲电源、节能型脉冲电源）
4.12：电火花加工的自动进给调节系统：1具体见书30页，还有图要理解，已经理解好了。

2.对自动进给调节系统的一般要求：有较广的速度调节跟踪范围；有足够的灵敏度和快速性；有必要的稳定性；体积小、结构简单可靠及维修方便。

4.13：自动进给调节系统的基本组成部分：测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行环节（伺服电动机）、调节对象（工具和工件间的放电间隙（0.1~0.01mm））
4.14：五种放电状态：空载、火花、短路、稳定电弧、不稳定电弧。

图见书就好。

第三章点火花线切割加工一：定义电火花线切割加工（WEDM）是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，有时简称线切割。

电子束加工的原理：
1在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。

只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；使材料熔化和气化，就可进行打孔和切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，可进行电子束光刻加工。

2电子束加工的特点：
加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法；非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，被加工材料范围广；生产率很高；过程便于实现自动化；加工污染少，适用于加工容易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料；价格贵，生产应用有一定的局限性。

3.电子束加工装置由电子枪、真空系统、控制系统和电源组成。

应用：高速打孔、加工型孔及特殊表面、刻蚀、焊接、热处理、电子束光刻。

4离子束加工原理：
与电子束加工相似，在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面，不同的是，离子质量比电子大数千数万倍，离子束加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。

5. 离子束加工的物理基础：
离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。

4. 离子束加工分类：离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀、离子注入。

6. 离子束加工的特点：离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础；在高真空中进行，所以污染少；加工应力、热变形等极小，加工质量高，；加工设备费用高，成本高，加工效率低。

7. 离子束加工的应用：刻蚀加工、镀膜加工、离子注入加工
参考文献
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