废液广东水利电力职业技术学院广东工贸职业技术学院

广东工贸职业技术学院现代制造技术发展第十二节绿色制造模式Page

1广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史12.1概述一、绿色制造背景1.制造业对环境的污染环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。如何最有效地利用资源和最低限度地污染环境，是当前制造科学面临的重大问题。被污染的河流2广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史被污染的风景区瀑布3广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史工业垃圾4广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史工业垃圾5广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史资源枯竭和环境污染的重要源头是制造业。制造业在将制造资源转

变为产品的过程中，以及在产品的使用和处理过程中，会消耗大量资源，并产生很多废弃物，对生态环境造成直接或间接的危害。6广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史7广东工贸职业技术学院8现代制造技术发展史对环境的破坏：①全球气候变暖。②同温层臭氧耗竭和地面臭氧污染。③大气污染。④淡水危机和水污染。⑤固体废弃物。⑥生物资源减少。⑦矿产资源消耗。⑧土地资源退化。广东工贸职业技术学院9现代制造技术发展史2、可持续性发展问题①资源的可持续利用再生资源的利用不应超过资源的再生能力；单一的再生资源在生态上的持续性利用所引起的生态系统的不可持续性；人类已经导致某些特定再生资源的利用暂时超过它们的再生能力，要采取行动保护资源不致不可持续利用，对已经不能持续利用的部分必须及时地补充再生资源的替代物，或至少要用其所产生的效益进行资源补偿；利用处在灭绝或不可持续开发危险之中的特殊再生资源，例如野生动植物等，应遵守自然、道德和精神的原则，同时应提供可供选择的方案，使它们恢复其正常的再生能力；非再生资源的利用不应超越其替代物产生的速率。广东工贸职业技术学院10现代制造技术发展史②环境保护在传统的国民生产总值（GDP）的核算中，应将由于经济增长对自然资源和环境状况造成的损害情况考虑在内。③清洁生产将综合预防的环境策略持续地应用于生产过程和产品之中，以便减少对人类和环境的风险性。对生产过程而言，清洁生产包括节约原材料和能源、淘汰有毒原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前即减少其数量和毒性。对产品而言，清洁生产旨在减少产品在生命周期(包括从原料提炼到产品用后的最终处置)中对人和环境的影响。广东工贸职业技术学院11现代制造技术发展史④可持续消费可持续消费是一种通过选择既不危害环境又不损害未来各代人的产品与服务来满足人们的生活需要的一种理性消费方式，它是一种服从于全球可持续发展目标的消费方式。可持续消费的原则是公平和公正：代际公平和代内公正广东工贸职业技术学院12现代制造技术发展史二、绿色制造定义绿色制造（Green

Manufacturing），又称环境意识制（Environmentally

Conscious

Manufacturing）、面向环境的制造(Manufacturing

for

Environment,MFE)。绿色制造不仅涉及制造科学问题，还涉及环境科学和管理科学领域的问题。有关绿色制造的研究可追溯到20世纪80年代，但比较系统地提出绿色制造的概念、内涵和主要内容的文献是美国制造工程师学会于1996年发表的关于绿色制造的蓝皮书《Green

Manufacturing》。广东工贸职业技术学院13现代制造技术发展史定义：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，其目标是使得产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的损害最小，不损害人体健康，对资源利用效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史①绿色制造涉及产品全生命周期。产品全生命周期包括了从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用的全过程。(原材料获取、生产、运输、销售、使用维护、再使用、再循环和处置)14广东工贸职业技术学院15现代制造技术发展史②绿色制造主要涉及两个问题:环境影响问题和资源优化问题。③绿色制造不仅涉及制造科学问题，还涉及环境科学和管理科学领域的问题。④绿色制造必须与市场需求、经济发展相适应。随着相关科学技术的发展，绿色制造的目标、内容会产生相应的变化和提高，也会不断地走向完善。广东工贸职业技术学院16现代制造技术发展史四.绿色制造研究内容绿色制造的理论体系和总体技术。绿色制造单项技术：绿色设计，绿色产品，产品绿色性评价技术；绿色材料；绿色生产过程（如绿色机械加工）；产品可拆卸可回收技术(包括：以汽车、家电为对象，研究产品可卸性和可回收技术，建立拆卸和回收生产基地)；机电产品噪声控制技术(包括：以量大面广的典型产品为对象，研究噪声控制技术和材料)；面向环境、面向能源、面向材料、面向可拆卸性的绿色制造技术；绿色再制造技术(again

manufacturing)。广东工贸职业技术学院17现代制造技术发展史12.2绿色产品绿色产品(GreenProduct)是指在产品整个生命周期过程中，对人类及生态环境无危害或危害少、资源利用率高、能源消耗低的产品。绿色产品是绿色设计和绿色制造技术创新的最高级别和最终体现，较好地实现了经济效益、社会效益和环境效益协调与优化。普通产品生命周期：从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）绿色产品生命周期：从摇篮到再生（cradle-toreincarnation）。广东工贸职业技术学院18现代制造技术发展史一、绿色产品特点①优良的环境友好性。产品从生产到使用乃至废弃、回收、处理处置的各个环节都对环境无害或危害甚小。②最大限度地利用材料资源。绿色产品应尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。③最大限度地节约能源。绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少。资源及能源的节约利用本身也是很好的环境保护手段。绿色产品具有时间和空间上的相对性，即随着技术的进步和对环保要求的提高，产品的绿色含义将会深化和扩展；国别不同或地域不同，对绿色产品的要求也不一致。广东工贸职业技术学院19现代制造技术发展史绿色产品的类型：①可回收利用型，例如，可复用的运输周转箱（袋）、用再生塑料和废橡胶生产的产品等。②低毒低害型，例如非石棉闸衬、低污染油漆和涂料、粉末涂料、无汞电他、无铅汽油、无磷洗衣粉等等。③低排放型，例如低排放燃气焚烧炉、低污染节约型燃气炉等。④低噪声型，例如低噪声建筑机械、低噪声混合粉碎机等。⑤节水型，例如节水型清洗槽、节水型清洗机等等。⑥节能型，例如燃气多段锅炉和循环水锅炉、高隔热型玻璃等等。⑦可生物降解型，包括以土壤营养物和调节剂合成的混合肥料、易生物降解的润滑油和润滑脂、可降解塑料制品等等。广东工贸职业技术学院20现代制造技术发展史二、绿色标志绿色标志(Greenlabel),亦称绿色产品标志、环境标志，指贴在或印刷在产品或产品的包装上的图形，以表明该产品的原材料获取与加工、产品生产制造、使用及处理过程等皆符合环境保护要求，即资源利用率高，不危害人体健康，对环境影响极小。绿色标志认证制度是指政府部门或专门的第三方认证机构依据一定环境标准向有关厂商及产品颁发绿色标志，证明其产品符合环境标准。狭义上理解，只有授予绿色标志的产品才算是正式的绿色产品。广东工贸职业技术学院21现代制造技术发展史绿色标志具有如下特点：①证明性：向消费者证明该产品或服务不仅质量符合标准，而且对生态系统及人类健康无危害或危害极小。②权威性：由政府管理部门或民间团体制定，并且得到政府的承认和保护。③专证性：一种产品获得绿色标志认证后，并不意味着该厂商生产的其他产品也符合该种绿色标志认证。④时限性：各国的环境标志一般规定3~5年内有效。广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史回收标志。印在各种各样的商品和商品包装上，有两个方面的含义：第一：提醒人们，在使用完印有这种标志的商品后包装后，请把它送去回收，而不要把它当作垃圾扔掉。第二：标志着商品或商品的包装是用可再生的材料做的，因此是有益于环境和保护地球的。22广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史德国是最早使用绿色标志的国家，1978年开始采用了“蓝色天使（Blue

Angel）”标志。以联合国环境规划署(UNEP)的蓝色天使表示的，蓝色天使标志上面伴有字样"环境标志"(Umweltzeichen)，下面伴有解释词"因为……"(Weil……)以及"Jury

mweltzeichen"，原来的题词读做"Umweltfreundlin"环境友好。23广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史加拿大，1998年，开始使用如下的标志：图形上一片枫叶代表加拿大的环境，由三只鸽子组成，象征3个主要的环境保护参加者：政府、产业、商业，商标伴随着一个简短的解释性说明，解释商标为什么被认证。24广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史日本"生态标志“:2只手环抱世界，符号的含义是"用我们的双手保护地球"。手臂的形状围成e字，为"地球"、"环境"、"生态"三个英文单词的词头E字的小写，意味着对地球、环境、生态的保护。25广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史1981-1989年，丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典等北欧国家，统一实施了如下图形的北欧委员会环境标志：以白色天鹅为象征，语言表达"环境标志"，下部是选择理由的简短描述，解释性描述使用每一个国家的各种语言文字。26广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史中国的环境标志图形：1993年8月，国家环保局颁布：由青山、绿水、太阳及十个环组成。中心结构表示人类赖以生存的环境；外围的十个环紧密结合，环环紧扣，表示公众参与，共同保护环境；同时十个环的"环"字与环境的"环"同字，其寓意为"全民联合起来，共同保护人类赖以生存的环境。台湾的环境标志它是以一片绿色树叶包裹纯净、不受污染的地球。绿色树叶代表[可回收、低污染、省资源]之绿色消费观念。它包裹地球象征绿色消费是全球性，

无国界的。由台湾环境保护署制订实施，表明直接提升环境品质，善尽地球公民的一份职责。27广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史“中国节能产品认证标志”由“energy”的第一个字母“e”构成一个圆形图案，中间包含了一个变形的汉字“节”寓意为节能，缺口的外圆又构成“CHINA”的第一字母“C”，“节”的上半部简化成一段古长城的形状，与下半部构成一个峰火台的图案一起，象征着中国，“节”的下半部又是“能”的汉语拼音第一个字母“N”整个图案中包含中英文，以利于国际接轨。28广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史绿色食品标志由三部分构成，即上方的太阳、下方的叶片和中心的蓓蕾。标志为正圆形，意为保护。整个图形描绘了一幅明媚阳光照耀的和谐生机，告诉人们绿色食品正是蓬勃的生命力。绿色食品标志还提醒人们要保护环境，通过改善人与环境的关系，创造自然界新的和谐。29广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史美国的绿色标志主要由两个体系组成：绿色封（GreenSeal）、标准标签认证系统（Standard

Label

System，SLS），另外还有"能源之星(Energy

star

program)"标志。30广东工贸职业技术学院31现代制造技术发展史三、绿色产品评价绿色产品评价问题是研究如何正确评价绿色产品的“绿色度”，从而指导企业改进产品设计和生产，并指导消费者正确消费。可从以下几个方面进行：①环境属性：不危及人体健康与安全，不造成环境污染和生态环境破坏。②能源属性：能源的类型及种类、能源利用率、再生能源使用率、使用能耗、回收处理能耗等，不仅要求在其生命周期循环中用最少的能耗来获得最大效益，而且要求逐步用可再生能源取代目前大量使用的化石能源。广东工贸职业技术学院32现代制造技术发展史③资源特性：单位重量或单位产品的材料由最少的资源量构成或者尽量多地由可再生资源构成。包括：材料资源、设备资源、信息资源、人力资源。④经济属性：包括生产成本、用户成本(如使用成本、回收费用、处理费用等)和社会成本(如环境污染治理、职业保健、废弃物处理等)。不仅包括其制造成本、使用成本、维护成本、能耗成本等，还应包括回收处理费用、相关的环境保护的各种费用。⑤质量属性：绿色产品首先应具有优良的的使用功能，质量是反映产品

功能好坏的指标，它集中地反映了产品设计、生产等方面的技术先进性。广东工贸职业技术学院33现代制造技术发展史绿色产品评价方法可分为两大类：①对产品的“绿色属性”实施综合评价，可以采用一些多目标评价方法，如经济分析法、专家咨询法、加权平均法、成本效益法、价值分析法、

模糊评价法、层次分析法等，最终得到各产品的“绿色属性”。②基于生命周期评价(Life

CycleAnalysis，简记为LCA)方法进行评价。生命周期评价是一种评价产品从原材料采集到产品生产、运输、销售、使用、回收再利用、维护和最终处置整个生命周期各阶段有关的环境负荷的过程。广东工贸职业技术学院34现代制造技术发展史绿色机械制造一、概述机械制造过程会消耗大量的能源和资源，并对环境产生一定的负面影响。例如加工过程中对皂化液、硫化油等冷却液的大量使用，铸件、锻件的表面精整工艺(打磨、抛丸)产生的粉尘、噪声污染，以及金属切削机床在加工中产生的油烟雾。绿色机械制造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，尽量减轻制造过程对环境产生有害影响的程度，实现优质、低耗、高效及清洁化的目标。广东工贸职业技术学院35现代制造技术发展史绿色机械制造的三种类型：节约资源的制造技术：尽量节省材料消耗。如通过优化毛坯形状或采用近净成形方法，减少加工余量；提高刀具寿命，减少刀具材料的消耗；减小或取消切削液；简化加工系统的组成要素等。节省能源的制造技术：减摩、降耗和低能耗工艺。环保型制造技术：通过一定的工艺手段减少或完全消除机械加工过程对人体和和环境的损害。改进工艺(如采用无切削液加工、真空吸尘加工等)，改进工具(合理实用的刀具和机床等)，改进加工环境(采用噪声主动抑制等)等方法来实现。广东工贸职业技术学院36现代制造技术发展史二、绿色干切削技术1.机械制造中的非绿色因素与措施（1）非绿色因素机械制造采用材料去除的加工方式，是保证零件形状和精度的最主要加工方式。①产生大量的切屑、废品等废弃物；②消耗大量能源和金属资源；③切削废液污染了环境④制造过程中的粉尘和噪声损害工人健康。广东工贸职业技术学院37现代制造技术发展史（2）绿色策略①少无切削工艺：精密铸造、冷挤压、直接沉积等成型技术，工程塑料在机械制造中的应用，从接近零件形状向精密成形、仿形方向发展。用自由成形制造代替切削加工，有些成形件不需要机械加工，就可直接使用。②干式切削工艺：在加工过程中不使用冷却润滑液的加工方法。干式切削可消除在机械加工时使用切削液所带来的污染问题，是绿色的机械加工工艺。它的应用不仅仅局限于铸铁的干铣削，也可以扩展到机加工的其它方面，但要求刀具具有较高的耐热性、耐磨性和良好的化学稳定性，机床则要求高速切削，有冷风、吸尘等装置。广东工贸职业技术学院38现代制造技术发展史③快速成型RP（RP—RapidPrototyping）技术：利用三维CAD数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。它与传统机加工去除材料的方法截然相反，该工艺可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速、准确、直接地制造任意复杂形状的三维实体和零件，实现零件的生产。④减少加工余量：粗糙的毛坯，机加工余量较大，这样不仅消耗较多的原材料，而且生产效率低下。因此，一方面，应发展专业化的毛坯制造，提高毛坯精度；另一方面，采用先进的制造技术，如高速切削。随着切削速度的提高，切削力下降、加工时间缩短、工件变形小，以此来保证零件的加工质量。广东工贸职业技术学院39现代制造技术发展史⑤新型刀具材料：采用新型刀具材料，大力发展涂层刀具。减少刀具磨损，尤其是复杂、贵重材料的刀具磨耗是降低材料消耗的另一重要途径。⑥废弃物回收利用：减少对环境影响的最有效的方法是采用副产品的再利用工艺，将废弃物(切屑、废品等)进行循环再利用，也可以将产生的废弃物作为另一生产线的原料再利用。绿色制造非常看重机械产品废弃后的回收利用，它使传统的生产方式从开式循环模式变为闭式循环模式。广东工贸职业技术学院40现代制造技术发展史2、切削液的作用与危害切削液的作用①润滑：减少切削过程的摩擦；②冷却：降低切削温度，散发刀具、工件和机床上的热量；③洗涤和排屑：还可帮助排屑，并去除附在工件、刀具和设备上的切削残留物；④防锈、防蚀：如果在切削液中加入防锈添加剂，能使金属表面生成保护膜，防止机床、刀具、工件、夹具受空气、水分和酸等介质的腐蚀。广东工贸职业技术学院41现代制造技术发展史切削液带来的问题①使用成本高：据德国公司的统计资料，切削加工中使用切削液的费用约占制造总成本的7%~17%，其中切削液供给系统的使用成本(包括系统的清洗、维护费用及附属环保设备费用)占有较大比例。②切削液用量不易控制：传统的切削液供液方法(如浇注法、压力喷射法、喷雾法等)是通过用较大压力和流量的切削液覆盖切削区来起到润滑、冷却、冲洗等作用。当加工条件发生变化时(如更换工件、刀具等)，不易对切削液用量进行调整与控制。③资源消耗大：传统切削液供给系统使用的冷却泵、液压阀、喷嘴等零部件精度不高，难以实现对切削液供给方式和供给量的精确控制，达不到微量、均匀、连续、精确供给润滑液的要求，从而需要消耗大量资源。广东工贸职业技术学院42现代制造技术发展史④环境污染严重：传统的切削液供给系统主要采用切削液内循环方式，其净化装置在切削加工过程中净化效率较低，废液和切屑造成的环境污染程度较严重，相应的治理费用较高。⑤管路清洗难度大：传统切削液供给系统中的管线材料主要为不锈钢、铜、橡胶等，地沟则由水泥抹成，不适合进行化学清洗。切削液流经管线时间较长后会形成具有一定机械强度的黑色垢层，给清洗工作造成困难。广东工贸职业技术学院43现代制造技术发展史切削液类型①油基切削液组分包括基础油、摩擦学添加剂和辅助添加剂。基础油主要有矿物油和合成油。油基切削液质量稳定，具有良好的润滑性和切削性，使用寿命长，并能再生利用，不受细菌侵蚀影响，不会引起皮肤病等。冷却性能比水基切削液稍差。在用高速钢刀具而且切削速度较慢的时候采用油基切削液，能延长刀具寿命，降低工件表面粗糙度值。但是，如果用在高速和重切削等加工过程中，油基切削液会剧烈地冒烟而污染环境，甚至有引起火灾的危险。油的飞溅和散落也加剧了对环境的污染。广东工贸职业技术学院44现代制造技术发展史②水基切削液冷却性好，易清洗，价格便宜。主要用于高速切削工序中。克服了切削油冒烟、易燃以及加工后粘附在金属表面上的油脂难于清洗的弊病。缺点：机床和被切削金属材料容易生锈；若与机床上的其他润滑油混合，就会使其润滑能力变坏，从而降低机床寿命。分为四种。乳化型切削液乳化液是将浓缩液用水稀释而成的乳状液体。占所有切削液消耗量的50％以上。半合成切削液，又称微乳液。它是以水为基础，由有机和无机材料的分散精细胶体组成，含有5％~30％的矿物油。合成切削液一种完全不合油的切削液，由水溶性EP剂、油性剂、防绣剂、表面活性剂等形成切削液浓缩物。化学溶液它是以亚硝酸钠、铬酸钠、三磷钠、碳酸钠等无机盐类为主体，加少量的表面活性剂。防锈性能较好。广东工贸职业技术学院45现代制造技术发展史3.干切削刀具技术（1）干切削对刀具的基本要求干切削由于不用切削液，因而不可避免地会使加工中产生的热量增加，导致切削温度升高，排屑不畅，刀具寿命变短，生产效率降低，加工表面质量变差。干切削对刀具的要求也就更严格。①优良的热硬性和耐磨性热硬性是指金属材料在较高温度下仍能保持其高硬度的特性。②较低的摩擦因数降低刀具与切屑、刀具与工件表面之间的摩擦因数，在一定程度上可替代切削液的润滑作用，抑制切削温度的上升。广东工贸职业技术学院46现代制造技术发展史③较高的强度和耐冲击性能干切削时切削力比湿切削时要大，并旦干切削的切削条件差，故刀具应具有较高的强度和耐冲击性能。④合理的结构和几何角度不但可以降低切削力，抑制积屑瘤的产生，降低切削温度，而且还有断屑或控制切屑流动方向的功能。刀具形状保证排屑流畅，易于散热。广东工贸职业技术学院47现代制造技术发展史（2）干切削刀具材料目前适用于干切削加工的刀具材料有PCD（聚晶金刚石）sCBNs陶瓷和金属陶瓷等。适宜的刀具涂层既可承受高的切削温度，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减小刀具磨损和产生的热量，还可使刀具具有强韧的基体及满足切削要求的切削刃或工作表面。涂层刀具基体材料主要有硬质合金和高速钢。涂层材料主要有TiCsTiNsTiCNsTiAlNsAl2O3sMoS2s金刚石等。涂层方式有单涂层和多涂层，根据涂层性质有硬涂层和软涂层。广东工贸职业技术学院48现代制造技术发展史（3）干切削刀具结构①刀具结构应力求做到低切削力及低摩擦。②干切削刀具的结构设计必须着重考虑断屑和排屑的问题。较大的正前角、锐利而强有力的切削刃有利于断屑，不过在加工韧性材料时，还需根据工件材料和切削用量设计断屑槽。为了加速刀具的冷却以降低切削温度，也可采用热管式刀具或液氮冷却刀具。广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史ALPHA

ALPHA22型深孔钻头，可以在不进行润滑和冷却的情况下，钻削深度达7~8倍直径的孔。采用特殊的40°螺旋角结构，结合较高钴含量的微晶粒硬质合金，实现较大的螺旋角和较大的前角，同时在使用过程中具有较高的可靠性。49广东工贸职业技术学院50现代制造技术发展史③刀具几何形状优化优化目的：减少刀具工件表面之间的接触面积，如增大钻头的倒锥量和螺旋角；考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。刃口强化措施：T形刃带：倒棱——在刃口上磨出的窄平面，以取代较脆弱而锋利的切削刃。强化强化就是圆整锋利的切削刃。T形刃带强化当强化用于倒棱的前面与后面相交处时，也能加强T形刃带。广东工贸职业技术学院51现代制造技术发展史4、绿色切削液目的：使切削液对人体健康和环境不造成危害，废液所含油成分回收后可安全排放，残留废油和添加剂在自然界可安全降解，不会对环境造成污染。要求：在切削液的配方组成(包括基础油与添加剂的选用)、配制方法及工艺、使用方法及设备、废液的循环利用及处理排放等各个环节中，应充分考虑人体健康及环境要求。应当将整个切削液的研究、开发及应用作为一个有机整体，综合评判切削液对健康和环境的影响，使切削液在整个生命周期中对人体健康和环境的危害最小。广东工贸职业技术学院52现代制造技术发展史）改善切削液的成分用植物油代替矿物油来研制油基切削液。研究开发新型高效无毒添加剂切削液添加剂通常含有硫、磷、氯、亚硝酸钠等，会产生较重的环境污染。在保证切削液综合性能的基础上,研制新型高效无毒添加剂，其中环保型生物降解添加剂(无毒型添加剂)是重点研究与应用的方向：硼酸酯类添加剂、钼酸盐系缓蚀剂、新型防腐杀菌剂：广东工贸职业技术学院53现代制造技术发展史开发传统切削液的替代品液氮切削废液的无害化处理和回收技术广东工贸职业技术学院54现代制造技术发展史6、低温强风冷却切削气体的比热低，冷却效果比液体差，但由于采用低温风作为介质进行吸热、传热和对流，与此同时通过降低切削环境温度加快了切削热在工件、切屑和刀具上的传导，所以能够达到有效降低温度、提高刀具耐用度的目的。一般冷却气体介质温度可以控制在-15~-50℃之间，而切削液不能低于零度，低温气体扩大了切削区温度和冷却介质之间的温差ΔQ，因此有较强的冷却能力。一定压力的气体射向切削区，其通过切削区的流速大于一般浇注切削液，单位时间通过切削区截面的冷气越多，冷却的能力和效果也越好。气体比液体更容易进入切削区及刀具与切屑和工件的接触界面，冷却作用更直接受益。气体介质是空气，无成本，也无排放和处理费用。广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史低温气体冷却原理图55广东工贸职业技术学院现代制造技术发展史不同切削条件下的切削热比较56广东工贸职业技术学院57现代制造技术发展史7、“微量切削液供给法”，MQL(Minimal

Quantity

Lubrication)

硬件：主轴及工作台等机械设备、半干式加工用的雾液喷供装置、尘雾回收装置、切屑处理装置及所采用的刀具等；软件：设定最佳加工条件及加工状态监控手段等。广东工贸职业技术学院58现代制造技术发展史传统的压力供液式喷雾冷却系统通常由以下部分构成：①切削液泵(冷却泵)：按要求的压力和流量向切削区供给切削液；②切削液箱：储存待用切削液及沉淀用过的切削液；③输送装置(管道、喷嘴等)：将切削液送达加工区；④净化(过滤)装置：从切削液中去除切削过程中产生的切屑及其它机械杂质，使加工区使用的切削液保持清洁；⑤防护装置(防护罩、挡板等)：防止切削液四处飞溅并浸入机床部件内。广东工贸职业技术学院59现代制造技术发展史利用主轴供油孔的MQL装置：与切削液相比，雾液流动的运动量较小，因此，刀具或工件在高速回转时，附近发生的空气流动将会影响冷却雾液的流向，使其不能充分到达切削位置。这种现象在主轴转速超过10000r/min的高速切削、孔加工、切槽等加工中尤为明显。解决此问题最有效的手段，便是让冷却雾液经过回转主轴的内部，再通过钻头、立铣刀等回转工具的供油孔，直接送到切削部位。这种由主轴内孔供应冷却雾液的方式，在原有的湿式加工中也曾使用过，但过去供给的是液体，而现在供应的却是雾状液流。广东工贸职业技术学院60现代制造技术发展史采用原有主轴供液方式的高速主轴供油孔送出雾液时主轴转速与雾液喷出量的关系。由图可知，主轴转速超过10000r/min时，刀具刃尖部喷出的雾液量便急剧下降。原因在于，当主轴高速回转时，受离心力的作用，液滴附着在主轴内的回转通道内壁上；当主轴转速达30000r/min这样的高速回转时，雾液几乎全从雾流中分离出来，从刀具油孔中喷出的几乎纯为空气。为了解决这个问题，研究人员采用了如下措施：(1)让压缩空气和切削液从不同的路线送出，通过主轴，让两者在主轴端部的刀柄附近混合，形成雾液；(2)将主轴内雾液通道改为非回转结构，藉以抑制离心力的作用。在主轴内配有特殊结构的非回转线路后，即便在高速回转条件下，也可获得非常稳定的雾液喷出量。广东工贸职业技术学院61现代制造技术发展史利用高速回转主轴输送雾液的供给性能，受雾液粒径、密度、主轴孔内回转路线的形状、尺寸等因素的制约。为了在设计阶段定量预测出上述各项参数，研究人员采用通常的流体解析软件来模拟雾液的作用。图4即为采用该软件(Star-CD)解析通过回转线路的作用实例之一。当主轴不回转时，雾液从主轴后端直接流向前端；当主轴高速回转时，在回转路线内便会产生旋转性流动，液滴受离心力影响，接触到路线侧壁，这将减少送到主轴前端的液滴数量，从而降低冷却润滑效果。图5为通过计算机模拟的不同直径液滴平均可到达的距离进行比较结果。液滴直径越小，越不易受离心力的影响，液滴随着回转路线的回转旋流，也更容易到达刀具的刃尖部位。但是，如果液滴直径过小，当它从刀具

端部流出后，附着于刃尖或工件加工面的性能也就更差，这些微细液滴

易于浮游在周边环境中，既污染环境，又减弱了冷却效果。考虑到各种

因素，推荐液滴直径约2μm最为适用。这一数值与目前使用的雾液产生装置的标准水平大体一致。雾液供给装置在性能方面的要求是：产生具有最佳雾滴直径的雾液，利用必要的空气压力及适当的流量，能够稳定地将雾液输送到加工部位。广东工贸职业技术学院62现代制造技术发展史8、切削废弃物的回收利用机械制造采用材料去除的加工方式，产生大量的切屑、废品、切削废液等废弃物，消耗能源大；浪费了资源，有污染了环境，对此可采取以下绿色技术。切削液的回收再利用：已使用过的废乳化液中，如直接排放或燃烧，则将造成严重的环境污染，绿色制造对切削液的适用、回收利用或再生非常重视。磨屑二次资源利用：在磨削中，磨屑的处理有些困难，若采用干式磨削，磨削处理则较为方便，由于CBN砂轮的磨削比较高，磨屑中很少有砂轮的微粒，磨屑纯度很高，可通过一定的装置，搜集被加工材料的磨粒，作二次资源利用。广东工贸职业技术学院63现代制造技术发展史三、绿色热处理技术热处理污染源包括热处理过程中排放的废水、废液、废气、废渣、粉尘、噪声、电磁辐射等。我国热处理生产的污染问题仍很严峻：①盐浴炉仍普遍使用，产生大量的盐浴蒸气和废渣，其中很多为含氰盐的废盐渣。②大量采用矿物油淬火剂，③量大面广的以气体为介质的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗等化学热处理工艺。④热处理加热设备大量采用耐火纤维，而耐火纤维受热粉化会带来粉尘污染。⑤化学热处理零件和油淬零件的前后道清洗工序的废水多数未得到有效治理。⑥发黑（发蓝）或磷化的废液随意排放。⑦多数热处理工艺和设备能耗大。广东工贸职业技术学院64现代制造技术发展史1.绿色热处理工艺(1)节能热处理工艺：减少或取消某些预备热处理工序。用零件表面或局部热处理取代整体热处理。复合热处理工艺：将2种或2种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其他加工工艺复合，得到参与组合的几种工艺的综合效果，如渗氮与高

频淬火的复合，淬火与渗硫的复合、渗硼与粉末冶金烧结工艺的复合等。新的复合表面处理技术，如激光加热与CVD，离子注入与PVD，物理化学气相沉积（PCVD）等。流态床热处理:用流态床热处理取代盐浴工艺。广东工贸职业技术学院65现代制造技术发展史2.加热设备采用生态能源、高效节能、环境友好性热处理设备。感应和高能率加热都具有加热速度快，表面质量好，变形小，能耗低，无污染等优点，是极为有效的经济节能表面加热方式。整体加热方面的流态床加热，并可以与化学热处理相结合，特别适宜于多品种、小批量和周期性生产，可用来取代传统的盐浴热处理。其他新型热处理设备，如离子热处理炉、激光热处理装置、电子束热处理装置等，也应积极开发应用。激光热处理和离子注入表面改性技术在国外已进入生产阶段。广东工贸职业技术学院66现代制造技术发展史3.绿色加热介质加热介质应当无毒、无污染，具有良好的环境友好性。少无氧化加热可以减少金属氧化损耗。采用真空和可控气氛是实现少无氧化加热的主要途径。高压气淬真空热处理既可使零件保持洁净(表面无氧化无脱碳)，又免除了淬火后的清洗工序。(1)氮基气氛:以氮气为基本成分（占炉气氛的40％~98％）并加入适量添加剂制备而成，是20世纪70年代为解决国际能源危机而发展起来的一种工艺技术，广东工贸职业技术学院67现代制造技术发展史(2)真空热处理高压气淬真空热处理既使零件保持洁净(表面无氧化无脱碳)，又免除了淬火后的清洗工序。高压气淬真空热处理技术已经成熟，并已在工具制造、齿轮等行业得到应用。真空热处理的发展方向主要有：①抽真空后反充惰性气体并在炉膛内配置搅拌风扇，使用对流传热方式使加热更快、更均匀。②采用计算机模拟进行气流动力学设计，使气淬更加均匀。③通过加压，使用更高热交

换能力的气体、冷淬室和喷嘴等提高冷却速率，以推广应用真空气淬技

术。④将流量传感器作真空淬火专家控制系统的一个输入端，用来测量

气淬的热传导效率。⑤发展负压渗碳或等离子渗碳技术。⑥开发新型真空气淬炉。⑦推广将加热室与高压气淬室相互分离并可以灵活更换的高压

气淬技术。广东工贸职业技术学院68现代制造技术发展史4.绿色冷却介质冷却介质应当无毒、无污染，具有良好的环境友好性。选择具有多生命周期的冷却介质；当冷却介质生命周期结束后，可以作为再生资源使用。正确选择和合理使用淬火介质，可以减小工件变形，防止开裂，保证达到所要求的组织和性能。目前，国内最广泛应用的淬火介质仍然是水基介质和矿物油介质，不可避免存在污染问题。在淬火冷却方面应按绿色热处理要求进行研究和变革：①研究开发控制冷却技术。所谓控制冷却，就是以不含任何添加剂的清水作淬火剂，采用喷淋或喷雾冷却，并通过改变水压、流量、风压等参数，获得不同的冷却强度，以适应不同材料、不同技术要求的零件的淬火冷却。②无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是新型淬火介质的发展重点，特别是有机聚合物淬火剂，无毒、无烟、无臭、无腐蚀，不燃烧，抗老化，使用安全可靠，且冷却性能好，冷却

速度可调，适用范围广，工件淬硬均匀，可明显减少淬火变形和开裂倾向。③发展以植物油为基的油类淬火剂。与矿物油相比，这种淬火油能迅速被生物降解、可再生、毒性低、闪点高、沸点高，且来源丰富。④研究采用新的淬火方法获得最佳的淬火效果，如采用高压气冷淬火法、强烈淬火法、流态床冷却淬火法、

水空气混合剂冷却法、沸腾水淬火法、热油淬火法、冷处理法等。广东工贸职业技术学院69现代制造技术发展史5.热处理剩余物的处理技术热处理对环境的污染主要包括生产中及生产结束后排放的废气、废水、废渣、粉尘、噪声和电磁辐射等，研究开发热处理剩余物再利用技术，是绿色热处理技术的发展方向。工业生态方法认为生命周期终结后的

“废弃物”是不同生产和使用阶段的剩余物，是可以重新使用的资源，如可以利用余热预热助燃用的空气和燃料、低温炉的热源或预热冷的工件。各种渗碳和碳氮共渗热处理（包括氮基气氛渗碳和负压渗碳）排出的废气含有大量的CO，CO2和一定数量的烷类气体，不利于环保。目前，将渗氮废气经过完全吸收实现清洁排放（排出N2和H2）的技术可以防

止渗氮废气中的氨对环境的污染，也可以避免有些工厂将渗氮废气直接燃烧生成NxO的弊端。广东工贸职业技术学院70现代制造技术发展史6.绿色热处理辅助技术热处理数据库。计算机控制热处理技术。热处理环境协调性评估。虚拟热处理技术。热处理管理技术。广东工贸职业技术学院71现代制造技术发展史四、绿色铸造技术绿色铸造工程，即铸造产品从设计、生产、使用到回收和废弃处理的各个环节都符合资源的有效利用和最大限度地保护环境要求，并获得较好的产出和效益。铸造生产作为物资转化过程，其输入端是资源和能源，其输出端是产品和废料。随着铸造技术的发展和生产规模的增长，一方面资源的开发利用范围不断扩大；另一方面废料的数量和种类也不断增多。我国是世界铸造大国，铸造行业资源和环境的要求日益突出。由于技术和历史的原因，我国铸造行