第第3 3章章 先进制造工艺先进制造工艺本章要点超精密加工技术特种加工技术的特点快速原型制造技术 高速加工关键技术 绿色加工技术及其应用1第第3章章 先进制造工艺先进制造工艺Advanced Manufacturing Process3.5 现代现代特种加工技术特种加工技术Modern Nontraditional machining Technology23.5.1 特种加工技术概述特种加工技术概述3.5.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法3 非非传传统统加加工工又又称称特特种种加加工工，通通常常被被理理解解为为别别于于传传统统切切削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。 非非传传统统加加工工方方法法 产产生生于于二二次次大大战战后后。两两方方面面问问题题传传统统机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决： 1 1）难难加加工工材材料料的的加加工工问问题题。宇宇航航工工业业等等对对材材料料高高强强度度、高高硬硬度度、高高韧韧性性、耐耐高高温温、耐耐高高压压、耐耐低低温温等等的的要要求求，使新材料不断涌现。使新材料不断涌现。 2 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。 为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。 非非传传统统加加工工方方法法将将电电、磁磁、声声、光光等等物物理理量量及及化化学学能能量量或或其其组组合合直直接接施施加加在在工工件件被被加加工工的的部部位位上上，从从而而使使材材料被去除、累加、变形或改变性能等。料被去除、累加、变形或改变性能等。 3.5.1 特种加工技术概述特种加工技术概述4 非非传传统统加加工工方方法法主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能，而而是是用用其其它它能能量量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 非非传传统统加加工工方方法法由由于于工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用，对对工工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。且且工工件件加加工工部部位位变变形形小小，发发热热少少，或或发发热热仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。 加加工工中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制，有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提提高加工效率。高加工效率。 非非传传统统加加工工方方法法的的材材料料去去除除速速度度，一一般般低低于于常常规规加加工工方方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。q 非传统加工方法特点5 机械过程 利利用用机机械械力力，使使材材料料产产生生剪剪切切、断断裂裂，以以去去除除材材料料。如如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。q 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分） 热学过程 通通过过电电、光光、化化学学能能等等产产生生瞬瞬时时高高温温，熔熔化化并并去去除除材材料料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。 电化学过程 利利用用电电能能转转换换为为化化学学能能对对材材料料进进行行加加工工，如如电电解解加加工工、电铸加工电铸加工（金属离子沉积）（金属离子沉积）等。等。 化学过程 利利用用化化学学溶溶剂剂对对材材料料的的腐腐蚀蚀、溶溶解解，去去除除材材料料，如如化化学学蚀刻、化学铣削等。蚀刻、化学铣削等。6 复合过程 利利用用机机械械、热热、化化学学、电电化化学学的的复复合合作作用用，去去除除材材料料。常见的复合形式有：常见的复合形式有： 机机械械化化学学复复合合如如机机械械化化学学抛抛光光、电电解解磨磨削削、电电镀镀珩磨等。珩磨等。 机机械械热热能能复复合合如如加热切削、低温切削等。加热切削、低温切削等。 热热能能化化学学能能复复合合如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。 其其它它复复合合过过程程如如超超声声切切削削、超超声声电电解解磨磨削削、磁力抛光磁力抛光（图（图7-617-61）等。）等。工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS7 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。拓宽现有非传统加工方法的应用领域。 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。 优化工艺参数，完善现有的加工工艺。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。 向微型化、精密化发展。向微型化、精密化发展。 采采用用数数控控、自自适适应应控控 制制 、 CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术，提提高高加加工工过过程程自自动动化化、柔性化程度。柔性化程度。q 发展趋势图7-62 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。8q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 电火花加工电火花加工3.5.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real9图7-64 电火花加工机床10 电电极极材材料料要要求求导导电电，损损耗耗小小，易易加加工工；常常用用材材料料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，提提高高放放电电能能量量密密度度，加加速速蚀蚀物物排排出出；常常用用工工作作液液有有煤煤油油、机机油油、去去离离子子水、乳化液等。水、乳化液等。 放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，在在加加工工过过程程中中，需需采采用用自自动动调调节节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。q 工作要素 脉脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短，则则每每个个脉脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J（电流为（电流为400A400A时）之间。时）之间。11电电火火花花线线切切割割加加工工：用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（或或铜铜丝丝）作作工工具具阴阴极极，工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，可可切切割割出出二二维维图图形形（图图7-7-6565）。同同时时，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动，可切割出斜面。动，可切割出斜面。q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealReal12电火花线切割机床图7-66 电火花线切割加工加工过程显示13 不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制，可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧韧、软软的的导电材料。导电材料。 加加工工时时无无显显著著切切削削力力，发发热热小小，适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。易于实现数控加工。q 电火花加工特点q 电火花加工应用 电电火火花花成成形形加加工工：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。 电电火火花花线线切切割割：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。 14工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工电解加工15 不不受受材材料料硬硬度度的的限限制制，能能加加工工任任何何高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，并并能能以以简简单单的的进进给给运运动动一一次次加加工工出出形形状状复复杂杂的的形形面和型腔。面和型腔。 加加工工形形面面、型型腔腔生生产产率率高高（与与电电火火花花加加工工比比高高5 51010倍倍）。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等等新新技技术术，可可进进一一步步提提高高生生产产效率和加工精度。效率和加工精度。 阴极在加工中损耗小。阴极在加工中损耗小。 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 设备投资大，有污染，需防护。设备投资大，有污染，需防护。 模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。q 电解加工特点q 电解加工应用16 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，易易被被刮刮除除，露露出出新新金金属属表表面面，继继续续进进行行电电解解。电电解解作用与磨削作用交替进行，实现加工。作用与磨削作用交替进行，实现加工。 电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小，特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时，效效果果更更明明显。显。 导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削（图7-68）17真真空空条条件件下下，利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，由由加加速速阳阳极极加加速速，通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦，使使能能量量密密度度集集中在直径中在直径5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度），工工件件表表面面局局部部熔熔化化、气气化化直至被蒸发去除。直至被蒸发去除。 图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工电子束加工工作原理（图7-69）18 电电子子束束束束径径小小（最最小小直直径径可可达达0.010.010.05mm0.05mm），而而电电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。 材材料料适适应应性性广广（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工），特特别别适适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。 非非接接触触加加工工，无无工工具具损损耗耗；无无切切削削力力，加加工工时时间间极极短短，工件无变形。工件无变形。 加工速度高，切割加工速度高，切割1mm1mm厚钢板，速度可达厚钢板，速度可达240mm/min240mm/min。 在在真真空空中中加加工工，无无氧氧化化，特特别别适适于于加加工工高高纯纯度度半半导导体体材料和易氧化的金属及合金。材料和易氧化的金属及合金。 加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。 q 特点及应用19 激激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到的加强光。其基本特征：到的加强光。其基本特征： 强度高，亮度大强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长 方方向向性性好好，几几乎乎是是一一束束平平行光行光 q 工作原理（图7-70）激光加工激光加工当当激激光光束束照照射射到到工工件件表表面面时时，光光能能被被吸吸收收，转转化化成成热热能能，使使照照射射斑斑点点处处温温度度迅迅速速升升高高、熔熔化化、气气化化而而形形成成小小坑坑，由由于于热热扩扩散散，使使斑斑点点周周围围金金属属熔熔化化，小小坑坑内内金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀，产产生生微微型型爆爆炸炸，将将熔熔融融物物高高速速喷喷出出并并产产生生一一个个方方向向性性很很强强的的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器激光器工件工件工作台工作台图图7-7-70 70 激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源Real20 固体激光器固体激光器 YAGYAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器红宝石激光器混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波 长 10.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图 气体激光器气体激光器COCO2 2激光器（图激光器（图7-7-7171）q 激光器21 加加工工材材料料范范围围广广，适适用用于于加加工工各各种种金金属属材材料料和和非非金金属属材材料料，特特别别适适用用于于加加工工高高熔熔点点材材料料，耐耐热热合合金金及及陶陶瓷瓷、宝宝石石、金金刚刚石等硬脆材料。石等硬脆材料。 加加工工性性能能好好，工工件件可可离离开开加加工工机机进进行行加加工工，可可透透过过透透明明材材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦后后焦焦点点直直径径理理论论上上可可小小至至11以以下，实际上可实现下，实际上可实现0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。 激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割，也也可可进进行行焊焊接接、热热处处理等工作。理等工作。 激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。q 激光加工特点22 激光打孔激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。材料的小孔加工。 激光打孔具有高效率、低成本激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。的特点，特别适合微小群孔加工。 焦点位置对孔的质量影响：若焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm1mm，可以进行加工，此时加工出，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图生变化（图7-7-7272）。）。 q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响Real23 激光热处理激光热处理 原原理理：照照射射到到金金属属表表面面上上的的激激光光使使表表面面原原子子迅迅速速蒸蒸发发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。 优优点点：快快速速、不不需需淬淬火火介介质质、硬硬化化均均匀匀、变变形形小小、硬硬化化深度可精确控制。深度可精确控制。 激光焊接激光焊接 与与打打孔孔相相比比，激激光光焊焊接接所所需需能能量量密密度度较较低低，因因不不需需将将材材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 优优点点：没没有有焊焊渣渣，不不需需去去除除工工件件氧氧化化膜膜，可可实实现现不不同同材材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。Real 激光切割激光切割 激激光光切切割割具具有有切切缝缝窄窄、速速度度快快、热热影影响响区区小小、省省材材料料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 可可以以切切割割钢钢板板、不不锈锈钢钢、钛钛、钽钽、镍镍等等金金属属材材料料，以以及及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。Real24图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割25 利利用用工工具具端端面面作作超超声声（161625kHz25kHz）振振动动，使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击抛磨来实现加工。击抛磨来实现加工。 超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，通通过过换换能能器器将将超超声声频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动，此此时时振振幅幅一一般般很很小小，再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒（变变幅幅杆杆）使使固固定定在在变变幅幅杆杆端端部部的的工工具具振振幅幅增增大大到到0.010.010.15mm0.15mm。 q 工作原理（图7-75） 变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工超声波加工26图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件27 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达寸精度可达0.010.010.05mm 0.05mm 。 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。形零件。 生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。q 超声波加工特点及应用28q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d水喷射加工水喷射加工利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”。29q 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数30第第3章章 先进制造工艺先进制造工艺Advanced Manufacturing Process3.6 可持续制造技术可持续制造技术Sustainable Manufacturing Technology313.6.1 概述概述3.6.2 再制造技术再制造技术3.6.3 绿色加工技术绿色加工技术323.6.1 概述概述对工业生产发展的要求对工业生产发展的要求 1919世纪是蒸汽时代；世纪是蒸汽时代； 2020世纪自动化时代；世纪自动化时代； 2121世纪是可持续发展时代。世纪是可持续发展时代。 随随人口、资源、环境人口、资源、环境三大世界性问题的日益尖锐，要求三大世界性问题的日益尖锐，要求人们研究并应用高效率的可持续发展的生产、制造模式。制人们研究并应用高效率的可持续发展的生产、制造模式。制造业是国民经济的支柱产业，它既为人类创造新的物质文明，造业是国民经济的支柱产业，它既为人类创造新的物质文明，同时又是同时又是消耗资源的大户消耗资源的大户，是产生，是产生环境污染的源头产业环境污染的源头产业，并，并正在对人类的生存与发展造成严重威胁。因此，全球性的产正在对人类的生存与发展造成严重威胁。因此，全球性的产业结构调整呈现出一种集资源优化利用与环境保护治理于一业结构调整呈现出一种集资源优化利用与环境保护治理于一体化的新的制造模式体化的新的制造模式绿色制造绿色制造 GM Green-Manufacture GM Green-Manufacture，这就是向，这就是向资源利用合理化，废弃物生产少量化，对环境无资源利用合理化，废弃物生产少量化，对环境无污染、少污染污染、少污染的方向发展的绿色战略趋势。的方向发展的绿色战略趋势。33我国制造业本身和国内条件面临的挑战我国制造业本身和国内条件面临的挑战 制造业技术及管理水平与发达国家具有较大差距；产品结制造业技术及管理水平与发达国家具有较大差距；产品结构档次低，技术结构落后构档次低，技术结构落后 ；市场快速反应能力差；制造业不；市场快速反应能力差；制造业不能满足国内需求的情况比较严重；主导产品的技术来源大多能满足国内需求的情况比较严重；主导产品的技术来源大多依赖外国。依赖外国。面临绿色挑战。我国制造业如果不能实施面临绿色挑战。我国制造业如果不能实施绿色制造绿色制造，我，我国的制造业产品将很难适应国际环保管理标准，很难在国国的制造业产品将很难适应国际环保管理标准，很难在国际市场上具有竞争力际市场上具有竞争力 ； 面临面临WTOWTO的挑战；的挑战；面临未来制造模式的挑战。未来制造模式的特点是：以面临未来制造模式的挑战。未来制造模式的特点是：以技术为中心向以人为中心转变；多层管理向扁平网络转变；技术为中心向以人为中心转变；多层管理向扁平网络转变；固定制造组织向动态组织转变；质量符合观向全面满意观固定制造组织向动态组织转变；质量符合观向全面满意观转变；集中制造向分散网络化制造转变。而我国的制造业转变；集中制造向分散网络化制造转变。而我国的制造业大多处于转变的前一阶段。大多处于转变的前一阶段。34可持续制造的定义可持续制造的定义是一种符合可持续发展策略的制造技术，是基于现是一种符合可持续发展策略的制造技术，是基于现代的多学科的先进科技成果的综合技术，是一种代的多学科的先进科技成果的综合技术，是一种与与环境友好的、洁净的、节省资源环境友好的、洁净的、节省资源的先进制造技术。的先进制造技术。可持续制造技术关键是看产品制造的整个过程是否可持续制造技术关键是看产品制造的整个过程是否符合可持续发展策略。如传统的车削和磨削由于采符合可持续发展策略。如传统的车削和磨削由于采用了新的工艺，整个加工过程都未使用冷却液，则用了新的工艺，整个加工过程都未使用冷却液，则这种这种干切削就可称为可持续制造技术干切削就可称为可持续制造技术。35概述概述 近几百年的工艺发展，资源消耗远远超过了三千年的总和，近几百年的工艺发展，资源消耗远远超过了三千年的总和，超过了大自然的恢复能力，打破了农耕时代超过了大自然的恢复能力，打破了农耕时代 “ “收支平衡收支平衡” ”的循的循环状态。资源过快开采和过量消耗，造成资源短缺和面临衰环状态。资源过快开采和过量消耗，造成资源短缺和面临衰竭，环境污染和自然生态破坏已严重威胁到人类的生存条件。竭，环境污染和自然生态破坏已严重威胁到人类的生存条件。到到20202020年，我国绝大多数矿产资源将出现缺口、能源短缺，年，我国绝大多数矿产资源将出现缺口、能源短缺，这将严重制约国民经济的可持续发展并危及国家安全。此外，这将严重制约国民经济的可持续发展并危及国家安全。此外，在机械装备的全寿命周期费用中，机械装备的后半生（使用、在机械装备的全寿命周期费用中，机械装备的后半生（使用、维修、报废）费用占到维修、报废）费用占到50%70%50%70%。从产品全寿命出发，加强。从产品全寿命出发，加强产品后半生的基础理论研究，将产品后半生的基础理论研究，将“ “线性结构线性结构” ”制造模式发展为制造模式发展为闭环的闭环的“ “循环型结构循环型结构” ”制造模式，大力发展资源节约型和环境制造模式，大力发展资源节约型和环境友好型制造，即资源循环型制造和再制造是实现国家可持续友好型制造，即资源循环型制造和再制造是实现国家可持续发展目标的很重要方向之一。发展目标的很重要方向之一。3.6.2 再制造技术再制造技术36再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以优质、高效、再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化为手段，用节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化为手段，用以修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。以修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。图图3- 3- 所示为机电产品的物流示意图。所示为机电产品的物流示意图。 原材料初级生产商制造商再制造商用户（维修）再制造再循环再利用图3- 机电产品的物流示意图37再利用主要是指对经检验合格的废旧产品零部件的直接再利用主要是指对经检验合格的废旧产品零部件的直接利用。利用。再循环是指回收废旧产品中的材料或者能源的过程，主再循环是指回收废旧产品中的材料或者能源的过程，主要包括：要包括：原态再循环原态再循环 ；易态再循环。易态再循环。 再制造则是以报废或过时机件为对象，采用新技术、新再制造则是以报废或过时机件为对象，采用新技术、新材料、新工艺，以及严格的质量标准和管理手段组织生产，材料、新工艺，以及严格的质量标准和管理手段组织生产，使再制造产品的质量、性能等同或高于原产品，价格上更使再制造产品的质量、性能等同或高于原产品，价格上更具优势。具优势。图图3- 3- 所示为发动机再制造工艺流程图。由图看出，一个完所示为发动机再制造工艺流程图。由图看出，一个完整的再制造过程可以划分为三个阶段：整的再制造过程可以划分为三个阶段：拆卸阶段；拆卸阶段；将已将已拆卸的零部件进行检查，再制造维修；拆卸的零部件进行检查，再制造维修；将维修好的零部件将维修好的零部件进行重新组装。进行重新组装。 38退役发动机拆解清洗检测再制造加工检测装配包装整机测试再制造发动机报废原厂新配件报废易损件可再制造件完好件合格件不合格件不可再制造件发动机再制造拟采用的工艺流程图易损件：易损件：主轴瓦、橡胶管、汽缸垫、油封完好件：完好件：进气管总成、前后排气歧管、油底壳、齿轮室可再制造件：可再制造件：缸体总成、连杆总成、曲轴总成、喷油泵总成、缸盖总成39废旧发动机回收进厂在拆解车间分解拆卸对零部件进行高温化学清洗利用热喷涂技术修复发动机机座利用纳米电刷镀技术修复曲面利用粘涂技术修复汽缸结合面绗磨缸套使其达到新品标准连杆加工设备使其达到新品标准再制造零部件检测后进行装配再制造发动机进行试车考核喷漆装箱，发动机再制造完成汽车发动机的再制造生产流程汽车发动机的再制造生产流程40功能资源循环型制造和再制造功能资源循环型制造和再制造此项研究是以机电产品全寿命周期和多寿命周期此项研究是以机电产品全寿命周期和多寿命周期设计与管理为核心，以循环经济的要求为准则，紧设计与管理为核心，以循环经济的要求为准则，紧密围绕密围绕4R4R，即减量化，即减量化(reduce)(reduce)，再利用，再利用(reuse)(reuse)，再制，再制造造(remanufacture)(remanufacture)和再循环和再循环(recycle)(recycle)所涉及的基础理所涉及的基础理论和技术而开展的前瞻性科学研究。论和技术而开展的前瞻性科学研究。41设计制造使用维修报废减量化再利用再制造再循环机电产品全寿命周期基础理论与共性技术机电产品全寿命周期评价指标体系与方法废旧机电产品循环利用决策理论及方法机电产品再循环回收和使用技术废旧机电产品再制造中的科学技术问题循环型制造和再制造循环型制造和再制造基于基于4R的基础理论和共性技术结构体系的基础理论和共性技术结构体系42再制造毛坯快速成形技术；再制造毛坯快速成形技术；先进表面技术；先进表面技术；纳米复合及原位自愈合生产技术纳米复合及原位自愈合生产技术 ； 修复热处理技术修复热处理技术 ；再制造加工（含特种加工）技术再制造加工（含特种加工）技术 ；再制造的主要关键技术再制造的主要关键技术 下面介绍两种再制造技术下面介绍两种再制造技术下面介绍两种再制造技术下面介绍两种再制造技术误差补偿技术误差补偿技术误差补偿的实现，需综合应用传感技术、信号处理技术、误差补偿的实现，需综合应用传感技术、信号处理技术、多传感器信息融合策略、运动合成机构多传感器信息融合策略、运动合成机构/ /系统等多学科基系统等多学科基础。误差补偿系统至少具备础。误差补偿系统至少具备3 3个功能装置，如图个功能装置，如图3- 3- 所示。所示。43误差信号发生装置产生出被补偿对象固有误差的误差图，误差信号发生装置产生出被补偿对象固有误差的误差图，作为补偿系统中附加误差的依据；作为补偿系统中附加误差的依据； 信号同步反向装置保证附加的误差输入与补偿对象的固有信号同步反向装置保证附加的误差输入与补偿对象的固有误差同步反向，即在任一时刻，这两个误差在理论上大小相误差同步反向，即在任一时刻，这两个误差在理论上大小相等而相位相差等而相位相差180180度。度。运动合成装置实现附加误差运动与系统固有误差运动的合运动合成装置实现附加误差运动与系统固有误差运动的合成，而输出为两个误差抵消后的结果。成，而输出为两个误差抵消后的结果。44误差源e1e2.en现有系统被补偿对象运动合成误差信号发生同步反向输出误差预防误差预防误差补偿误差补偿(静态静态&动态动态)加工精度加工精度误差源误差源加工过程加工过程加工误差加工误差检测检测误差信号误差信号建模与预报建模与预报补偿补偿+_45热喷涂技术热喷涂技术所谓热喷涂技术，就是所谓热喷涂技术，就是利用某种热源将粉状或丝利用某种热源将粉状或丝状之类的工程材料加热大状之类的工程材料加热大溶融或软化状态，以高速溶融或软化状态，以高速喷射到工件表面易堆积成喷射到工件表面易堆积成形的方法。热喷涂原理如形的方法。热喷涂原理如图图3- 3- 所示。当被喷涂的材所示。当被喷涂的材料经喷嘴以粒子流形式高料经喷嘴以粒子流形式高速喷射到基体表面而涂敷速喷射到基体表面而涂敷到表面上，颗粒间的结合到表面上，颗粒间的结合大部分是机械结合，存在大部分是机械结合，存在一定数量的孔隙。一定数量的孔隙。 图3- 热喷涂原理46改善热喷涂涂层质量的途径：改善热喷涂涂层质量的途径：热源不用氧热源不用氧乙炔火焰，而用电热。一般氧乙炔火焰，而用电热。一般氧乙炔火焰乙炔火焰喷涂喷涂( (亚音速亚音速) )，热源温度最高达，热源温度最高达31003100；改用电弧喷涂，热；改用电弧喷涂，热源为电弧，温度可达源为电弧，温度可达50005000；而等离子喷涂，由于利用了；而等离子喷涂，由于利用了压缩电弧，形成等离子体，进一步发展高能等离子体，热压缩电弧，形成等离子体，进一步发展高能等离子体，热源温度最高可达源温度最高可达1800018000。热源仍用氧热源仍用氧乙炔火焰，但采用爆炸或超音速技术乙炔火焰，但采用爆炸或超音速技术( (拉阀拉阀尔管、爆震尔管、爆震) )。爆炸波令粒子飞行速度最高达。爆炸波令粒子飞行速度最高达1500 m/s1500 m/s，超，超音速喷涂可使粒子飞行速度最高达音速喷涂可使粒子飞行速度最高达1770 m/s1770 m/s，涂层致密度及，涂层致密度及结合力可大大提高。结合力可大大提高。影响涂层与基体结合强度的因素很多，最主要的是基体前影响涂层与基体结合强度的因素很多，最主要的是基体前处理的质量和适宜喷涂工艺参数的选择。处理的质量和适宜喷涂工艺参数的选择。 47热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用防腐蚀；应用火焰金属线材喷涂铝或锌，在涂层保护作防腐蚀；应用火焰金属线材喷涂铝或锌，在涂层保护作用下，工件可保证用下，工件可保证1919年不损坏。年不损坏。防磨损；通过火焰金属线材喷涂、火焰粉末喷涂或喷熔，防磨损；通过火焰金属线材喷涂、火焰粉末喷涂或喷熔，等离子喷涂，使已磨损零件得以修复，修复后的零件远远等离子喷涂，使已磨损零件得以修复，修复后的零件远远超过新产品寿命。如高炉热风支管、汽车曲轴、柴油机缸超过新产品寿命。如高炉热风支管、汽车曲轴、柴油机缸套。套。特殊功能层；航空航天、原子能等领域，对耐高温、隔特殊功能层；航空航天、原子能等领域，对耐高温、隔热、导电绝缘、防辐射等有特殊要求，整体制造这些材料热、导电绝缘、防辐射等有特殊要求，整体制造这些材料成本极高也不必要，而热喷涂技术可以达到此项要求。成本极高也不必要，而热喷涂技术可以达到此项要求。 其他应用其他应用 ；如钛合金表面等离子喷涂制造生物相容性良；如钛合金表面等离子喷涂制造生物相容性良好的人造骨骼及关节；火焰喷射成形复制复杂零件；金属好的人造骨骼及关节；火焰喷射成形复制复杂零件；金属线材喷涂制造塑料模具等。线材喷涂制造塑料模具等。48绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能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。绿色加工可分为节约资源实现优质、低耗、高效及清洁化。绿色加工可分为节约资源（含能源）的加工技术和环保型加工技术。（含能源）的加工技术和环保型加工技术。绿色加工概述绿色加工概述 3.6.3 绿色加工技术绿色加工技术环境意识制造环境意识制造 (Environmentally Conscious Manufacturing) (Environmentally Conscious Manufacturing) ； 面向环境的制造面向环境的制造 (Manufacturing For Environment) (Manufacturing For Environment) ；绿色制造绿色制造 (Green Manufacturing) (Green Manufacturing)。49绿色制造的体系结构绿色制造的体系结构50绿色加工工艺技术绿色加工工艺技术51绿色加工技术主要从选材、生产加工方法、加工设备三个绿色加工技术主要从选材、生产加工方法、加工设备三个方面来实现，绿色加工的关键技术如图方面来实现，绿色加工的关键技术如图3-263-26所示。所示。绿色加工的关键技术绿色加工的关键技术 图图3-26 绿色加工的关键技术绿色加工的关键技术52刀具技术刀具技术 ；干式加工对刀具材料要求很高，刀具的几何；干式加工对刀具材料要求很高，刀具的几何参数和结构设计要满足干切削对断屑和排屑的要求。加工参数和结构设计要满足干切削对断屑和排屑的要求。加工韧性材料时尤其要解决好断屑问题。韧性材料时尤其要解决好断屑问题。 机床技术；机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，机床技术；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，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。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。系统排出灰尘，对机床主要部位进行隔离。辅助设备技术辅助设备技术 ；辅助设备包括夹具、量具等，其绿色技；辅助设备包括夹具、量具等，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、术主要体现在选用时尽量满足低成本、低能耗、少污染、可回收原则。可回收原则。53 在不使用切削液的干切削条件下，切削液在加工中的冷却、在不使用切削液的干切削条件下，切削液在加工中的冷却、润滑、冲洗、防锈等作用将不复存在。如何在没有切削液的润滑、冲洗、防锈等作用将不复存在。如何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，这就要求人们条件下创造与湿切削相同或近似的切削条件，这就要求人们去研究干式切削机理，从刀具技术、机床结构、工件材料和去研究干式切削机理，从刀具技术、机床结构、工件材料和工艺过程等各方面采取一系列的措施。工艺过程等各方面采取一系列的措施。干式切削与磨削干式切削与磨削q 干切削技术干切削技术 在切削在切削( (含磨削含磨削) )加工过程中，不使用冷却润滑液或使用少加工过程中，不使用冷却润滑液或使用少量的冷却润滑量的冷却润滑MQL(MQL(小于小于50 ml50 ml加工小时加工小时) )，且加工质量和加，且加工质量和加工时间与湿式切削相当或更好的切削技术称为干式切削。只工时间与湿式切削相当或更好的切削技术称为干式切削。只有当所有工序都实现干式切削后，才称为实用化的干式切削，有当所有工序都实现干式切削后，才称为实用化的干式切削，在实用化干式切削条件下，工件是干燥的。在实用化干式切削条件下，工件是干燥的。54干切削刀具干切削刀具干切削刀具干切削刀具 干式切削刀具必须满足以下条件：刀具材料干式切削刀具必须满足以下条件：刀具材料应具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、应具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘接性；切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能耐热冲击和抗粘接性；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、易于散热等。小；刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热等。 采用新型刀具材料采用新型刀具材料 ；主要有：超细硬质合金、陶瓷、立；主要有：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。方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。采用刀具涂层技术；涂层刀具分两大类：一类是采用刀具涂层技术；涂层刀具分两大类：一类是“ “硬硬” ”涂涂层刀具，如层刀具，如TiNTiN、TICTIC和和Al203Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。另一类是度高，耐磨性好。另一类是“ “软软” ”涂层刀具，如：涂层刀具，如：MoS2MoS2、WSWS等涂层刀具。这类涂层刀具也称为等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“ “自润滑刀具自润滑刀具” ”，它与工，它与工件材料的摩擦系数很低，只有件材料的摩擦系数很低，只有0.01mm0.01mm左右，能有效减少切左右，能有效减少切削力和降低切削温度。削力和降低切削温度。刀具几何形状设计；刀具几何形状设计； 应使刀具有较大的前角和刃倾角，应使刀具有较大的前角和刃倾角，配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元。配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元。55干切削机床干切削机床干切削机床干切削机床 最好采用立式布局，至少床身应是倾斜的。理最好采用立式布局，至少床身应是倾斜的。理想的加工布局是工件在上、刀具在下，并在一些滑动导轨副想的加工布局是工件在上、刀具在下，并在一些滑动导轨副上方设置可伸缩角形盖板，工作台上的倾斜盖板可用绝热材上方设置可伸缩角形盖板，工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成，并尽可能依靠重力排屑。干切削时易出现金属悬浮料制成，并尽可能依靠重力排屑。干切削时易出现金属悬浮颗粒，故机床应配置真空吸尘装置并对机床的关键部位进行颗粒，故机床应配置真空吸尘装置并对机床的关键部位进行密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并尽量由热密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并尽量由热膨胀系数小的材料制成，必要时还应进一步采取热平衡和热膨胀系数小的材料制成，必要时还应进一步采取热平衡和热补偿等措施补偿等措施干切削加工工艺干切削加工工艺干切削加工工艺干切削加工工艺 干切削通常是在大气氛围中进行，但在特干切削通常是在大气氛围中进行，但在特殊气体氛围中（如氮气、冷风或采用干式静电冷却技术）而殊气体氛围中（如氮气、冷风或采用干式静电冷却技术）而不使用切削液进行的切削也取得了良好的效果。不使用切削液进行的切削也取得了良好的效果。56在氮气氛围中进行干切削在氮气氛围中进行干切削吹氮加工。日本企业界曾作吹氮加工。日本企业界曾作过吹氮加工和其它方式端铣碳钢的对比试验，发现吹氮加工过吹氮加工和其它方式端铣碳钢的对比试验，发现吹氮加工的刀具磨损，特别是后刀面磨损比吹空气干切削时低得多。的刀具磨损，特别是后刀面磨损比吹空气干切削时低得多。 干式静电冷却技术。其基本原理是通过电离器将压缩空气干式静电冷却技术。其基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化（所消耗的功率不超过离子化、臭氧化（所消耗的功率不超过25W25W），然后经由喷），然后经由喷嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。俄罗斯罗嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。俄罗斯罗士技术公司曾对此作大量试验，发现在多数情况下，采用干士技术公司曾对此作大量试验，发现在多数情况下，采用干式静电冷却技术的刀具寿命与湿切削时相当。式静电冷却技术的刀具寿命与湿切削时相当。冷风干切削。其工作原理是：让低温冷风射流机生成的干冷风干切削。其工作原理是：让低温冷风射流机生成的干燥低温冷风（燥低温冷风（-30-30-50-50，有时也混入极微量的植物油）喷，有时也混入极微量的植物油）喷射到切削点，对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以射到切削点，对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以降低切削温度，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过降低切削温度，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过程较为容易，并相应改善刀具磨损状况。程较为容易，并相应改善刀具磨损状况。57高速干切削技术高速干切削技术高速干切削技术高速干切削技术 它是在高速切削技术的基础上，结合干切它是在高速切削技术的基础上，结合干切削技术或微量切削液的准干切削技术，将高速切削与干切削削技术或微量切削液的准干切削技术，将高速切削与干切削技术有机地融合，结合两者的优点，并对它们的不足进行了技术有机地融合，结合两者的优点，并对它们的不足进行了有效补偿的一项新兴先进制造技术。切削技术、刀具材料和有效补偿的一项新兴先进制造技术。切削技术、刀具材料和刀具设计技术的发展，使高速干切削的实施成为可能。刀具设计技术的发展，使高速干切削的实施成为可能。 干式切削加工的应用干式切削加工的应用干式切削加工的应用干式切削加工的应用汽车后桥的螺旋锥齿轮，在汽车后桥的螺旋锥齿轮，在6 6轴轴5 5联动的联动的CNCCNC铣齿机上，采用干式铣铣齿机上，采用干式铣齿，从毛坯一次成形锥齿轮，不仅效率高，而且加工出的螺旋锥齿轮工齿，从毛坯一次成形锥齿轮，不仅效率高，而且加工出的螺旋锥齿轮工件温度却很低，热量被切屑带走件温度却很低，热量被切屑带走。CBNCBN刀具比陶瓷刀具更适合铸铁刀具比陶瓷刀具更适合铸铁材料的高速切削。材料的高速切削。加工中心在钢件上干式钻孔，解决排屑与断钻头加工中心在钢件上干式钻孔，解决排屑与断钻头等问题的措施有：加大排屑槽，加大钻头的背锥以增大容屑空间，采用等问题的措施有：加大排屑槽，加大钻头的背锥以增大容屑空间，采用TiNTiN涂层刀具可钻涂层刀具可钻65 mm65 mm的孔。又如对淬硬钢孔的精加工，可采用单刃的孔。又如对淬硬钢孔的精加工，可采用单刃铰刀进行铰削以取代传统的磨削与珩磨。铰刀进行铰削以取代传统的磨削与珩磨。加拿大加拿大McMasterMcMaster大学采用大学采用立铣刀以立铣刀以v=1000v=10002000 m/min2000 m/min、f=0.2 mm/zf=0.2 mm/z干铣高温合金干铣高温合金（Inconel718Inconel718）时，可获得）时，可获得Ra=0.7mRa=0.7m的表面粗糙度。的表面粗糙度。58干式磨削的优点：形成的磨屑易回收处理，且可节省涉及干式磨削的优点：形成的磨屑易回收处理，且可节省涉及到磨削液保存、回收处理等方面的的装备及费用，还不会造到磨削液保存、回收处理等方面的的装备及费用，还不会造成环境污染。成环境污染。但具体实现起来比较困难但具体实现起来比较困难。关键问题是如何降。关键问题是如何降低磨削热的产生或使产生的磨削热很快地散发出去。为此可低磨削热的产生或使产生的磨削热很快地散发出去。为此可采取以下措施：采取以下措施： 选择导热性好或能承受较高磨削温度的砂轮；选择导热性好或能承受较高磨削温度的砂轮；减少同时参加磨削的磨粒数量，以降低磨削热的产生，如减少同时参加磨削的磨粒数量，以降低磨削热的产生，如采用图采用图3- 3- 所示的点式磨削。点式磨削是一种形式的干式磨削，所示的点式磨削。点式磨削是一种形式的干式磨削，由德国容克公司首先发展起来的一种超硬磨料高效磨削新工由德国容克公司首先发展起来的一种超硬磨料高效磨削新工艺，目前在我国汽车工业中已得到应用。点磨削是利用超高艺，目前在我国汽车工业中已得到应用。点磨削是利用超高线速度（线速度（120120250m/s250m/s）的单层）的单层CBNCBN薄砂轮（宽度仅几毫米）薄砂轮（宽度仅几毫米）来实现的。来实现的。 q 干磨削技术干磨削技术59快速点磨外圆磨床多工序复合磨削快速点磨外圆磨床多工序复合磨削60减少砂轮圆周速度减少砂轮圆周速度v vs s与工件圆周速度与工件圆周速度v vw w间的比值，这样可使间的比值，这样可使磨削热源快速地在工件表面移动，热量不易进入工件内部；磨削热源快速地在工件表面移动，热量不易进入工件内部； 提高砂轮的圆周速度，以减少砂轮与工件的接触时间；提高砂轮的圆周速度，以减少砂轮与工件的接触时间；采用强冷风磨削。这是日本最近开发成功的一项新技术。采用强冷风磨削。这是日本最近开发成功的一项新技术。实施强冷风磨削时最好采用实施强冷风磨削时最好采用CBNCBN砂轮，这是因为砂轮，这是因为CBNCBN磨粒的磨粒的导热率是传统砂轮磨粒导热率是传统砂轮磨粒AlAl2 2O O3 3、SiCSiC及钢铁材料的及钢铁材料的1515倍。如果倍。如果用传统砂轮磨削，加工点上产生的热量不易从工件上散出，用传统砂轮磨削，加工点上产生的热量不易从工件上散出，工件的温度会上升到工件的温度会上升到10001000左右；如果用左右；如果用CBNCBN砂轮磨削，加砂轮磨削，加工点上产生的热量可经导热率大的工点上产生的热量可经导热率大的CBNCBN磨粒传递出去，工件磨粒传递出去，工件温度约有温度约有300300左右。这时再对磨削点实行强冷风吹冷，可得左右。这时再对磨削点实行强冷风吹冷，可得到良好的效果。到良好的效果。 强冷风磨削也为被加工材料的再生利用开辟了道路，设置强冷风磨削也为被加工材料的再生利用开辟了道路，设置在磨削点下方的真空泵吸走磨削产生的磨屑，这些磨屑粉末在磨削点下方的真空泵吸走磨削产生的磨屑，这些磨屑粉末纯度很高，几乎没有混入磨料和粘结剂颗粒。纯度很高，几乎没有混入磨料和粘结剂颗粒。61q采用采用MQLMQL润滑的准干式切削与润滑的准干式切削与磨削技术磨削技术对于某些加工方式和工件材料组合，纯粹的干式切削目前对于某些加工方式和工件材料组合，纯粹的干式切削目前尚难于在实际生产中使用，故又产生了极微量润滑（尚难于在实际生产中使用，故又产生了极微量润滑（Minimal Minimal Quantity LubricationQuantity Lubrication，MQLMQL）技术。）技术。MQLMQL是将极微量的切削是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化，然后一起喷向油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化，然后一起喷向切削区，对刀具与切屑、刀具与工件的接触界面进行润滑，切削区，对刀具与切屑、刀具与工件的接触界面进行润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区并以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。 案例案例1 1 使用涂有使用涂有TiAlN+MoS2TiAlN+MoS2涂层的钻头在铝合金材料工件涂层的钻头在铝合金材料工件上进行钻孔试验。采用纯粹的干切削钻上进行钻孔试验。采用纯粹的干切削钻1616个孔后，切屑就粘个孔后，切屑就粘连在钻头的容屑槽，使钻头不能继续使用；当采用连在钻头的容屑槽，使钻头不能继续使用；当采用MQLMQL润滑润滑后，钻出后，钻出320320个合格孔后，钻头还没有明显的磨损和粘连。个合格孔后，钻头还没有明显的磨损和粘连。62案例案例2 2 日本稻崎一郎等人曾用直径日本稻崎一郎等人曾用直径10mm10mm的硬质合金端铣刀，的硬质合金端铣刀，以以60m/min60m/min的切削速度铣削碳钢，比较干切削、吹高压空气、的切削速度铣削碳钢，比较干切削、吹高压空气、湿切削（湿切削（250L/h250L/h切削液）和准干式切削（切削液）和准干式切削（20mL/h20mL/h切削油）四切削油）四种加工方式的刀具磨损。尽管准干式切削所使用的切削液不种加工方式的刀具磨损。尽管准干式切削所使用的切削液不及湿切削的万分之一，但其铣刀后刀面的磨损不仅大大低于及湿切削的万分之一，但其铣刀后刀面的磨损不仅大大低于干切削，且与湿切削相近甚至略低。干切削，且与湿切削相近甚至略低。准干式磨削就是在磨削过程中施加微量磨削液，并采取一准干式磨削就是在磨削过程中施加微量磨削液，并采取一定的措施，使这些磨削液全部消耗在磨削区并大部分被蒸发定的措施，使这些磨削液全部消耗在磨削区并大部分被蒸发掉，没有多余磨削液污染环境。射流冷却磨削就是一种准干掉，没有多余磨削液污染环境。射流冷却磨削就是一种准干式磨削。它把冷却介质直接强行送入磨削区，用较少的冷却式磨削。它把冷却介质直接强行送入磨削区，用较少的冷却介质达到大量浇注的效果。射流冷却着重针对磨削区，射流介质达到大量浇注的效果。射流冷却着重针对磨削区，射流的冲刷作用使磨削时产生的磨屑粉末不易粘附在砂轮上，有的冲刷作用使磨削时产生的磨屑粉末不易粘附在砂轮上，有利于加工质量的提高。利于加工质量的提高。63IPTIPT在德国亚琛对铣削传统铸造材料时所产生的粉尘进行了在德国亚琛对铣削传统铸造材料时所产生的粉尘进行了测量，结果表明每加工测量，结果表明每加工1kg1kg材料将产生材料将产生4.5g4.5g极其细小的粉尘。极其细小的粉尘。最大允许值是最大允许值是MAKMAK阈值阈值6 mg/m6 mg/m3 3。虽然可以把机床设计成大。虽然可以把机床设计成大部分采用垂直表面，并用刷子清洁水平表面，但是加工粉尘部分采用垂直表面，并用刷子清洁水平表面，但是加工粉尘会堆积在导轨面上，进入缝隙中，附着在传感器和窗户上，会堆积在导轨面上，进入缝隙中，附着在传感器和窗户上，使得机床的运转变得很困难。用压缩空气或干冰鼓风这种做使得机床的运转变得很困难。用压缩空气或干冰鼓风这种做法不切实际，成本高昂，而且会加剧金属粉尘的问题。金属法不切实际，成本高昂，而且会加剧金属粉尘的问题。金属粉尘的附着也是导致切削刀具使用寿命缩短的一个重要原因。粉尘的附着也是导致切削刀具使用寿命缩短的一个重要原因。干式和干式和MQLMQL切削系统引出的问题切削系统引出的问题金属粉尘金属粉尘64例例1 1 一德国汽车制造商在一条生产轮毂的生产线上使用机械手来装卸一德国汽车制造商在一条生产轮毂的生产线上使用机械手来装卸零件，并采用零件，并采用MQLMQL技术。据称从一组轮毂到下一组轮毂的总制造时间为技术。据称从一组轮毂到下一组轮毂的总制造时间为4343秒。通过使用秒。通过使用MQLMQL系统，乳化剂以每小时系统，乳化剂以每小时80ml80ml的速率被输送贯穿至整个轴，的速率被输送贯穿至整个轴，而传统的切削加工每分钟需要而传统的切削加工每分钟需要300300升乳化剂。机床经专门设计和建造来实升乳化剂。机床经专门设计和建造来实现现“ “悬挂加工悬挂加工” ”，因此，切屑可以直接落下，而不会粘在机床上。，因此，切屑可以直接落下，而不会粘在机床上。例例2 2 在大众汽车公司的扎耳茨吉特工厂，采用干式切入磨削技术来制在大众汽车公司的扎耳茨吉特工厂，采用干式切入磨削技术来制造他们的新型造他们的新型“ “泵泵/ /喷嘴喷嘴” ” 柴油机的锻压凸轮轴。凸轮轴的材料为柴油机的锻压凸轮轴。凸轮轴的材料为16MnCr516MnCr5，所达到的公差必须小于所达到的公差必须小于5/100mm5/100mm。已经开发出了专门的刀具来从事该磨削。已经开发出了专门的刀具来从事该磨削加工。加工。应用实例应用实例应注意：应注意：应注意：应注意：为了利用干切削或为了利用干切削或MQLMQL切削技术，需要预先规划、切削技术，需要预先规划、设计、专门的制造技术以及投资，这在一定程度上削弱了干设计、专门的制造技术以及投资，这在一定程度上削弱了干式或式或MQLMQL切削技术较传统加工原理的成本优势。因而他们技切削技术较传统加工原理的成本优势。因而他们技术的发展还需要解决很多的实际问题。术的发展还需要解决很多的实际问题。65