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低温加工工艺的绿色功能和综合效益 |
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作者：北京联合大学 雷红 李华志 |
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摘要：低温加工技术是利用物质在低温(包括超低温)状态下的特殊性能来进行机械加工的一门切削加工工艺。本文论述了低温加工对于解决传统切削加工中切削液造成的环境污染的重要作用，从绿色制造的角度建立了低温加工的一种资源综合利用模型，并从社会效益和经济效益考虑，分析了低温加工的综合效益。
1 概述
制造业是创造人类社会财富的支柱产业。一个经济大国没有自己的制造业就不可能保证国民经济的可持续发展。与此同时，人们也认识到，一切制造及其产品的使用，都将以自然资源的消耗为前提，而一切制造过程及其产品的使用与处理都将面对其对环境影响效应的选择。图1表明了其间的关系：
长期以来，以扩大开发自然资源和无偿利用环境为主要特征的经济发展模式，一方面创造了巨大的社会财富，另一方面也造成了全球性的生态破坏、资源短缺、环境污染，从根本上削弱甚至动摇了现代经济社会赖以生存和继续发展的基础。这就迫切地要求改变传统的发展战略。就制造业而言，切削加工是制造过程的重要组成部分，而切削加工中所消耗掉的切削液资源约占零件加工成本的16%,若再考虑切削液的排放、回收等费用，该比例还会增加。另一方面，切削液还会造成较为严重的污染，一是切削液使用过程中产生的油雾、水雾、烟雾等直接对车间环境产生污染；二是排出的切削液流入江河对水资源造成污染。所以，对切削液污染的治理是一个非常重要的问题。而低温加工是解决该污染的有效方法。
图1 制造业与环境
2 低温加工的绿色功能和资源综合利用模型
1) 低温加工工艺简介
低温加工是指利用物质在低温（包括超低温）状态下的特殊性能来进行机械加工。低温加工时，利用超低温液流体在机械加工系统内的切削区形成局部低温（或超低温）状态，从而利用在这种状态下加工对象和加工刀具的机械性能的改变，使其有利于机械加工。特别是对一些难加工材料，如钛合金、低合金钢、低碳软钢和一些塑韧性特别强的复合材料等形成较好的加工状态。图2为一种低温加工系统的构成示意图。 
图2 低温加工示意图
低温加工的基本步骤是：
·根据加工对象和加工工具的特性设定最佳低温加工温度Topt；
·利用低温流体使特定封闭式加工区的温度达到Topt；
·自动控制低温流体的喷射量，以维持加工区的温度在Topt状态：一方面，当检测到的加工区温度偏离Topt,则通过反馈控制器来调节喷射流量，另一方面当加工系统输入功率发生变化，则直接通过前馈控制器超前调节喷射流量，以维持最佳低温加工状态。其控制系统框图如图3所示。
图3 低温加工系统控制系统框图
2) 低温加工的绿色功能和资源综合利用模型
低温加工采用的低温液体一般为液氮，液氮取自空气，使用过程中挥发回到空气中，无论其生产还是使用过程，均不对环境造成任何污染，避免了切削液所造成的环境污染。
液氮挥发时，局部会产生缺氧现象，故应对加工区进行屏蔽，避免操作者受影响。
自然，比起常规的加工来，低温加工系统增加了两部分额外费用：一部分是低温设备的投资费（包括低温容器、加工区屏蔽、控制系统）；另一部分是低温液体消耗费。
若我们从资源的综合利用的角度出发，把制造厂建在氧气厂附近，直接利用氧气厂的废液——液氮作为低温加工系统的低温源，而液氢、液氧等输出供他用，形成资源综合优化利用系统，最大限度的提高资源综合利用率。另外还省去切削液供应及回收，减少了资源消耗，降低了低温加工的成本，提高其经济可行性。如图4所示。
图4 低温加工资源综合利用模型
图中 Ec——切削时变换为热能的能量；
Ech——切屑和工件带走的能量；
Eab——低温液所吸收的热能；
Eenv——低温加工系统初始化所吸收的能量。
3 低温加工的综合效益
由此可见，低温加工工艺有以下优点，如图5所示。
图5 低温加工的综合效益
改善某些塑韧性特别强的复合材料的机械加工性能。例如钛合金是一种广泛应用于航天和国防的优质合金材料，但又是一种典型的难加工材料，由于其塑性和韧性太强，加工时易损刀具，因而加工成本高，效率低。如果在低温状态下，其延伸率降低，脆性增加，加工性能将得到很大改善，从而提高了刀具的耐用度，降低了生产成本，提高了生产率和加工质量。
减少了资源消耗。省去了切削液的供应与回收，利用氧气厂的废液——液氮，实现了资源的循环使用，从而降低了加工成本。
减少了环境污染。液氮来自氧气厂，产生过程中不产生污染物，使用过程中不对车间环境造成污染，也没有排放物对生态环境造成污染，有效地保护了生态环境。
4 结论
实施绿色制造和清洁生产，已是摆在制造业面前的迫切任务，在以制造时间(T)、制造质量(Q)、制造成本(C)和使用服务(S)评价制造，技术和过程的同时，要求人们充分重视环境特性(E)，从某种意义上讲，这是关系人类“千秋大业”子孙后代的事，在研究现代制造技术和生产模式中所必须予以充分注意认真研究的问题。本文提出的低温加工工艺能实现资源的优化综合利用，有效地减少环境污染，具有良好的社会效益。另一方面，可以提高生产率和加工质量，降低加工成本，具有良好的经济效益，是一种大有发展的绿色加工工艺。(end)
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(3/4/2007) |
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