基于綠色制造的新型機(jī)械制造工藝及裝備技術(shù)研究

摘要：綠色制造強(qiáng)調(diào)機(jī)械制造設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境的影響最小、資源利用率最高的效果。航空發(fā)動(dòng)機(jī)為航空器提供飛行動(dòng)力，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的典型零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)工件報(bào)廢頻繁的現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)。本文以當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)加工過(guò)程中存在的問(wèn)題為切入點(diǎn)，闡釋實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)綠色制造的工藝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：綠色制造 發(fā)動(dòng)機(jī) 工藝技術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)是以高能耗、高污染為主的，隨著世界環(huán)境的不斷污染，人們開(kāi)始重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)，因此立足科技進(jìn)步，構(gòu)建綠色機(jī)械制造工藝技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)前世界機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。綠色制造技術(shù)是一種清潔生產(chǎn)方式和廢棄物循環(huán)利用的生產(chǎn)模式，強(qiáng)調(diào)對(duì)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)全過(guò)程的最優(yōu)化控制，通過(guò)合理的控制與改進(jìn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備制造對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，降低對(duì)自然資源的消耗，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及生態(tài)效益的和諧發(fā)展。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝的現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于我國(guó)制造技術(shù)的發(fā)展，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)還比較落后，尤其是在加工工藝上，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量比較多，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境比較惡劣，導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)在制造過(guò)程中存在大量的能源消耗等問(wèn)題，以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的切割技術(shù)為例，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的切割主要是依靠編程人員的經(jīng)驗(yàn)選取切削參數(shù)等加工信息，這樣導(dǎo)致切削用量選擇保守、不規(guī)范，進(jìn)而出現(xiàn)加工出來(lái)的零部件不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的工作要求，從而產(chǎn)生了大量的廢棄零部件，造成資源的浪費(fèi)。因此實(shí)施綠色制造對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平，減少制造過(guò)程中的報(bào)廢具有重要的意義。

2 基于綠色制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中出現(xiàn)資源浪費(fèi)等現(xiàn)象，亟待提高制造技術(shù)手段，更大范圍地采用現(xiàn)階段各類成熟的先進(jìn)制造技術(shù)。主要體現(xiàn)在：

2.1 采取資源節(jié)約型工藝技術(shù) 采取資源節(jié)約型工藝技術(shù)是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的加工技術(shù)以消耗不可再生金屬材料的時(shí)代已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空事業(yè)發(fā)展的要求，當(dāng)前高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的新型結(jié)構(gòu)件，由于毛坯結(jié)構(gòu)的變化，其制坯方法也發(fā)生了重大變化。精鑄件、精鍛件、單晶和定向凝固精鑄件毛坯將取代傳統(tǒng)的大余量毛坯。傳統(tǒng)意義的鍛件將由77%降至33%，精鑄件由18%增至44%以上，粉末冶金件由3% 增至8%，復(fù)合材料構(gòu)件由4%增至15%。

2.2 降低能耗型工藝技術(shù) 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，需要消耗大量的自然資源，隨著自然資源的日益緊張，積極采取低能耗工藝技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代航空技術(shù)的重要內(nèi)容。降低能耗工藝技術(shù)主要包括：一是在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)上實(shí)施節(jié)能措施。比如改善發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇工作性能參數(shù)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率等。二是從生產(chǎn)工藝方面入手，改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，加大節(jié)能型生產(chǎn)工藝技術(shù)的應(yīng)用。三是積極利用先進(jìn)的生產(chǎn)材料，比如當(dāng)前我國(guó)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高溫合金材料，國(guó)內(nèi)GH4169合金主要采用兩聯(lián)工藝（VIM+VAR）生產(chǎn)，棒材采用快速水壓機(jī)開(kāi)坯生產(chǎn)，盤(pán)鍛件采用快速水壓機(jī)自由鍛制坯，在錘或水壓機(jī)上采用包套模鍛工藝或在等溫?cái)?shù)控液壓機(jī)上采用近等溫鍛工藝生產(chǎn)。四是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的管理技術(shù)。通過(guò)強(qiáng)化加工過(guò)程的管理，提高工作效率，避免出現(xiàn)人為因素的失誤而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。例如在生產(chǎn)加工發(fā)動(dòng)機(jī)零部件時(shí)一定要按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，避免因?yàn)槿藶榈拇中亩鴮?dǎo)致的零部件出現(xiàn)報(bào)廢。

2.3 環(huán)境保護(hù)型工藝技術(shù) 航空飛行器對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，其主要體現(xiàn)在：一是巨大噪音，對(duì)人們的生活產(chǎn)生巨大的影響；二是廢氣污染，研究發(fā)現(xiàn)，航空器在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的凝結(jié)尾跡會(huì)形成卷云（一種高空云），這種云會(huì)阻礙地球表面熱輻射的散發(fā)，進(jìn)而加劇全球氣候變暖。因此需要采取具有高阻尼降噪性能、節(jié)能環(huán)保的新型材料，并從工藝角度避免切削加工的過(guò)程中造成的污染。

3 選擇綠色制造技術(shù)的切削液系統(tǒng)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造過(guò)程中需要利用切削加工零部件，為提高切削的工作效率，往往會(huì)應(yīng)用切削液，但是切削液的使用會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成污染，同時(shí)在清除加工零件切削液時(shí)也會(huì)產(chǎn)生“二次污染”。同時(shí)應(yīng)用切削液也會(huì)無(wú)形之中增加生產(chǎn)成本。因此采用減少切削液的使用、綠色切削液的選擇、優(yōu)化切削液系統(tǒng)以減少切削液的環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)等問(wèn)題已成為綠色制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

3.1 面向綠色制造的切削液供給系統(tǒng) 一是采取對(duì)數(shù)量的噴嘴。傳統(tǒng)的切削液供給主要是由單一的噴嘴裝置實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)噴嘴向刀具、工件的噴灑過(guò)濾之后返回到供液箱內(nèi)，這樣的噴灑模式需要消耗大量的切削液，如果采取一個(gè)噴嘴的話就需要保證切削液的容量，避免因?yàn)榍邢饕喝萘康牟蛔愣a(chǎn)生切削溫度過(guò)熱的現(xiàn)象。采取多個(gè)噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)切削量的使用效率，他們就能夠更好地滲透到切削區(qū)，保證切削工作效率的最大化。二是通過(guò)外噴霧冷卻方法。外部噴霧冷卻潤(rùn)滑方式就是通過(guò)霧噴裝置將切削液以霧狀的形式噴射到加工的零件上，從而降低加工過(guò)程中的溫度，實(shí)踐證明使用霧噴技術(shù)可以大大降低切削液的使用量，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造、修理企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 面向綠色制造技術(shù)的切削液選擇 切削液雖然能夠大大提高切削工件的質(zhì)量，但是如果不能合理的應(yīng)用切削量，就會(huì)造成環(huán)境的污染，切削液對(duì)環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在：一是對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。切削液一旦流入生態(tài)環(huán)境中，不僅會(huì)對(duì)水資源構(gòu)成污染，也會(huì)影響土壤的成分。二是對(duì)人體身體健康的威脅。切削液中添加的某些成分對(duì)人體的影響是巨大的，一旦切削液被人所吸收產(chǎn)生的嚴(yán)重后果就是中毒。因此根據(jù)不同的加工工藝要求選擇合適的切削液是節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)成本，降低對(duì)環(huán)境污染的有效措施。

3.3 綠色切削液的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 一是要積極地改善切削液的成分，根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，選擇具有環(huán)保、可再生資源作為切削液的主要構(gòu)成原料，比如在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)零件性能的基礎(chǔ)上可以采取植物油作為切削液的主要成分。二是積極創(chuàng)新切削液的添加劑成分。比如開(kāi)發(fā)研究硼酸酯類添加劑、鉬酸鹽系緩蝕劑、新型防腐殺菌劑等。三是開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)切削液的替代品。傳統(tǒng)的以油脂為主的切削液具有處理不方便，對(duì)環(huán)境影響大的缺陷，而液氮?jiǎng)t具有揮發(fā)性，其在使用后能夠快速的揮發(fā)，其不會(huì)產(chǎn)生任何的污染，而且液氮的制冷效果也要高于傳統(tǒng)的切削液。

4 面向綠色制造技術(shù)的機(jī)床和刀具系統(tǒng)

4.1 面向綠色制造技術(shù)的機(jī)床設(shè)備 隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對(duì)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)床設(shè)備要求也越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是在高科技信息時(shí)代背景下，要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)床設(shè)備也要具備高端科技化技術(shù)：首先由于發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件原件的強(qiáng)度不斷提高，因此需要切削機(jī)床必須有足夠高的剛性，以此提高機(jī)床加工的工作效率。同時(shí)機(jī)床的冷卻應(yīng)采用噴霧、冷風(fēng)或壓縮空氣。其次利用MQL技術(shù)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)。實(shí)施MQL技術(shù)是提高機(jī)床排屑性能的重要技術(shù)。

4.2 面向綠色制造技術(shù)的刀具技術(shù) 首先要選擇適合發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工的刀具。加工刀具的材質(zhì)要符合加工零件材質(zhì)的要求，要根據(jù)不同的加工原料采取相應(yīng)的刀具，比如鎢鉆類適合用于加工鑄鐵、有色金屬等短切屑的工件。而鎢鈷鈦類由于存在少量硬度更高而韌性稍遜的鈦化物，更合適加工鋼件等長(zhǎng)切屑的工件。同樣刀具的不同涂層材質(zhì)對(duì)加工原料的影響也是不同的，例如氮化鈦涂層可增加刀具表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)，減少積屑瘤的產(chǎn)生，延長(zhǎng)刀具壽命。其次加強(qiáng)廢舊硬質(zhì)合金刀片再利用。提高廢棄刀具的回收利用是降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。最后，研制適合干切削加工的刀具材料。由于速干式切割的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，大大降低刀具的使用壽命，因此刀具要具有耐高溫性、耐磨性、高強(qiáng)度和高沖擊韌性。當(dāng)然對(duì)刀具表面進(jìn)行涂層處理實(shí)際上也會(huì)產(chǎn)生很好的效果，通過(guò)涂抹可以在刀具與零件加工過(guò)程中形成一種隔熱層，進(jìn)而有效避免刀具因?yàn)槭軣岫霈F(xiàn)磨損較大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不斷提高以及追求經(jīng)濟(jì)效益最大化的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備加工技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，而基于綠色加工的機(jī)械制造工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械設(shè)備全周期的控制，有效地解決了機(jī)械制造過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)資源的消耗，并且大大優(yōu)化了機(jī)械制造過(guò)程的流程，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：黃彥春（1971-），男，山東膠南人，部長(zhǎng)，研究方向：機(jī)械制造。