綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)

1、河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校論先進(jìn)制造工藝技術(shù)系部：機(jī)械工程系班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：日期：2012年10月20日論先進(jìn)制造工藝技術(shù)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)從/大制造0的概念來(lái)講，制造的全過(guò)程一般包括:產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、材料選擇、生產(chǎn)制造、 包裝運(yùn)輸、使用和報(bào)廢處理等階段。如果在每個(gè)階段都考慮到有關(guān)綠色的因素，就會(huì)產(chǎn)生相 應(yīng)的綠色制造技術(shù).1.1綠色設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通常主要考慮的是產(chǎn)品的基本屬性,如功能、質(zhì)量、壽命、成本等很少考慮 環(huán)境屬性。按這種方式生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后,回收利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重, 毒性物質(zhì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，形成一個(gè)/從搖籃到墳?zāi)?的過(guò)程。綠色設(shè)計(jì)的基本思想就是要 在設(shè)計(jì)階

2、段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中,將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn),力求使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響達(dá)到最小2。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)綠色設(shè)計(jì)是從可持續(xù)發(fā) 展的高度審視產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段按照全生命周期的觀點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性 的分析與評(píng)價(jià)，消除潛在的、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響力求形成/從搖籃到再現(xiàn)0的過(guò)程。其與傳統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要區(qū)別如表1所示。綠色設(shè)計(jì)主要可以通過(guò)生命周期設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)3、模塊化 設(shè)計(jì)等幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn).1.2綠色材料選擇綠色產(chǎn)品首先要求構(gòu)成產(chǎn)品的材料具有綠色特性，即在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi),這類(lèi)材料應(yīng)有 利于降低能耗，環(huán)境負(fù)荷最小。具體地說(shuō)在綠色設(shè)計(jì)時(shí)，材料選擇應(yīng)從以下幾方面來(lái)

3、考慮。減 少所用材料種類(lèi)使用較少的材料種類(lèi)，不僅可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于零件的生產(chǎn)、管理和材料 的標(biāo)識(shí)、分類(lèi)，而且在相同的產(chǎn)品數(shù)量下，可以得到更多的某種回收材料.1.3清潔生產(chǎn)相對(duì)于真正的清潔生產(chǎn)技術(shù)而言，這里所提到的清潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)加工過(guò)程。在這一環(huán)節(jié), 要想為綠色制造做出貢獻(xiàn),需從綠色制造工藝技術(shù)、綠色制造工藝設(shè)備與裝備等入手。在實(shí) 質(zhì)性的機(jī)械加工中,在鑄造、鍛造沖壓、焊接、熱處理、表面保護(hù)等過(guò)程中都可以實(shí)行綠色 制造工藝。具體可以從以下幾方面入手:改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)品合格率;采用合理工藝，簡(jiǎn)化產(chǎn)品 加工流程,減少加工工序,謀求生產(chǎn)過(guò)程的廢料最少化，避免不安全因素;減少產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中 的污染

4、物排放，如減少切削液的使用等。目前多通過(guò)干式切削技術(shù)5來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。1.4綠色包裝現(xiàn)代商品的營(yíng)銷(xiāo)有五大要素,即產(chǎn)品、價(jià)格、渠道、促銷(xiāo)和包裝。而在重視環(huán)境 保護(hù)的世界氛圍里，綠色包裝在銷(xiāo)售中的作用也越來(lái)越重要。消費(fèi)者更是對(duì)商品包裝提出了 4R1D的原則,即Reduce（減少包裝材料消耗）,Reuse（包裝容器的再充填使用）,Recycle（包裝材 料的循環(huán)利用）,Recover（能源的再生），及Degradable（包裝材料的可降解性）。綠色包裝是指采 用對(duì)環(huán)境和人體無(wú)污染,可回收重用或可再生的包裝材料及其制品的包裝。首先必須盡可能 簡(jiǎn)化產(chǎn)品包裝，避免過(guò)度包裝;使包裝可以多次重復(fù)使用或便于回收

5、,且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。如 在摩托羅拉的標(biāo)準(zhǔn)包裝盒項(xiàng)目方面，其做法是縮小包裝盒尺寸，提高包裝盒利用率，并采用再 生紙漿內(nèi)包裝取代原木漿，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益1.5綠色處理技術(shù)在傳統(tǒng)的觀念中，產(chǎn)品壽命結(jié)束后,就再也沒(méi)有使用價(jià)值了。事實(shí)上，如果將廢棄的產(chǎn)品中有用 的部分再合理地利用起來(lái),既能節(jié)約資源又可有效的保護(hù)環(huán)境，這也正是有些文獻(xiàn)中所提到的 綠色產(chǎn)品的可回收性及可拆卸性設(shè)計(jì).超精密加工技術(shù).2.1 工作原理近年來(lái)在傳統(tǒng)加工方法中金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速 切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位在非傳統(tǒng)加工中出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高 能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、

6、電火花和電化學(xué)加工等多種方法特別是復(fù)合加工如磁 性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等在加工機(jī)理上均有所創(chuàng)新 2.2超精密制造技術(shù)的應(yīng)用范圍超精密制造技術(shù)是隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。Renishaw、Heidenhain及SONY等公司 發(fā)展了分辨率均可以達(dá)到1nm的測(cè)量元件美國(guó)HP公司、英國(guó)Taylor、美國(guó)zygo等公司的 測(cè)量?jī)x器均可以滿(mǎn)足納米測(cè)量的需求。超精密制造技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。與國(guó)防 工業(yè)有關(guān)的如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和遙測(cè)部件、被送入太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡（HST）、飛機(jī)發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等與集成電路（IC）有關(guān)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

7、要求達(dá)01nm）此外光刻設(shè)備和硅片加工設(shè)備的精度要求到亞微米和納米級(jí)。導(dǎo)彈慣 性?xún)x表的精度、激光陀螺儀的平面反射鏡的精度、紅外制導(dǎo)的導(dǎo)彈反射鏡等其表面粗糙度均 要求達(dá)到納米級(jí)。另外光學(xué)非球曲面零件面形制造精度要求已達(dá)久/（3050）表面粗糙度要 求 W05nm.超高速切削和超高速磨削技術(shù)3.1超高速切削和超高速磨削技術(shù)在航空航天工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用航空航天工業(yè)中許 多零件采用薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)，由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，因此，高速切削成為 此類(lèi)零件加工工藝的唯一選擇。飛機(jī)上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來(lái)由多 個(gè)鉚接或焊接而成的部件，改用整體實(shí)心材料制造，此即“整體制造法”。

8、有的整體構(gòu)件的 材料去除率高達(dá)9O%，采用高速切削可大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，這也 是高速切削技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。例如，波音公司在生產(chǎn)波音F/15 戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，采用“整體制造法”，飛機(jī)零件數(shù)量減少了 42%，用高速銑削代替組裝方法得 到大型薄壁構(gòu)件，減少了裝配等工藝過(guò)程。航空和動(dòng)力工業(yè)部門(mén)還大量采用鎳基合金（如 inconel 718）和鈦合金（如TiAI6V4）制造飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)零件。這些材料強(qiáng)度大、硬度高、耐 沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，屬于難加工材料，至今一般仍采用很 低的切削速度進(jìn)行加工。如采用超高速切削，剛其切削速度可提高到1001

9、000 m/min， 為常規(guī)切速的l0倍左右.不但可大幅度提高生產(chǎn)效率，而且可有效地減少刀具磨損，提高 加工零件的表面質(zhì)量。3.2超高速切削和超高速磨削技術(shù)在纖維增強(qiáng)塑料中的應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料是機(jī)械工業(yè)常用的新型復(fù)合材料，分碳素纖維和玻璃纖維兩大類(lèi)，切削這種 材料時(shí)，對(duì)刀具有十分嚴(yán)重的刻劃作用，刀具很容易磨損。當(dāng)用金剛石刀具對(duì)這種材料進(jìn)行 超高速切削時(shí)（切速V=2 OOO5 000 m/min，進(jìn)給量S=l040 m / min），上述問(wèn)題都可避 免，加工精度和效率將明顯提高。3.3超高速切削超高速切削和超高速磨削技術(shù)在模具制造業(yè)中的應(yīng)用模具型腔加工過(guò)去一直為電加工所壟斷，但其加工效率低。而超高

10、速加工切削力小，可淬 硬HRC60的模具鋼，加工表面粗糙度值又很小，淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來(lái) 代替電加工；對(duì)深腔小曲率的，可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，電加工只作為精 加工。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。3.4超高速切削和超高速磨削技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用以高速加工技術(shù)為基礎(chǔ)的敏捷柔性自動(dòng)生產(chǎn)線被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外汽車(chē)制造廠家使用。國(guó) 內(nèi)如一汽大眾捷達(dá)轎車(chē)自動(dòng)生產(chǎn)線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)器等高速生 產(chǎn)線組成，年產(chǎn)轎車(chē)能力15萬(wàn)輛，制造節(jié)拍1. 50分/輛；上海大眾桑塔納轎車(chē)自動(dòng)生產(chǎn) 線等。國(guó)外如美國(guó)GM發(fā)動(dòng)機(jī)總成工廠的高速柔性自動(dòng)生產(chǎn)線、福特汽車(chē)公司

11、和Ingersoll 機(jī)床公司合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車(chē)生產(chǎn)線等。特種加工電火花加工4.1：定義：EDM，又稱(chēng)放電加工。它是在加工過(guò)程中，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的 火花放電，靠放電時(shí)局部、瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來(lái)。4.2：原理：在一定介質(zhì)（煤油或水）基于工具和工件之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象 來(lái)蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。4.3：電火花加工的條件：必須使工具電極和工件被加工表面之間經(jīng)常保持一定的放電間隙， 通常約為0.020.1mm；火花放電必須是瞬時(shí)的脈沖性放電；火花放電必須在有一定絕緣性 能的液體介質(zhì)中進(jìn)行，如煤油、

12、皂化液或去離子水。4.4 :優(yōu)點(diǎn)1適合于任何難切削導(dǎo)電材料的加工2可以加工特殊及復(fù)雜形狀的表面和零件 局 限性1主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料，但在一定條件下也可以加工半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料2 一般加工速度較慢3存在電極損耗4.5：電火花加工的機(jī)理：1極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道2介質(zhì)熱分解、電極材 料熔化、氣化熱膨脹（5000度以上）3電極材料的拋出（通道中心的壓力最高）4極間介質(zhì) 的消電離:影響材料放電腐蝕的主要因素1極性效應(yīng)：在電火花加工過(guò)程中，無(wú)論是正極還是負(fù)極，都會(huì)受到不同程度的電蝕。即使 是相同材料，正負(fù)極的電蝕量也是不同的。這種單純由于正、負(fù)極性不同而彼此電蝕量不一 樣的現(xiàn)象叫做極

13、性效應(yīng)。如果兩電極材料不同，則極性效應(yīng)更加復(fù)雜。在生產(chǎn)過(guò)程中，我國(guó) 常把工件接脈沖電源的正極（工具電極接負(fù)極）時(shí)，稱(chēng)正極性加工，反之稱(chēng)為負(fù)極性加工或 反極性加工。短脈沖時(shí)，采用正極性；長(zhǎng)脈沖時(shí)，采用負(fù)極性。從提高加工生產(chǎn)率和減少工 具損耗的角度來(lái)看，極性效應(yīng)越顯著越好，一般采用單向脈沖直流電源，不能用交流電源。2電參數(shù)對(duì)電蝕量的影響：提高電蝕量和生產(chǎn)率的途徑：提高脈沖頻率f；增加單個(gè)脈沖能 量。但是如果脈沖間隔時(shí)間過(guò)短，將產(chǎn)生電弧放電；隨著單個(gè)脈沖能量的增加，加工表面粗 糙度也隨之增大3金屬材料熱學(xué)常數(shù)對(duì)電蝕量的影響：當(dāng)脈沖放電能量相同時(shí)，金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容 等越高，電蝕量將越少，越難加

14、工。4工作液對(duì)電蝕量的影響：介質(zhì)性能好、密度和粘度大的工作液有利于壓縮放電通道，提高 放電的能量密度，強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的拋出效應(yīng)，但粘度大難于電蝕產(chǎn)物的排出，影響正常放電。 目前，粗加工用機(jī)油，中、精加工用粘度小、滲透性好的煤油。現(xiàn)在還用水基工作液，粗加 工可代替油類(lèi)。:電火花加工的加工速度和工具的損耗速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)工件的電蝕量稱(chēng)為加工速度， 即生產(chǎn)率。:降低工具電極的損耗的途徑：正確選擇極性和脈寬；利用吸附效應(yīng)；利用傳熱效應(yīng)； 選用合適的電極工具材料（石墨、銅碳、銅鎢等合金）:影響加工精度的主要因素：1.放電間隙的大小及其一致性工具電極的損耗及其穩(wěn)定性二次放電。盡量縮小放電間隙，不但可以提高仿

15、形精度，而且放電間隙愈小，可能產(chǎn)生的 間隙變化量也愈小。二次放電：指?jìng)?cè)面已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入而再次進(jìn)行的非 正常放電，集中反映在加工深度方向產(chǎn)生斜度和加工棱角棱邊變鈍方面。（形成喇叭口）。另 外，電火花加工時(shí)，工具的尖角或凹角很難精確的復(fù)制在工件上，尖角變成圓角。:電火花加工的表面質(zhì)量：表面粗糙度、表面變質(zhì)層和表面力學(xué)性能。1對(duì)表面粗糙度 影響最大的是單個(gè)脈沖能量，能量越大，每次的蝕除量大，表面粗糙度惡化。2表面變質(zhì)層 分為熔化凝固層和熱影響層。3表面力學(xué)性能：顯微硬度及耐磨性、殘余應(yīng)力、耐疲勞性能。 殘余應(yīng)力一般為拉應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)械加工表面。:常用的電火花加工脈沖電源（

16、單向脈沖）：RC線路脈沖電源（張弛式脈沖電源）、 晶體管式脈沖電源、各種派生脈沖電源（1.高低壓復(fù)合脈沖電源、2多回路脈沖電源、等脈 沖電源、高頻分組脈沖和梳形波脈沖電源、節(jié)能型脈沖電源）4.12:電火花加工的自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)：1具體見(jiàn)書(shū)30頁(yè)，還有圖要理解，已經(jīng)理解好了。對(duì)自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一般要求:有較廣的速度調(diào)節(jié)跟蹤范圍;有足夠的靈敏度和快速性； 有必要的穩(wěn)定性；體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠及維修方便。4.13 ：自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成部分：測(cè)量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié) （伺服電動(dòng)機(jī)）、調(diào)節(jié)對(duì)象（工具和工件間的放電間隙（0.廣0.01mm）4.14：五種放電狀態(tài)：空載、火花、短

17、路、穩(wěn)定電弧、不穩(wěn)定電弧。圖見(jiàn)書(shū)就好。第三章點(diǎn) 火花線切割加工一：定義電火花線切割加工（WEDM）是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠火花 放電對(duì)工件進(jìn)行切割，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)線切割。電子束加工的原理：1在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小 面積上，在極短的時(shí)間內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾 千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。只使材料局部 加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可進(jìn)行電子束焊接；使材料熔化和氣化， 就可進(jìn)行打孔和切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化 的原理，可進(jìn)行

18、電子束光刻加工。2電子束加工的特點(diǎn)：加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法；非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用， 不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形，被加工材料范圍廣；生產(chǎn)率很高；過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；加工污 染少，適用于加工容易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料；價(jià)格貴， 生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。電子束加工裝置由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源組成。應(yīng)用：高速打孔、加工型 孔及特殊表面、刻蝕、焊接、熱處理、電子束光刻。4離子束加工原理：與電子束加工相似，在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦，使之撞擊到工 件表面，不同的是，離子質(zhì)量比電子大數(shù)千數(shù)萬(wàn)倍，離子束加速到較高速度時(shí)，離子束比 電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加 工的。離子束加工的物理基礎(chǔ)：離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。4.離子束加工分類(lèi)： 離子刻蝕、離子濺射沉積、離子鍍、離子注入。離子束加工的特點(diǎn)：離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法，是 當(dāng)代納米加