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摘要：低溫加工技術(shù)是利用物質(zhì)在低溫（包括超低溫）狀態(tài)下的特殊性能來(lái)進(jìn)行機(jī)械加工的一門(mén)切削加工工藝。本文論述了低溫加工對(duì)于解決傳統(tǒng)切削加工中切削液造成的環(huán)境污染的重要作用，從綠色制造的角度建立了低溫加工的一種資源綜合利用模型，并從社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益考慮，分析了低溫加工的綜合效益。

1 概述

制造業(yè)是創(chuàng)造人類(lèi)社會(huì)財(cái)富的支柱產(chǎn)業(yè)。一個(gè)經(jīng)濟(jì)大國(guó)沒(méi)有自己的制造業(yè)就不可能保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到，一切制造及其產(chǎn)品的使用，都將以自然資源的消耗為前提，而一切制造過(guò)程及其產(chǎn)品的使用與處理都將面對(duì)其對(duì)環(huán)境影響效應(yīng)的選擇。圖1表明了其間的關(guān)系：
長(zhǎng)期以來(lái)，以擴(kuò)大開(kāi)發(fā)自然資源和無(wú)償利用環(huán)境為主要特征的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，一方面創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富，另一方面也造成了性的生態(tài)破壞、資源短缺、環(huán)境污染，從根本上削弱甚至動(dòng)搖了現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)賴(lài)以生存和繼續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這就迫切地要求改變傳統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略。就制造業(yè)而言，切削加工是制造過(guò)程的重要組成部分，而切削加工中所消耗掉的切削液資源約占零件加工成本的16%,若再考慮切削液的排放、回收等費(fèi)用，該比例還會(huì)增加。另一方面，切削液還會(huì)造成較為嚴(yán)重的污染，一是切削液使用過(guò)程中產(chǎn)生的油霧、水霧、煙霧等直接對(duì)車(chē)間環(huán)境產(chǎn)生污染；二是排出的切削液流入江河對(duì)水資源造成污染。所以，對(duì)切削液污染的治理是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。而低溫加工是解決該污染的有效方法。

圖1 制造業(yè)與環(huán)境

2 低溫加工的綠色功能和資源綜合利用模型

1） 低溫加工工藝簡(jiǎn)介

低溫加工是指利用物質(zhì)在低溫（包括超低溫）狀態(tài)下的特殊性能來(lái)進(jìn)行機(jī)械加工。低溫加工時(shí)，利用超低溫液流體在機(jī)械加工系統(tǒng)內(nèi)的切削區(qū)形成局部低溫（或超低溫）狀態(tài)，從而利用在這種狀態(tài)下加工對(duì)象和加工刀具的機(jī)械性能的改變，使其有利于機(jī)械加工。特別是對(duì)一些難加工材料，如鈦合金、低合金鋼、低碳軟鋼和一些塑韌性特別強(qiáng)的復(fù)合材料等形成較好的加工狀態(tài)。圖2為一種低溫加工系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。

圖2 低溫加工示意圖

低溫加工的基本步驟是：

·根據(jù)加工對(duì)象和加工工具的特性設(shè)定*低溫加工溫度Topt；
·利用低溫流體使特定封閉式加工區(qū)的溫度達(dá)到Topt；
·自動(dòng)控制低溫流體的噴射量，以維持加工區(qū)的溫度在Topt狀態(tài)：一方面，當(dāng)檢測(cè)到的加工區(qū)溫度偏離Topt,則通過(guò)反饋控制器來(lái)調(diào)節(jié)噴射流量，另一方面當(dāng)加工系統(tǒng)輸入功率發(fā)生變化，則直接通過(guò)前饋控制器超前調(diào)節(jié)噴射流量，以維持*低溫加工狀態(tài)。其控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 低溫加工系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖

2） 低溫加工的綠色功能和資源綜合利用模型

低溫加工采用的低溫液體一般為液氮，液氮取自空氣，使用過(guò)程中揮發(fā)回到空氣中，無(wú)論其生產(chǎn)還是使用過(guò)程，均不對(duì)環(huán)境造成任何污染，避免了切削液所造成的環(huán)境污染。

液氮揮發(fā)時(shí)，局部會(huì)產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，故應(yīng)對(duì)加工區(qū)進(jìn)行屏蔽，避免操作者受影響。

自然，比起常規(guī)的加工來(lái)，低溫加工系統(tǒng)增加了兩部分額外費(fèi)用：一部分是低溫設(shè)備的投資費(fèi)（包括低溫容器、加工區(qū)屏蔽、控制系統(tǒng)）；另一部分是低溫液體消耗費(fèi)。

若我們從資源的綜合利用的角度出發(fā)，把制造廠(chǎng)建在氧氣廠(chǎng)附近，直接利用氧氣廠(chǎng)的廢液——液氮作為低溫加工系統(tǒng)的低溫源，而液氫、液氧等輸出供他用，形成資源綜合優(yōu)化利用系統(tǒng)，zui大限度的提高資源綜合利用率。另外還省去切削液供應(yīng)及回收，減少了資源消耗，降低了低溫加工的成本，提高其經(jīng)濟(jì)可行性。如圖4所示。

圖4 低溫加工資源綜合利用模型

圖中 Ec——切削時(shí)變換為熱能的能量；
Ech——切屑和工件帶走的能量；
Eab——低溫液所吸收的熱能；
Eenv——低溫加工系統(tǒng)初始化所吸收的能量。

3 低溫加工的綜合效益

由此可見(jiàn)，低溫加工工藝有以下優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 低溫加工的綜合效益

改善某些塑韌性特別強(qiáng)的復(fù)合材料的機(jī)械加工性能。例如鈦合金是一種廣泛應(yīng)用于航天和國(guó)防的合金材料，但又是一種典型的難加工材料，由于其塑性和韌性太強(qiáng)，加工時(shí)易損刀具，因而加工成本高，效率低。如果在低溫狀態(tài)下，其延伸率降低，脆性增加，加工性能將得到很大改善，從而提高了刀具的耐用度，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

減少了資源消耗。省去了切削液的供應(yīng)與回收，利用氧氣廠(chǎng)的廢液——液氮，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)使用，從而降低了加工成本。

減少了環(huán)境污染。液氮來(lái)自氧氣廠(chǎng)，產(chǎn)生過(guò)程中不產(chǎn)生污染物，使用過(guò)程中不對(duì)車(chē)間環(huán)境造成污染，也沒(méi)有排放物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

實(shí)施綠色制造和清潔生產(chǎn)，已是擺在制造業(yè)面前的迫切任務(wù)，在以制造時(shí)間（T）、制造質(zhì)量（Q）、制造成本（C）和使用服務(wù)（S）評(píng)價(jià)制造，技術(shù)和過(guò)程的同時(shí)，要求人們充分重視環(huán)境特性（E），從某種意義上講，這是關(guān)系人類(lèi)“千秋大業(yè)”子孫后代的事，在研究現(xiàn)代制造技術(shù)和生產(chǎn)模式中所必須予以充分注意認(rèn)真研究的問(wèn)題。本文提出的低溫加工工藝能實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化綜合利用，有效地減少環(huán)境污染，具有良好的社會(huì)效益。另一方面，可以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，降低加工成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，是一種大有發(fā)展的綠色加工工藝