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[摘要]本文以绿色制造为基础提出了绿色机械加工的概念，并阐述了其内涵；概述了绿色机械加工的特点及其应用；指出尚待解决的主要问题；并探讨了其发展趋势。
[关键词]绿色制造；绿色加工；冷却；切削液一、绿色机械加工的背景及内涵
从绿色制造[4]的意义上讲，传统机械加工主要有三个缺陷：①资源利用率不高。加工一个合格的零件往往需要多道工序，浪费了原材料、能源和时间； ②对环境污染大。主要是机械加工经常使用的切削液破坏水源、污染土地、破坏生态系统等；③损害人体健康。在加工过程中所形成的油雾、粉尘、烟雾、化学微粒、噪声等容易引起操作者的皮肤、呼吸系统、听力系统的疾病，甚至癌症。而传统的环境治理方法是末端治理，不能从根本上实现对环境的保护，因而提出了绿色机械加工，其内涵是指在机械加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。
二、绿色机械加工的研究现状
目前有关绿色机械加工方法的研究如图1 所示：
图1 绿色机械加工系统示意图
1、自然绿色机械加工。自然绿色机械加工是指在机械加工时，除自然环境冷却外不使用任何其它附加的介质（如冷风、水、植物油等）。目前主要是干切削[5]技术。
在干切削方面，国外进行了大量的研究。据统计，目前在德国制造业中已有大约8 %的企业采用了干切削，权威专家预测在今后五年内，大约至少有20 %的德国企业将运用干切削技术。美国LeBlond Makino公司已经开发出用陶瓷工具和CBN刀具对铸铁进行高速干切削的“红月牙”（Red Crescent）工艺并投入实际生产，取得了良好的经济效益。欧洲的Breidenbach.Buderus Guss公司加工的闸轮和Wieloch1Heidelbery机械股份公司加工的印刷零件都采用了干切削技术加工灰口铸铁件，非常成功。
干切削利用高强度、高耐磨、耐高温的刀具在高速切削条件下加工。在干切削中，由于缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，切削力会大量增加，切削温度急剧上升，刀具磨损加剧，引起刀具耐用度下降，同时工件加工质量变差。要使干切削在规定的时间内达到与湿加工相当，甚至超过湿加工的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括刀具、机床、工件在内的整个工艺系统进行全面的考虑并采取相应措施，消除干式加工的不利影响。同时，在干切削中还有大量的粉尘排放，对操作者的健康造成伤害。尽管对铸铁的干切削已无问题，但其应用范围还不是很广泛，对钢、铝与合金材料的干切削也正在研究中。
2、辅助绿色机械加工。辅助绿色加工是指把冷却介质（或润滑油） 输入到切削区域，起到冷却或润滑等作用。根据介质的形态目前有两种：射流加工和喷雾加工。
（1）射流加工。 射流加工是指把冷却介质以一定的压力和速度直接输送到切削区，进行冷却和润滑。按所用的介质分为液体射流加工和气体射流加工。
①液体射流加工。对于传统的浇注冷却，采用集中冷却润滑代替分散冷却润滑，这样可以提高冷却液的使用寿命，改善与提高机械加工质量，同时便于废水、废液的集中处理，减少废水的处理量。针对传统浇注冷却的缺陷与干切削不足提出了最佳流量润滑。如美国的Thyssen公司将润滑系统集成在主轴电机中，其流量由CNC程序控制，该单元在615s 时间内可钻削10个直径8mm、中心距为20mm的孔，每小时使用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少，因此处理费用大幅降低。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少，与切削液有关的费用也降至最低，同时也对环境减少了污染。
②气体射流加工。气体射流加工按介质又可分为：空气射流与氮气射流。
氮气射流是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。氮气是大气中含量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富。液氮使用后直接挥发成气体返回到大气中，不会留下任何污染物。美国怀特州立大学的S. Y. Hong和印度工学院的S. Paul 分别在车削和磨削加工中对液氮冷却进行了理论和试验研究，结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，可提高切削效率和加工质量，同时液氮可显著降低磨削区的温度，减少磨损烧伤[7]。
空气射流是将冷空气输送到射流口，以一定的方式冲刷加工区。空气的资源广大，冷却后回到大气中，不会留下污染物。目前日本用于切削试验的风冷方法，其温度可调范围达- 45 ℃～ + 10 ℃，压强为012～017MPa ，流量可调。日本的横川和彦[8]在车削和铣削中对冷风冷却进行了研究。在铣削中分别采用水基切削液，常温风（ + 10 ℃），冷风（ - 30 ℃） 三种条件下进行比较，结果表明，冷风切削时，刀具耐用度显著提高。在车削中，冷风切削时（ - 20 ℃）刀具磨损率比常温风时（ + 20 ℃）显著下降。
（2）喷雾加工。喷雾加工是利用高压系统将冷却介质以雾状形式输入到切削区域，起到冷却与润滑等作用。喷雾冷却时高速气流所带的雾滴容易渗透到切削接触区的所有接触面，因而改善了切削液的渗透性，降低了摩擦和摩擦热。
留日学者陈德成[9，10]分别就简单喷雾、复合喷雾和混合喷雾加工进行了研究。他在试验中均采用了植物性切削油，植物性切削油自然分解率高，不会造成工厂地下水的污染。对奥氏体不锈钢SUS304 分别在干式、植物性切削油、湿式、复合喷雾、复合喷雾+水喷雾这几种条件下进行试验。结果表明，刀具磨损量依次减少，干式切削和植物性切削油喷雾的切削条件下使用的刀具前刀面产生了积屑瘤，而复合喷雾的条件下没有产生较大的积屑瘤。在复合喷雾+水喷雾条件下表面粗糙度不仅稳定，而且最小。在对AC9B 高硅铝合金试验中，在- 30 ℃冷风和微量雾化植物油条件下，与干式、- 30 ℃冷风和微量雾化植物油相比表面质量最好，而且稳定，刀具的磨损也最小。 三、尚待解决的主要问题
加工方法中存在以下几个主要问题：①切削机理方面。当前这些试验只是针对某几种材料，几种不同的方法的定量研究，得出的是局部的部分的结论，没有更进一步探讨切削时工件、刀具、切屑在不同的加工方法、切削用量时的本质变化的内在规律，从而得出一个普遍的结论。②冷却介质的问题。目前还没有完全不对环境造成污染、成本又低而又能保证加工质量的切削液。③优化问题。（1） 冷却方式问题。加工一个零件要达到要求的精度和表面质量，哪一种方法是最合理的、最简单的、最经济的？ （2）冷却介质用量问题。对于一个零件加工到要求的精度和表面质量，到底用多少冷风、切削液等是最合适的还未深入研究。（3） 参数问题。加工一个零件，选择了一种冷却方法和冷却用量，要达到所要求的加工精度，具体的加工参数如切削速度、切削深度、送给量等为何值时是最好的？ 这三个问题是相辅相成的，是一个整体，必须综合考虑，不可偏废。
四、绿色机械加工的发展趋势
1、最优化。绿色机械加工是最小的资源消耗和无环境污染。它是从整个企业和社会的综合成本考虑，对于不同的材料、零部件、设备经过综合分析，对冷却方式、冷却介质用量、加工参数进行优化处理，选择一个最合理的加工方案，使加工时间少，效益高，对环境无污染，综合成本最低（这是对整个企业乃至于整个社会来讲，不是仅单纯的指具体加工成本最低）。也就是从系统的观点出发，综合考虑各方面的因素，追求企业甚至社会整体最优。
2、集成化。加工过程不应是一个孤立的单独的加工过程，而应是考虑到各种因素的集成系统。通过网络和数据库把其他系统如MIS、绿色设计系统、质量保证系统、物能资源系统等和设备互联起来，实现加工过程中的数据交换和信息共享，从而融入到整个企业集成制造系统里，便于决策。
3、并行化。通过Intranet可以将CAD/ CAM/ CAPP、MIS、ERP、MRP 等相连，使得生产产品的每一个步骤当中都考虑到了产品整个生命周期的所有因素，如质量、成本、进度计划、用户需求、环境影响、资源消耗状况等，这是一个并行的加工过程。
4、柔性化。企业必须对市场多样化需求和外界环境变化做出动态响应，生产出多样化的产品，因而在底层加工系统的柔性应比较好，可以根据不同的材料，不同的工件，不同的设备更换不同的方法，同时综合成本也是最低的。参考文献：
[1] 汪劲松，段广洪，李方义，等.基于产品生命周期的绿色制造技术研究现状与展望[J].计算机集成制造系统，1999 ，5 （4） ：1 - 81.
[2] 任家隆.切削中绿色射流冷却工艺的研究[J].中国机械工程，2000，11（7）：738- 740.
[3] 刘 飞，曹华军，何乃军，等.绿色制造的研究现状与发展趋势[J].中国机械工程，2000 ，11 （1 -
[4] 孙建国，刘镇昌，李久立.现代切削液的特点及发展趋势[J].工具技术，2000，34 （4） ：11 - 12.
[关键词]绿色制造；绿色加工；冷却；切削液一、绿色机械加工的背景及内涵
从绿色制造[4]的意义上讲，传统机械加工主要有三个缺陷：①资源利用率不高。加工一个合格的零件往往需要多道工序，浪费了原材料、能源和时间； ②对环境污染大。主要是机械加工经常使用的切削液破坏水源、污染土地、破坏生态系统等；③损害人体健康。在加工过程中所形成的油雾、粉尘、烟雾、化学微粒、噪声等容易引起操作者的皮肤、呼吸系统、听力系统的疾病，甚至癌症。而传统的环境治理方法是末端治理，不能从根本上实现对环境的保护，因而提出了绿色机械加工，其内涵是指在机械加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。
二、绿色机械加工的研究现状
目前有关绿色机械加工方法的研究如图1 所示：
图1 绿色机械加工系统示意图
1、自然绿色机械加工。自然绿色机械加工是指在机械加工时，除自然环境冷却外不使用任何其它附加的介质（如冷风、水、植物油等）。目前主要是干切削[5]技术。
在干切削方面，国外进行了大量的研究。据统计，目前在德国制造业中已有大约8 %的企业采用了干切削，权威专家预测在今后五年内，大约至少有20 %的德国企业将运用干切削技术。美国LeBlond Makino公司已经开发出用陶瓷工具和CBN刀具对铸铁进行高速干切削的“红月牙”（Red Crescent）工艺并投入实际生产，取得了良好的经济效益。欧洲的Breidenbach.Buderus Guss公司加工的闸轮和Wieloch1Heidelbery机械股份公司加工的印刷零件都采用了干切削技术加工灰口铸铁件，非常成功。
干切削利用高强度、高耐磨、耐高温的刀具在高速切削条件下加工。在干切削中，由于缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，切削力会大量增加，切削温度急剧上升，刀具磨损加剧，引起刀具耐用度下降，同时工件加工质量变差。要使干切削在规定的时间内达到与湿加工相当，甚至超过湿加工的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括刀具、机床、工件在内的整个工艺系统进行全面的考虑并采取相应措施，消除干式加工的不利影响。同时，在干切削中还有大量的粉尘排放，对操作者的健康造成伤害。尽管对铸铁的干切削已无问题，但其应用范围还不是很广泛，对钢、铝与合金材料的干切削也正在研究中。
2、辅助绿色机械加工。辅助绿色加工是指把冷却介质（或润滑油） 输入到切削区域，起到冷却或润滑等作用。根据介质的形态目前有两种：射流加工和喷雾加工。
（1）射流加工。 射流加工是指把冷却介质以一定的压力和速度直接输送到切削区，进行冷却和润滑。按所用的介质分为液体射流加工和气体射流加工。
①液体射流加工。对于传统的浇注冷却，采用集中冷却润滑代替分散冷却润滑，这样可以提高冷却液的使用寿命，改善与提高机械加工质量，同时便于废水、废液的集中处理，减少废水的处理量。针对传统浇注冷却的缺陷与干切削不足提出了最佳流量润滑。如美国的Thyssen公司将润滑系统集成在主轴电机中，其流量由CNC程序控制，该单元在615s 时间内可钻削10个直径8mm、中心距为20mm的孔，每小时使用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少，因此处理费用大幅降低。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少，与切削液有关的费用也降至最低，同时也对环境减少了污染。
②气体射流加工。气体射流加工按介质又可分为：空气射流与氮气射流。
氮气射流是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。氮气是大气中含量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富。液氮使用后直接挥发成气体返回到大气中，不会留下任何污染物。美国怀特州立大学的S. Y. Hong和印度工学院的S. Paul 分别在车削和磨削加工中对液氮冷却进行了理论和试验研究，结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，可提高切削效率和加工质量，同时液氮可显著降低磨削区的温度，减少磨损烧伤[7]。
空气射流是将冷空气输送到射流口，以一定的方式冲刷加工区。空气的资源广大，冷却后回到大气中，不会留下污染物。目前日本用于切削试验的风冷方法，其温度可调范围达- 45 ℃～ + 10 ℃，压强为012～017MPa ，流量可调。日本的横川和彦[8]在车削和铣削中对冷风冷却进行了研究。在铣削中分别采用水基切削液，常温风（ + 10 ℃），冷风（ - 30 ℃） 三种条件下进行比较，结果表明，冷风切削时，刀具耐用度显著提高。在车削中，冷风切削时（ - 20 ℃）刀具磨损率比常温风时（ + 20 ℃）显著下降。
（2）喷雾加工。喷雾加工是利用高压系统将冷却介质以雾状形式输入到切削区域，起到冷却与润滑等作用。喷雾冷却时高速气流所带的雾滴容易渗透到切削接触区的所有接触面，因而改善了切削液的渗透性，降低了摩擦和摩擦热。
留日学者陈德成[9，10]分别就简单喷雾、复合喷雾和混合喷雾加工进行了研究。他在试验中均采用了植物性切削油，植物性切削油自然分解率高，不会造成工厂地下水的污染。对奥氏体不锈钢SUS304 分别在干式、植物性切削油、湿式、复合喷雾、复合喷雾+水喷雾这几种条件下进行试验。结果表明，刀具磨损量依次减少，干式切削和植物性切削油喷雾的切削条件下使用的刀具前刀面产生了积屑瘤，而复合喷雾的条件下没有产生较大的积屑瘤。在复合喷雾+水喷雾条件下表面粗糙度不仅稳定，而且最小。在对AC9B 高硅铝合金试验中，在- 30 ℃冷风和微量雾化植物油条件下，与干式、- 30 ℃冷风和微量雾化植物油相比表面质量最好，而且稳定，刀具的磨损也最小。 三、尚待解决的主要问题
加工方法中存在以下几个主要问题：①切削机理方面。当前这些试验只是针对某几种材料，几种不同的方法的定量研究，得出的是局部的部分的结论，没有更进一步探讨切削时工件、刀具、切屑在不同的加工方法、切削用量时的本质变化的内在规律，从而得出一个普遍的结论。②冷却介质的问题。目前还没有完全不对环境造成污染、成本又低而又能保证加工质量的切削液。③优化问题。（1） 冷却方式问题。加工一个零件要达到要求的精度和表面质量，哪一种方法是最合理的、最简单的、最经济的？ （2）冷却介质用量问题。对于一个零件加工到要求的精度和表面质量，到底用多少冷风、切削液等是最合适的还未深入研究。（3） 参数问题。加工一个零件，选择了一种冷却方法和冷却用量，要达到所要求的加工精度，具体的加工参数如切削速度、切削深度、送给量等为何值时是最好的？ 这三个问题是相辅相成的，是一个整体，必须综合考虑，不可偏废。
四、绿色机械加工的发展趋势
1、最优化。绿色机械加工是最小的资源消耗和无环境污染。它是从整个企业和社会的综合成本考虑，对于不同的材料、零部件、设备经过综合分析，对冷却方式、冷却介质用量、加工参数进行优化处理，选择一个最合理的加工方案，使加工时间少，效益高，对环境无污染，综合成本最低（这是对整个企业乃至于整个社会来讲，不是仅单纯的指具体加工成本最低）。也就是从系统的观点出发，综合考虑各方面的因素，追求企业甚至社会整体最优。
2、集成化。加工过程不应是一个孤立的单独的加工过程，而应是考虑到各种因素的集成系统。通过网络和数据库把其他系统如MIS、绿色设计系统、质量保证系统、物能资源系统等和设备互联起来，实现加工过程中的数据交换和信息共享，从而融入到整个企业集成制造系统里，便于决策。
3、并行化。通过Intranet可以将CAD/ CAM/ CAPP、MIS、ERP、MRP 等相连，使得生产产品的每一个步骤当中都考虑到了产品整个生命周期的所有因素，如质量、成本、进度计划、用户需求、环境影响、资源消耗状况等，这是一个并行的加工过程。
4、柔性化。企业必须对市场多样化需求和外界环境变化做出动态响应，生产出多样化的产品，因而在底层加工系统的柔性应比较好，可以根据不同的材料，不同的工件，不同的设备更换不同的方法，同时综合成本也是最低的。参考文献：
[1] 汪劲松，段广洪，李方义，等.基于产品生命周期的绿色制造技术研究现状与展望[J].计算机集成制造系统，1999 ，5 （4） ：1 - 81.
[2] 任家隆.切削中绿色射流冷却工艺的研究[J].中国机械工程，2000，11（7）：738- 740.
[3] 刘 飞，曹华军，何乃军，等.绿色制造的研究现状与发展趋势[J].中国机械工程，2000 ，11 （1 -
[4] 孙建国，刘镇昌，李久立.现代切削液的特点及发展趋势[J].工具技术，2000，34 （4） ：11 - 12.