面向可持续的干湿切过程比较研究.docx

? ? 面向可持续的干湿切过程比较研究 ? ? 雷治炼，陈超宇，肖 圳，迟开元 （1.重庆大学机械工程学院，重庆 400030；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094） 1 引言 切削加工是制造业的基本生产单元，伴随其产生的环境问题备受关注[1]。为减轻制造过程对环境的负面影响，金属切削加工领域引入了可持续的制造理念[2]。 干切和湿切加工是金属切削加工常用的加工方式。目前，已有大量研究从能耗、刀具磨损、环境影响等方面出发对干、湿切加工进行对比分析。从能耗角度，文献[3]研究了不同机床在干切和湿切下单元工艺能耗，指出湿切加工需要额外的能量来启动和运行切削液泵，在相同的材料去除率情况下，干切比湿切加工更节能。文献[4]研究了在干切、油雾、湿切环境下车削Ti-6Al-4V的加工性能，指出干切加工能耗最低。从刀具磨损角度，文献[5]研究指出湿切过程切削液降低了切削区域的温度和切削力，从而减轻刀具的磨损。干切过程对刀具性能要求更高，尤其在硬干切时，需要昂贵的高性能刀具[6]。从环境影响和健康危害角度，文献[7]指出切削液会引起环境和健康问题，湿切过程中产生的污染主要来自废切削液。文献[8]指出使用切削液加工会产生酸化、温室气体排放等环境问题。但是，文献[9]指出干切加工过程会产生大量金属粉尘，对机床操作者的健康有害。可以看出，切削液的使用会同时从能量和物料资源两方面影响切削过程，并且伴随着对环境影响的差异。文献[10]提出可持续制造理念关键要素之一就是减少能源、水、物料资源的消耗。为了比较干切和湿切过程资源消耗，以往的研究都只是单一的从能量流或物料流分析，不能综合比较评估干切和湿切过程资源损耗。因此，研究从结合能量流和物料流的综合资源损耗角度出发对干、湿切过程进行比较评估。研究综合考虑能量和物料资源，从资源损耗的角度比较评估干湿切过程可持续性。为了在统一的标准下量化能量和物料资源，引入热力学?分析方法，建立了切削过程?损失模型，以总?损失作为衡量综合资源损耗的指标。进行干车和湿车加工对比实验研究，揭示切削液使用和切削参数的变化对切削加工过程资源损耗的影响，对比分析干、湿车过程总?损失和各单位?损失情况及其随切削速度的变化规律。研究结果能够为改善实际加工过程的资源利用和提高加工可持续性提供指导。 2 切削过程?分析 ?是对各种能量形式的有用性、价值或质量的度量[11]。作为一种评价能量价值的参数，?从“量”和“质”两个方面评估能量的“价值”。热力学将?定义为：系统或物质流或能量流在参考环境作用下，经可逆过程达到与参考环境平衡状态时产生的最大可用功[11]。参考环境状态通常取实际周围环境，用T0表示环境温度，P0表示环境压力。?分析方法是建立在热力学第一定律和第二定律?概念的基础上，考虑质量流，传热和做功的全部信息来分析评估进出系统的所有形式的能量，如图1所示。 图1 ?分析的物理模型[13]Fig.1 Physical Model of Radon Analysis During Cutting 利用?分析方法可以将切削过程的能量流和物料流在统一标准下量化评估，以“?值”作为“能值”量化指标。参照文献[12]中定义，物质流（物料）的?值可以使用物质的化学?值或以物料制备能耗?值当量为物料?值。此外，非物质流包含电能、热能等能量流，因为电能可以完全转化为机械能做功，因此其?值就等于电能值： 式中：Exe—电能?值；We—电能值。热量?值与热量的温度和参考环境状态有关，计算公式如下： 式中：ExQ—热量?值；Q—热量值；T0—环境温度；T—热源的温度。 利用?分析方法分析切削过程，得到切削过程的?平衡原理图，如图2所示。 图2 切削过程?平衡原理图Fig.2 Schematic Diagram of Exergy Balance During Cutti ng 根据切削过程?平衡分析，可建立如下?平衡方程： 3 切削过程?损失建模 由切削过程?分析可知，切削加工过程?损失包含切削过程能量转换（电能-机械能-热能）产生的内部?损失（能量流损失）和刀具磨损、切削液消耗、切屑等导致的内部?损失（物料流损失）。依据资源损耗类型可将总?损失划分为能量流?损失和物料流?损失，建立切削过程总?损失模型： （1）电能耗?损失 切削过程中只有少部分电能用于材料去除过程，大部分的非材料去除能耗（启动、空载等）经过转化以热量的形式散失到环境中。因此，电能耗?损失当量于非材料去除能耗?值，建立电能耗?损失模型如下： 式中：P0—非材料切削功率；tsetup、tcutting、tchange—设置时间、切削时间和刀具更换时间；t—刀具寿命。 切削时间tcutting可用下面公式计算： 式中：V—去除材料的体积；Rmm—材料去除率；f—切削进给