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摘要：低溫加工技術是利用物質在低溫（包括超低溫）狀態下的特殊性能來進行機械加工的一門切削加工工藝。本文論述了低溫加工對于解決傳統切削加工中切削液造成的環境污染的重要作用，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，并從社會效益和經濟效益考慮，分析了低溫加工的綜合效益。

1 概述

制造業是創造人類社會財富的支柱產業。一個經濟大國沒有自己的制造業就不可能保證國民經濟的可持續發展。與此同時，人們也認識到，一切制造及其產品的使用，都將以自然資源的消耗為前提，而一切制造過程及其產品的使用與處理都將面對其對環境影響效應的選擇。圖1表明了其間的關系：
長期以來，以擴大開發自然資源和無償利用環境為主要特征的經濟發展模式，一方面創造了巨大的社會財富，另一方面也造成了性的生態破壞、資源短缺、環境污染，從根本上削弱甚至動搖了現代經濟社會賴以生存和繼續發展的基礎。這就迫切地要求改變傳統的發展戰略。就制造業而言，切削加工是制造過程的重要組成部分，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、回收等費用，該比例還會增加。另一方面，切削液還會造成較為嚴重的污染，一是切削液使用過程中產生的油霧、水霧、煙霧等直接對車間環境產生污染；二是排出的切削液流入江河對水資源造成污染。所以，對切削液污染的治理是一個非常重要的問題。而低溫加工是解決該污染的有效方法。

圖1 制造業與環境

2 低溫加工的綠色功能和資源綜合利用模型

1） 低溫加工工藝簡介

低溫加工是指利用物質在低溫（包括超低溫）狀態下的特殊性能來進行機械加工。低溫加工時，利用超低溫液流體在機械加工系統內的切削區形成局部低溫（或超低溫）狀態，從而利用在這種狀態下加工對象和加工刀具的機械性能的改變，使其有利于機械加工。特別是對一些難加工材料，如鈦合金、低合金鋼、低碳軟鋼和一些塑韌性特別強的復合材料等形成較好的加工狀態。圖2為一種低溫加工系統的構成示意圖。

圖2 低溫加工示意圖

低溫加工的基本步驟是：

·根據加工對象和加工工具的特性設定*低溫加工溫度Topt；
·利用低溫流體使特定封閉式加工區的溫度達到Topt；
·自動控制低溫流體的噴射量，以維持加工區的溫度在Topt狀態：一方面，當檢測到的加工區溫度偏離Topt,則通過反饋控制器來調節噴射流量，另一方面當加工系統輸入功率發生變化，則直接通過前饋控制器超前調節噴射流量，以維持*低溫加工狀態。其控制系統框圖如圖3所示。

圖3 低溫加工系統控制系統框圖

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，使用過程中揮發回到空氣中，無論其生產還是使用過程，均不對環境造成任何污染，避免了切削液所造成的環境污染。

液氮揮發時，局部會產生缺氧現象，故應對加工區進行屏蔽，避免操作者受影響。

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

若我們從資源的綜合利用的角度出發，把制造廠建在氧氣廠附近，直接利用氧氣廠的廢液——液氮作為低溫加工系統的低溫源，而液氫、液氧等輸出供他用，形成資源綜合優化利用系統，zui大限度的提高資源綜合利用率。另外還省去切削液供應及回收，減少了資源消耗，降低了低溫加工的成本，提高其經濟可行性。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——低溫加工系統初始化所吸收的能量。

3 低溫加工的綜合效益

由此可見，低溫加工工藝有以下優點，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的復合材料的機械加工性能。例如鈦合金是一種廣泛應用于航天和國防的合金材料，但又是一種典型的難加工材料，由于其塑性和韌性太強，加工時易損刀具，因而加工成本高，效率低。如果在低溫狀態下，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，降低了生產成本，提高了生產率和加工質量。

減少了資源消耗。省去了切削液的供應與回收，利用氧氣廠的廢液——液氮，實現了資源的循環使用，從而降低了加工成本。

減少了環境污染。液氮來自氧氣廠，產生過程中不產生污染物，使用過程中不對車間環境造成污染，也沒有排放物對生態環境造成污染，有效地保護了生態環境。

4 結論

實施綠色制造和清潔生產，已是擺在制造業面前的迫切任務，在以制造時間（T）、制造質量（Q）、制造成本（C）和使用服務（S）評價制造，技術和過程的同時，要求人們充分重視環境特性（E），從某種意義上講，這是關系人類“千秋大業”子孫后代的事，在研究現代制造技術和生產模式中所必須予以充分注意認真研究的問題。本文提出的低溫加工工藝能實現資源的優化綜合利用，有效地減少環境污染，具有良好的社會效益。另一方面，可以提高生產率和加工質量，降低加工成本，具有良好的經濟效益，是一種大有發展的綠色加工工藝