浅谈运用于活塞环的绿色设计和制造过程

    徐哲

    摘 要：绿色设计与绿色制造是机械产品的设计与制造发展历程中的一种全新理念。本文从绿色设计与绿色制造的意义出发，论述了在活塞环生产全过程中进行绿色设计和绿色加工的实现过程。

    关键词：活塞环；绿色设计；绿色制造

    0 引言

    机械制造业作为生产制造业的基础，在创造价值的同时也消耗大量资源，并对生态环境造成了严重污染。当前我国的机械制造业既有质量和成本的竞争，还面临绿色壁垒的挑战。为此，实施绿色设计和绿色制造战略势在必行。

    1 绿色设计和制造概述

    绿色设计的宗旨是用最小的代价实现产品的再现和循环，其环节包含了产品的生命周期的全过程--产品的构思、结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用。并最大限度考虑对环境、资源的影响。这有别于传统的机械设计过程中偏重产品的性能、质量、成本。而绿色制造技术是一种综合考虑环境影响和资源效率的模式。它使产品在整个生命周期中节约资源和能源，最大限度地减少环境污染，减少废气的产生和排放， 达到对生态环境的负面影响最小化和资源利用率最大化的目标。实际上，活塞环设计和生产过程完全可以实现部分绿色化。

    2 运用于活塞环的设计和制造的绿色实现过程

    活塞环作为发动机的心脏零件，其性能的高低直接决定发动机性能的优劣。

    对于铸铁活塞环，其典型节点工艺流程为：铸造→热处理→端面磨削→镀前加工→表面处理→镀后加工→成品检验→涂油包装，而细化工艺流程对磷化环而言也就十多道工序，而对镀铬异型截面环而言，多达四、五十道工序，整个过程铸造能耗高、切削余量大、切削热和噪音高、粉层多，存在电镀废水、废气和磷化废水等，制造周期长，在制品管理难度大。对于上述的这些弊端，运用绿色设计和制造的理念，就可以对相关工艺流程进行可操作性优化设计，具体如下：

    （一）铸造毛坯生产上采用精确成型工艺，亦称之为少无切削加工。

    目前活塞环行业主要采用双片或多片铸造，再采用专用切片机床切割成单片毛坯，这在一定程度上提高了铁水的利用率，降低砂气孔、缩松等铸造缺陷，不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，也大大减少了产品的制造周期和生产费用。

    （二）钢质活塞环的快速成型技术（简称RPM）。

    利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将钢质材料直接制造成所需的异型截面线材，再通过数控椭圆成型机绕制成具有一定外圆自由型线，符合设计要求的自由开口S值及椭圆度，实现了钢环毛坯的工序集成化，将钢环从绕正圆、去应力、剖口、热定型四道工序合并为绕椭圆切断、去应力两道工序，减少了切削加工，缩短了整个加工周期，材料利用率可提高2-5%左右。

    （三）加工工艺流程的优化设计。

    随着技术的不断进步，自动化、集成化设备的大量应用，活塞环的加工工艺流程正不断趋于缩短。内外圆仿形加工设备取代了以前的先外圆仿形加工，再铣开口并加工内圆的分开加工工艺，外圆多工序加工设备可以实现外圆形状（锥面、台阶、鼻型）的集中加工，内圆多工序加工设备及成型刀技术可以实现内圆形状的集中加工，这样可大大减少加工工序，并减少了工序间的转运，提高了装夹精度和加工精度，节约能耗和物耗。

    （四）活塞环的表面处理新技术的应用。

    活塞环的表面处理与活塞环本身的耐磨性及发动机的稳定运行有着相当密切的关系，而耐磨性的好坏将直接影响到发动机油耗、功率和使用寿命。活塞环从最初的磷化、普通镀铬，发展到具有更高性能的SFC（闪镀）、CKS（复合镀）、CDC（钻石镀），使活塞环的耐磨性和低排放性进一步提高，而Plasma喷钼（等离子喷涂）、GN（气体氮化）、HVOF（超音速喷涂）、PVD（物理气相沉积）、DLC（类金刚石涂层）等表面处理新技术的运用，则完全消除了镀铬生产过程中无法回避的废水、废气及废渣对环境的污染，是未来表面处理的发展方向。对于表面磷化环节，采用无磷纳米皮膜技术、硅烷偶联剂的成膜技术，能有效简化工艺流程，常温加工，不会产生含有重金属的废水及废渣，节约了能耗和废水处理成本。

    （五）干切削和微量润滑加工技术。

    干切削技术是原有湿切削生产制造重要变革与改善，是指在加工过程中不用或者使用微量切削液的加工工艺。干切削技术有效控制了环境污染的源头，确保制作过程的清洁环保。类似干切削的加工技术还包括低温冷风微量润滑加工技术、生物稳定型切削液技术、低温干切削技术、液氮冷却切削技术、水蒸汽冷却切削、喷雾冷却切削技术、低温冷风切削技术和MQL（最小量润滑）系统。运用这些技术能有效简化生产系统，降低生产成本和环境成本，延长刀具使用寿命20%-50%，减少加工时间，且不产生冷却液雾化，切屑易回收处理。

    （六） 高速切削技术（HSM）。

    干式加工在切削区域会产生大量的切削热，若散热不及时，则易使机床产生热变形，影响工件加工精度。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件、刀具和机床上的热量。对活塞环的端面磨削，可采用数控高精度磨床，应用CBN高速砂轮加工，对活塞环的外圆异型截面的加工，采用高速成型磨削替代车削加工，对活塞环开口加工，亦可采用高速磨削替代传统铣削加工。高速切削对简化加工手段、缩短加工周期、提高了加工效率、降低加工成本有着重要意义。

    3 结语

    我们有理由相信，随着绿色设计和制造技术理念的不断渗入，以及对节约能源、各类汽车排放法规的实施和环境保护的日趋重视，人们对绿色设计和制造认识将逐渐提高。 随着绿色及技术的进步，在活塞环制造企业中，运用绿色技术的前景必然会更加广阔。

    参考文献：

    [1]刘光复，刘志峰，李钢.绿色设计与绿色制造[M].北京：机械工业出版社，1999.