1 引言
       磨削，作為一種利用磨具來加工工件表面的切削加工工藝，受各種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境因素的影響。這些因素之間又相互制約相互影響。圖一中，左圖為工件屬性的加工輸入變量，包括加工參數(shù)和不同的增強(qiáng)促成因素，如工具、切削液和加工供系統(tǒng)（機(jī)床工具、切削液濾器、排風(fēng)過濾器）等。每個(gè)變量都會(huì)影響磨削工藝的一個(gè)或多個(gè)方面，如圖1所示。磨削過程中，由于工件的可切削性，工件屬性會(huì)影響產(chǎn)品屬性。加工參數(shù)如切割深度、切割速度和共建速度以及修整進(jìn)給等會(huì)影響磨削工藝的整體性能。增強(qiáng)促成因素則影響磨削過程中的資源和能源轉(zhuǎn)換。圖一中，右圖為上述提到的磨削過程中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境輸出因素。表面粗糙度是衡量磨削技術(shù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，成本和碳排量可以衡量工藝的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

圖1：磨削工藝構(gòu)成

       在此背景下，本論文對(duì)磨削工藝中傳統(tǒng)切削液和可替代品的成本、環(huán)境影響進(jìn)行研究分析。研究包括磨削工藝和整個(gè)加工系統(tǒng)。傳統(tǒng)切削液主要是非可再生資源的礦物油；可替代品主要是可再生資源如植物油、動(dòng)物脂肪油或者天然副產(chǎn)品如甘油等。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 方法論描述
       根據(jù)圖一，可以分出三種類型的輸出加工變量：工件屬性、加工參數(shù)、增強(qiáng)促成因素。每一個(gè)因子在磨削過程中都對(duì)技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)產(chǎn)生影響。通過對(duì)輸入變量和輸出目標(biāo)之間關(guān)系的系統(tǒng)分析，可以算出輸入加工變量發(fā)生變化時(shí)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響。
2.2 成本和環(huán)境影響的計(jì)算
       公式1為磨削過程中的碳排量，包括累積電能適度消費(fèi)帶來的環(huán)境影響Ci,e、砂輪Cd,gw、累積切削液Ci,cf、機(jī)床工具的累積影響Ci,m。公式2為磨削相關(guān)的直接成本?？偝杀景ɡ鄯e電能耗費(fèi)，砂輪和累積磨削液以及人力、設(shè)備費(fèi)用。

2.3 經(jīng)濟(jì)效率計(jì)算
       經(jīng)濟(jì)效率（E/E）主要是經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響之間的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在計(jì)算E/E時(shí)，有兩個(gè)相當(dāng)?shù)淖兞?，即與環(huán)境影響有關(guān)的產(chǎn)品性價(jià)比和服務(wù)價(jià)值誰做分母誰做分子的問題，如公式3、4所示。

       利用生命周期成本核算或成本效益分析可以計(jì)算出產(chǎn)品價(jià)值或服務(wù)價(jià)值。根據(jù)ISO 14042，利用篩選生命周期評(píng)價(jià)對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行計(jì)算。
       E/E的計(jì)算從宏觀層面可以用來計(jì)算社會(huì)效率；從微觀層面可以計(jì)算技術(shù)效率、產(chǎn)品效率、區(qū)域效率等。制造工藝領(lǐng)域，E/E的計(jì)算屬于微觀層面。
       本文根據(jù)世界商業(yè)可持續(xù)發(fā)展理事會(huì)對(duì)E/E的規(guī)定，提出了一種計(jì)算E/E的改進(jìn)方法。平均表面粗糙度Rz代表技術(shù)值，成本C代表經(jīng)濟(jì)價(jià)值。公式5為技術(shù)價(jià)值，公式6為經(jīng)濟(jì)價(jià)值，公式7為兩者合計(jì)價(jià)值。

3 材料、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和案例細(xì)節(jié)
       本論文中方法論的應(yīng)用重點(diǎn)在于計(jì)算不同切削液的影響，因此，假定加工系統(tǒng)、工件屬性和工具都是常量。以下部分為外圓磨削工藝中利用不同切削液的材料、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和案例分析細(xì)節(jié)。
3.1 設(shè)備和材料
       外圓磨床為Studer S40 CNC，切削液過濾器和排風(fēng)過濾器與磨床相連接。工件材料為粹硬碳合金鋼（62HRC）。使用三種不同的切削液。第一種是礦物油型的非水溶性常規(guī)研磨油，第二種是水溶性高分子聚合物，第三種是乳狀液水溶性礦物油。所使用的砂輪為陶瓷結(jié)合劑Al2O3砂輪。
       利用三相功率計(jì)對(duì)磨床和工藝的功率消耗進(jìn)行測(cè)量計(jì)算；在工件的四個(gè)不同點(diǎn)上進(jìn)行表面粗糙度Rz測(cè)量；對(duì)徑向砂輪磨損Δrs進(jìn)行測(cè)量。
3.2 實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和案例研究細(xì)節(jié)
       砂輪切削速度為45m/s，工件速度為0.45m/s。每個(gè)類型的切削液進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)不同的材料切除率Q`w＝2.5-5.0-7.5-10.0mm3/(mm·s）。如果表面粗糙度Rz大于10 μm，則停止該組實(shí)驗(yàn)。修整砂輪的工具為金剛石修正滾輪，橫向進(jìn)給aed＝10 μm，重復(fù)修正Ud＝5。
       聚合物稀釋液和乳狀礦物油都是水溶性的，因此，損耗的切削液可以用一大部分水和一小部分原液重新混合補(bǔ)充；所消耗的水價(jià)為每立方1.76€。根據(jù)組份的不同，消耗的原液價(jià)格在2~6€。Al2O3砂輪價(jià)格為300-700€。合計(jì)總成本隨機(jī)床成本、人力成本和消耗的電力成本而定。機(jī)床成本包括折舊、估算利息、占有率和維修費(fèi)用。人力成本為17.5€每小時(shí)；一個(gè)工人操作兩臺(tái)機(jī)器。電能消耗包括加工系統(tǒng)、磨削工藝和修整工藝。電費(fèi)為0.1€/kWh，環(huán)境影響計(jì)算為0.000128kg CO2-eq/KJ。由于數(shù)據(jù)缺失，機(jī)床工具的累積環(huán)境影響沒有計(jì)算在內(nèi)。
4 結(jié)果
4.1 技術(shù)影響
       磨削實(shí)驗(yàn)的技術(shù)影響如圖2所示。圖中上方部分為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，中間部分為測(cè)得的表面粗糙度Rz，下方部分為每天生產(chǎn)的零部件、修整工藝和零部件總量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，切削液的組份對(duì)工件表面粗糙度有很大影響，磨削油的潤滑性要比稀釋聚合物和乳狀礦物油的潤滑性都要高，從而使得工件的表面粗糙度更好，材料去除率更高。稀釋聚合物的潤滑性其次，乳狀礦物油的潤滑性最低，從而使得砂輪磨損更嚴(yán)重，表面粗糙度更大。在使用礦物油潤滑的實(shí)驗(yàn)組中，由于表面粗糙度大且砂輪磨損嚴(yán)重，該組實(shí)驗(yàn)被終止。

圖2：切削液對(duì)每天生產(chǎn)的工件和修整工藝的影響

4.2 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響
       圖3為三種切削液的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)影響對(duì)比。根據(jù)能源消耗對(duì)加工系統(tǒng)的環(huán)境影響進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)能源成本、人力成本和機(jī)器成本對(duì)經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行計(jì)算。工藝參數(shù)對(duì)能源消耗的影響是明顯可識(shí)的。切削時(shí)間隨Q`w的增加而縮短，因此加工每個(gè)零部件所需的時(shí)間也隨之縮短。在對(duì)比三種不同的切削液時(shí)，切削液對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)的能源消耗沒有明顯影響。

圖3：利用不同切削液時(shí)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)對(duì)比

       在研究切削液的應(yīng)用時(shí)，只考慮了重新補(bǔ)充被損耗掉的切削液的劑量，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于切削液組份的不同，兩種水溶性切削液的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)影響要比磨削油的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)影響低。每個(gè)工件損耗掉的切削液劑量隨Q`w的增加而略有降低。
4.3 經(jīng)濟(jì)效率
       在對(duì)比不同的E/E時(shí)，選擇磨削油作為參考方案，稀釋聚合物和礦物油的使用作為備選方案。根據(jù)2.3部分的公式和4.1、4.2部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)三種經(jīng)濟(jì)效率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖中左側(cè)部分為表面粗糙度平均值、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)影響。右側(cè)部分為三種經(jīng)濟(jì)效率。
       三種切削液的對(duì)比可以看出EE趨勢(shì)取決于切削液的組份和特定的材料去除率。兩種水溶性潤滑的E/E趨勢(shì)要比礦物油的好。這是由于兩種水溶性潤滑的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)影響較低的緣故。

圖4：利用不同切削液時(shí)的經(jīng)濟(jì)效率

5 結(jié)論
       本研究提供了一種計(jì)算磨削工藝的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)影響的方法。在外圓磨削工藝中利用三種不同的切削液作為個(gè)案研究。既考慮了磨削工藝，還考慮了整個(gè)加工系統(tǒng)的影響（機(jī)床工具、過濾系統(tǒng)和工具）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示切削液組份對(duì)技術(shù)影響、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)影響有主要作用，進(jìn)而影響磨削工藝的經(jīng)濟(jì)效率。
       在未來的實(shí)驗(yàn)研究中，該方法將延伸輸入工藝變量對(duì)加工工藝的能源/資源轉(zhuǎn)化的影響，對(duì)技術(shù)、環(huán)境和成本的影響以及對(duì)經(jīng)濟(jì)效率的影響。（編譯：中國超硬材料網(wǎng)）