趙 曦

（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

綠色制造是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，制造企業(yè)作為能源最大的消費(fèi)者和排放的最大生產(chǎn)者，更是要承擔(dān)節(jié)能減排的重任。鍛造生產(chǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中，占有舉足輕重的地位，鍛件的性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關(guān)機(jī)械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件，除形狀較簡(jiǎn)單的可用軋制的板材、型材或焊接件外，多采用鍛件。

1 鍛造生產(chǎn)資源環(huán)境屬性分析

1.1 鍛造生產(chǎn)特點(diǎn)

從節(jié)能減排角度出發(fā)看，鍛造生產(chǎn)有如下特點(diǎn)：

（1）高能耗。鍛造工藝的能耗主要體現(xiàn)在壓力機(jī)、鍛錘、鍛造前加熱和鍛造后的熱處理，在這些過(guò)程中的能耗是與該工藝的特點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)以及管理手段等密切相關(guān)的。鍛造設(shè)備在工作中施加的作用力是非常大的，如液壓機(jī)、壓力機(jī)等鍛壓設(shè)備，其工作部件需要相當(dāng)大的能量，如我國(guó)已制造和使用了12000t 的鍛造水壓機(jī)，鍛造加熱和鍛件熱處理過(guò)程是要使用電能或燃料。

（2）高排放。鍛造車間的加熱爐在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的煙塵被排放到車間的空氣中，不僅影響工人的身體健康，還降低了車間內(nèi)的能見(jiàn)度；加熱產(chǎn)生的廢氣以及礦物燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；鍛造各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢油、廢液、廢渣、廢水等排放物都會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度的影響；鍛造過(guò)程產(chǎn)生了巨大的振動(dòng)和噪聲，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生了噪聲影響。

（3）對(duì)人的影響。鍛造過(guò)程中的各類排放以及噪聲對(duì)車間工人和周圍的居民生活都會(huì)帶來(lái)影響。高溫易引發(fā)車間工人皮膚灼傷，煙塵和有害氣體會(huì)損害身體健康，巨大的噪聲影響工人的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，容易分散注意力，因而增加了人員發(fā)生事故的可能性。

1.2 鍛造生產(chǎn)資源消耗及環(huán)境影響屬性分析

對(duì)鍛造工藝的資源消耗和環(huán)境影響屬性進(jìn)行分析，建立鍛造加工資源環(huán)境過(guò)程模型如圖1 所示。

圖1 鍛造加工資源環(huán)境過(guò)程模型

鍛造生產(chǎn)資源消耗分為兩類，一類為物料的消耗，一類為能量的消耗，它們都是鍛造生產(chǎn)的輸入。物料的消耗首先是原料的消耗。另外，由于某些加工的需要，可能會(huì)需要專門做模具，需要冷卻、潤(rùn)滑介質(zhì)，所以產(chǎn)生了輔助物料的消耗。能量的消耗有煤、天然氣、電的消耗。鍛造生產(chǎn)環(huán)境影響因素是伴隨著生產(chǎn)資源消耗的過(guò)程而產(chǎn)生的，加工過(guò)程產(chǎn)生熱、振動(dòng)、噪聲、廢氣、廢液等，其中一部分直接對(duì)環(huán)境造成影響，一部分可以回收處理減輕對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)環(huán)境的影響有兩部分：對(duì)自然環(huán)境造成影響，也包括對(duì)人的安全和健康產(chǎn)生的影響。

（1）物料消耗。若用RI 和RO 分別表示原料加工前和加工后的質(zhì)量，W 表示原料損耗，U 和L 分別表示原料的利用率和損失率，m下料、m加熱、m鍛壓、m清理分別表示下料、加熱、鍛壓、清理階段原料的損耗，則有：

W=RI-RO=m下料+m加熱+m鍛壓+m清理

U=RO/RI

L=W/RI

輔助物料的消耗主要為冷卻液和潤(rùn)滑介質(zhì)的損耗，用m輔、m液、m潤(rùn)分別表示輔助物料消耗質(zhì)量、冷卻液消耗量、潤(rùn)滑介質(zhì)損耗量，系數(shù)a、b 分別為兩種消耗的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以將不同種類的輔助消耗轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)消耗，則有：

m輔=m液+m潤(rùn)

（2）能量消耗。一是加熱能量消耗：無(wú)論是鍛前加熱還是鍛后熱處理，熱量的消耗總是滿足熱平衡。對(duì)于熱消耗的分析，有如下思路：

熱收入：即加熱的所有熱量來(lái)源，包括燃料化學(xué)能Q1（對(duì)于燃料加熱爐）、預(yù)熱空氣帶入的物理熱Q2、預(yù)熱燃料帶入的物理熱Q3、金屬氧化熱Q4。

熱支出：加熱金屬的有效熱Q0、加熱輔助件的熱量Q輔、各類因素帶來(lái)的熱量的損失Q損。根據(jù)熱平衡，有：

Q1+Q2+Q3+Q4=Q0+Q輔+Q損

二是鍛造能耗。錘擊過(guò)程滿足能量守恒定律，為：

Ez=α·En=Ek=Ed+Eh

式中：Ez—錘擊系統(tǒng)的能量；α—能級(jí)；En—額定擊打能量；Ek—錘頭的動(dòng)能；Ed—鍛件塑性變形能；Eh—為熱能（摩擦熱和變形熱）。若將鍛造系統(tǒng)看作一個(gè)整體（設(shè)備和鍛件），Ez可以看成輸入能量；Ed—有效鍛打能量；Eh—損失能量。錘頭動(dòng)能為：

式中：m—錘頭質(zhì)量；V—錘擊時(shí)的速度；錘擊時(shí)鍛件消耗的能量為：Ed+Eh=P·△h；P—錘擊載荷；△h—下壓量；錘的打擊效率為：η=Ed/Ez。

（3）廢棄排放。這里廢棄排放考慮的是加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄固體、液體和氣體。廢棄固體，包括粉塵、廢屑等，用ms表示；廢液用ml表示；廢氣，包括二氧化硫、氮氧化合物等，用mg表示。根據(jù)各種排放對(duì)環(huán)境的影響程度，給出各自的影響系數(shù)分別為μ、λ、ε，得出對(duì)環(huán)境的影響程度：E=μms+λml+εmg。

（4）加工噪聲。將鍛造噪聲看作一系列斷續(xù)時(shí)間內(nèi)的等值數(shù)值，則可以得到某個(gè)時(shí)間段里的鍛造噪聲：

將噪聲和前面的排放綜合起來(lái)看成對(duì)環(huán)境的影響，并給噪聲加上轉(zhuǎn)換系數(shù)σ，環(huán)境的影響公式變?yōu)椋害ィ紼=μms+λml+εmg+σd。

2 能耗系數(shù)矩陣的建立

能耗系數(shù)矩陣為：Εm×n∶Εm×n={eij}m×n。式中，eij為第i臺(tái)鍛床加工第j 個(gè)鍛件的能耗，要確定能耗矩陣中eij的數(shù)值，就需要對(duì)每臺(tái)鍛床鍛打每個(gè)工件的能耗估計(jì)量Ez，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為打擊能Ed和鍛打效率η 的確定。

（1）打擊能Ed。對(duì)于圓柱鍛件，鐓粗功通過(guò)下面公式計(jì)算：

式中：σs—材料的屈服應(yīng)力；V—鍛件的體積（mm3）；D0、H0—毛坯的直徑和高度（mm）；D、H—為鐓粗后的直徑和高度（mm）。對(duì)于長(zhǎng)板鍛件鐓粗：

式中：b0、H0—毛坯的寬度和高度（mm）；b、H—鐓粗后的寬度和高度（mm）。

（2）鍛打效率η。鍛錘打擊效率就是鍛件在塑性變形中所吸收的能量與輸入能之比，鍛錘打擊效率與機(jī)器自身的參數(shù)以及工件的參數(shù)相關(guān)，對(duì)于自由鍛有：

式中：m1—落下部分的質(zhì)量；m2—砧座的重量；k—鍛件的恢復(fù)系數(shù)。

恢復(fù)系數(shù)取決于鍛坯材質(zhì)以及溫度，溫度越高k 值越小，打擊效率就越高，一般始鍛溫度k 值為0.3，終鍛溫度時(shí)k 值為0.5。工件集中的工件參數(shù)相近，所以對(duì)于一個(gè)既定的工件集，工件對(duì)于η 的影響程度幾乎相同，所以對(duì)于一個(gè)確定的工件集，可以將（1-k2）看作一個(gè)常量ε，在后面的計(jì)算中，可以將ε 取為1，從而有：

對(duì)于設(shè)備集Μ＝{m1，m2，L，mi，L，mm}，可以根據(jù)設(shè)備參數(shù)計(jì)算得到一個(gè)m 維的1/η 值列向量；對(duì)于工件集J={j1，j2，L，jj，L，jn}，可以根據(jù)工件參數(shù)計(jì)算得到一個(gè)n 維的Ed值行向量，將這兩個(gè)向量相乘，便可以得到一個(gè)m×n矩陣，便是能耗系數(shù)矩陣Em×n：

3 排放系數(shù)矩陣的建立

鍛造工藝的資源環(huán)境屬性有以下四個(gè)方面：廢固、廢液、廢氣、加工噪聲。為了能夠滿足各項(xiàng)排放指標(biāo)合格的目標(biāo)，需要建立這四個(gè)方面相應(yīng)的系數(shù)矩陣：

Y={{sij}m×n，{lij}m×n，{gij}m×n，{vij}m×n}

式中：{sij}m×n—廢固排放系數(shù)矩陣；{lij}m×n—廢液排放系數(shù)矩陣；{gij}m×n—廢氣排放系數(shù)矩陣；{vij}m×n—噪聲系數(shù)矩陣。

4 實(shí)例

以2.5 噸機(jī)械皮帶鍛錘為例，研究分析鍛造工藝的能耗情況。

鍛錘的打擊力是鍛錘最重要的性能指標(biāo)，鍛錘是一種沖擊成形設(shè)備，在鍛件變形瞬間，鍛件和設(shè)備承受著巨大的金屬變形抗力和打擊力的沖擊載荷，鍛錘的打擊過(guò)程在千分之幾秒內(nèi)完成，打擊過(guò)程中，鍛件在錘頭與砧座之間完成塑性變形。

皮帶鍛錘靠錘頭自身的落重進(jìn)行打擊，打擊的輕重隨錘頭的上升高度不同而異。錘頭的打擊動(dòng)能為錘頭的落下勢(shì)能轉(zhuǎn)變而成。

2.5 噸皮帶鍛錘的單次最大打擊能量計(jì)算公式如下（錘頭與導(dǎo)軌的摩擦能量損耗為10%）：

E2.5n=（1-10%）×mgh=（1-10%）×2.5×1000×9.8×7.8=172kJ

2.5 噸皮帶鍛錘正常生產(chǎn)每小時(shí)用電28 度。滿負(fù)荷生產(chǎn)，兩臺(tái)皮帶鍛錘每小時(shí)可生產(chǎn)鍛件300 公斤，皮帶鍛錘每生產(chǎn)1 噸鍛件耗用電費(fèi)79.5 元。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鍛造工藝資源環(huán)境屬性以及污染物排放情況的分析，建立了能耗系數(shù)矩陣和排放系數(shù)矩陣，并以2.5噸機(jī)械皮帶鍛錘為例，研究分析鍛造工藝的能耗情況。

[1]韓木林，吳順達(dá).鍛造行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)措施及發(fā)展方向研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，5.

[2]吳白偉，劉東，楊艷慧，孫二舉.對(duì)擊錘上GH4169 合金盤件鍛造過(guò)程數(shù)值模擬[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，17.

[3]張志文，高新，林法禹，等.鍛造工藝學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[4]李永堂，等.鍛壓設(shè)備理論與控制[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[5]張瑞碧.鍛錘打擊效率分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，1998，3.