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，受各種經濟、環境因素的影響。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，包括加工參數和不同的增強促成因素，如工具、切削液和加工供系統（機床工具、切削液濾器、排風過濾器）等。每個變量都會影響磨削工藝的一個或多個方面，如圖1所示。磨削過程中，由于工件的可切削性，工件屬性會影響產品屬性。加工參數如切割深度、切割速度和共建速度以及修整進給等會影響磨削工藝的整體性能。增強促成因素則影響磨削過程中的資源和能源轉換。圖一中，右圖為上述提到的磨削過程中的技術、經濟和環境輸出因素。表面粗糙度是衡量磨削技術的一個標準，成本和碳排量可以衡量工藝的經濟和環境效益。

圖1：磨削工藝構成

       在此背景下，本論文對磨削工藝中傳統切削液和可替代品的成本、環境影響進行研究分析。研究包括磨削工藝和整個加工系統。傳統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、動物脂肪油或者天然副產品如甘油等。
2 實驗方法
2.1 方法論描述
       根據圖一，可以分出三種類型的輸出加工變量：工件屬性、加工參數、增強促成因素。每一個因子在磨削過程中都對技術、環境和經濟目標產生影響。通過對輸入變量和輸出目標之間關系的系統分析，可以算出輸入加工變量發生變化時的環境和經濟影響。
2.2 成本和環境影響的計算
       公式1為磨削過程中的碳排量，包括累積電能適度消費帶來的環境影響Ci,e、砂輪Cd,gw、累積切削液Ci,cf、機床工具的累積影響Ci,m。公式2為磨削相關的直接成本。總成本包括累積電能耗費，砂輪和累積磨削液以及人力、設備費用。

2.3 經濟效率計算
       經濟效率（E/E）主要是經濟成本和環境影響之間的經濟活動經驗關系式。在計算E/E時，有兩個相當的變量，即與環境影響有關的產品性價比和服務價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算出產品價值或服務價值。根據ISO 14042，利用篩選生命周期評價對環境影響進行計算。
       E/E的計算從宏觀層面可以用來計算社會效率；從微觀層面可以計算技術效率、產品效率、區域效率等。制造工藝領域，E/E的計算屬于微觀層面。
       本文根據世界商業可持續發展理事會對E/E的規定，提出了一種計算E/E的改進方法。平均表面粗糙度Rz代表技術值，成本C代表經濟價值。公式5為技術價值，公式6為經濟價值，公式7為兩者合計價值。

3 材料、實驗細節和案例細節
       本論文中方法論的應用重點在于計算不同切削液的影響，因此，假定加工系統、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、實驗細節和案例分析細節。
3.1 設備和材料
       外圓磨床為Studer S40 CNC，切削液過濾器和排風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合劑Al2O3砂輪。
       利用三相功率計對磨床和工藝的功率消耗進行測量計算；在工件的四個不同點上進行表面粗糙度Rz測量；對徑向砂輪磨損Δrs進行測量。
3.2 實驗細節和案例研究細節
       砂輪切削速度為45m/s，工件速度為0.45m/s。每個類型的切削液進行四組實驗，對應不同的材料切除率Q`w＝2.5-5.0-7.5-10.0mm3/(mm·s）。如果表面粗糙度Rz大于10 μm，則停止該組實驗。修整砂輪的工具為金剛石修正滾輪，橫向進給aed＝10 μm，重復修正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充；所消耗的水價為每立方1.76€。根據組份的不同，消耗的原液價格在2~6€。Al2O3砂輪價格為300-700€。合計總成本隨機床成本、人力成本和消耗的電力成本而定。機床成本包括折舊、估算利息、占有率和維修費用。人力成本為17.5€每小時；一個工人操作兩臺機器。電能消耗包括加工系統、磨削工藝和修整工藝。電費為0.1€/kWh，環境影響計算為0.000128kg CO2-eq/KJ。由于數據缺失，機床工具的累積環境影響沒有計算在內。
4 結果
4.1 技術影響
       磨削實驗的技術影響如圖2所示。圖中上方部分為實驗參數，中間部分為測得的表面粗糙度Rz，下方部分為每天生產的零部件、修整工藝和零部件總量。實驗結果顯示，切削液的組份對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重，表面粗糙度更大。在使用礦物油潤滑的實驗組中，由于表面粗糙度大且砂輪磨損嚴重，該組實驗被終止。

圖2：切削液對每天生產的工件和修整工藝的影響

4.2 環境和經濟影響
       圖3為三種切削液的環境、經濟影響對比。根據能源消耗對加工系統的環境影響進行計算；根據能源成本、人力成本和機器成本對經濟影響進行計算。工藝參數對能源消耗的影響是明顯可識的。切削時間隨Q`w的增加而縮短，因此加工每個零部件所需的時間也隨之縮短。在對比三種不同的切削液時，切削液對整個加工系統的能源消耗沒有明顯影響。

圖3：利用不同切削液時的環境、經濟對比

       在研究切削液的應用時，只考慮了重新補充被損耗掉的切削液的劑量，對比結果發現，由于切削液組份的不同，兩種水溶性切削液的環境、經濟影響要比磨削油的環境、經濟影響低。每個工件損耗掉的切削液劑量隨Q`w的增加而略有降低。
4.3 經濟效率
       在對比不同的E/E時，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2.3部分的公式和4.1、4.2部分的實驗結果對三種經濟效率進行計算，計算結果如圖4所示。圖中左側部分為表面粗糙度平均值、環境影響、經濟影響。右側部分為三種經濟效率。
       三種切削液的對比可以看出EE趨勢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趨勢要比礦物油的好。這是由于兩種水溶性潤滑的環境、經濟影響較低的緣故。

圖4：利用不同切削液時的經濟效率

5 結論
       本研究提供了一種計算磨削工藝的環境、經濟影響的方法。在外圓磨削工藝中利用三種不同的切削液作為個案研究。既考慮了磨削工藝，還考慮了整個加工系統的影響（機床工具、過濾系統和工具）。實驗結果顯示切削液組份對技術影響、環境影響和經濟影響有主要作用，進而影響磨削工藝的經濟效率。
       在未來的實驗研究中，該方法將延伸輸入工藝變量對加工工藝的能源/資源轉化的影響，對技術、環境和成本的影響以及對經濟效率的影響。（編譯：中國超硬材料網）