干式切削技術(shù)在綠色制造中的作用分析

左西南

[摘要]為加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,近年來關(guān)于綠色制造的研究非?；钴S,綠色制造被譽(yù)為21世紀(jì)的制造模式。金屬切削加工在目前仍然是機(jī)械零件最重要的加工方法,如果能在切削加工過程中推廣干式切削技術(shù),減少切削液的使用,既可以節(jié)省大量的能量和資源,又可以減少對(duì)環(huán)境的不良影響。因此可以說干式切削技術(shù)是綠色制造在切削加工中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]干式切削綠色制造切削液

中圖分類號(hào):TG5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210137-01

一、綠色制造的定義

近年來,隨著人類對(duì)資源和環(huán)境保護(hù)的日益重視,工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提出了綠色制造的概念。綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式,是一個(gè)面向環(huán)境的復(fù)雜的制造系統(tǒng)工程,它把制造過程中涉及到的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)因素都與對(duì)環(huán)境的影響和資源的利用緊密結(jié)合起來。其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用、維修到報(bào)廢、回收、處理的全產(chǎn)品生命周期中,對(duì)環(huán)境(自然生態(tài)環(huán)境、社會(huì)系統(tǒng)和人類健康等)的負(fù)面影響最小、資源效率最高、能源消耗最低,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。

據(jù)統(tǒng)計(jì),造成全球環(huán)境污染的70%以上排放物來自制造業(yè),它們每年約產(chǎn)生55億噸無害廢物和7億噸有害廢物。因此,如何使制造業(yè)盡可能減少環(huán)境污染是當(dāng)前環(huán)境問題研究的一個(gè)重要方面。綠色制造作為一種新型的制造模式,是目前的研究熱點(diǎn),也是現(xiàn)代制造業(yè)未來的發(fā)展方向。

二、干式切削技術(shù)發(fā)展的背景

雖然現(xiàn)在可使用特種加工進(jìn)行各種零件的加工,但金屬切削加工在目前仍然是機(jī)械零件最重要的加工方法。在切削過程中切削液主要有以下幾個(gè)方面的作用:其一可吸收切削區(qū)的熱量并帶走大量切削熱,使傳入刀具和工件的切削熱非常少;其二能在刀具與工件以及刀具與切屑接觸界面上形成潤(rùn)滑膜,既減少摩擦又抑制切屑粘連到刀具上形成積屑瘤;其三可用作輸送介質(zhì),將切屑從機(jī)床加工區(qū)排出。在切削加工過程中,切削液對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命,保證加工質(zhì)量起著十分重要的作用。但切削液的大量使用也存在著許多弊端,切削液會(huì)耗費(fèi)大量的液體(水、油)。定期添加防腐劑、更換冷卻液等,不僅需要花費(fèi)許多輔助時(shí)間,還要占用大量資金。據(jù)統(tǒng)計(jì),日本一年耗費(fèi)的切削液就達(dá)8億升,而使用切削液所耗費(fèi)的能量大約占整個(gè)機(jī)械制造工廠能量的1/10。據(jù)美國(guó)一些企業(yè)的統(tǒng)計(jì),在集中冷卻加工系統(tǒng)中,目前與切削液相關(guān)的費(fèi)用已占零件加工成本的14～17%,而刀具費(fèi)用僅占2%～4%。美國(guó)Balyers刀具涂層公司也作了這方面的統(tǒng)計(jì),其結(jié)論是切削液消耗為刀具費(fèi)用的3～4倍。切削液的使用、存儲(chǔ)、保潔和處理等都十分繁瑣,切削液受熱揮發(fā)易形成煙霧和產(chǎn)生異味,特別是極壓添加劑所含硫、磷、氯等化學(xué)元素在切削過程中形成的物質(zhì)會(huì)引發(fā)多種疾病,危害工人的健康。切削廢液的處理已成為現(xiàn)代制造業(yè)的一大難題,如果未經(jīng)處理直接排放則會(huì)污染周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。所以不使用(或使用微量)切削液的干式切削(或準(zhǔn)干式切削)是降低產(chǎn)品制造成本和消除切削液污染,實(shí)現(xiàn)綠色制造和清潔化生產(chǎn)的有效途徑,并成為未來制造業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

三、干式切削技術(shù)面臨的主要問題及解決方法

干式切削的工藝方法從原理上講并不新鮮,且已在生產(chǎn)中有較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用,比如鑄鐵的加工就不使用切削液?，F(xiàn)代制造中的干式切削不僅僅局限于鑄鐵材料的加工,而是力圖在所有材料加工及所有加工方法中均不使用切削液。

干式切削技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地取消切削液就能實(shí)現(xiàn),由于在干式切削過程中缺少了切削液的冷卻、潤(rùn)滑和排屑作用,會(huì)導(dǎo)致刀具與工件間的摩擦增大、切削溫度升高、粘連加劇和切屑堵塞,從而造成刀具壽命縮短、加工精度和切削效率的下降。

為克服由于缺少切削液而造成的困難,需要通過開發(fā)和應(yīng)用耐熱的刀具材料及涂層,設(shè)計(jì)合適的刀具幾何形狀,以及通過采用適合于干式切削的機(jī)床和選擇相應(yīng)的切削參數(shù)等措施來解決冷卻、摩擦、排屑等問題。

1.刀具。干式切削技術(shù)就是要在沒有切削液的條件下創(chuàng)造具有與濕式切削相同或相近的切削條件。因此,對(duì)刀具提出了更高的要求。

(1)刀具材料。由于干式切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和極高的溫度,所以用于干式切削的刀具要具有較高的高溫硬度和耐磨性。目前,用于干式切削的主要有立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具材料、鈦基硬質(zhì)合金(Cermets)、硬質(zhì)合金和聚晶金剛石(PCD)等刀具材料。

(2)涂層。涂層的作用在于在刀具與切削材料之間筑起一道屏障,以阻攔大部分切削熱向刀體傳導(dǎo),因而能保證刀具切削刃鋒利,使刀頭硬度不會(huì)很快下降,可大大提高其耐高溫性能。

(3)刀具幾何形狀與結(jié)構(gòu)。優(yōu)化刀具的幾何角度和提高刀具排除切屑的能力,可在很大程度上減少熱效應(yīng)的影響。

2.機(jī)床。在干式切削中,選定正確的機(jī)床和恰當(dāng)?shù)难b備是很重要的。由于其加工速度很快,材料又常常較硬,切削溫度較高,因此機(jī)床必須剛性好,功率大。同時(shí)也對(duì)機(jī)床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。

目前德國(guó)的Hueller Hille公司、美國(guó)的Ingersoll公司、德國(guó)的DMG公司、日本的北村機(jī)械均開發(fā)了各種高速、適應(yīng)各式切削要求的機(jī)床。

3.切削參數(shù)和加工方式的選擇。為了在干式切削方面取得較好的效果,選擇適宜的切削參數(shù)比如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度也很重要。提高機(jī)床轉(zhuǎn)速實(shí)際上是縮短了產(chǎn)生熱量的時(shí)間以及熱量傳入工件的時(shí)間。在切削過程中如果利用改變斷屑槽的方法不能充分控制切屑,增加進(jìn)給量通常能得到最好的效果。通常情況下,減少切削深度既可減少刀具與熱源的接觸面積又可減少切削時(shí)的負(fù)載。

四、發(fā)展干式切削技術(shù)的重要意義

追求生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益是推動(dòng)干式切削技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,環(huán)境保護(hù)意識(shí)普遍提高的今天,開發(fā)和推行干式切削技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的一項(xiàng)迫切任務(wù)。在過去,人們更多地把保護(hù)環(huán)境的重點(diǎn)放在了污染物的“末端”控制和處理上,而忽略了對(duì)污染物的全過程控制和預(yù)防。越來越多的事實(shí)表明,在制造全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都有產(chǎn)生環(huán)境問題的可能性,如果從制造的準(zhǔn)備階段就開始對(duì)制造的全過程以及生產(chǎn)完成后的產(chǎn)品進(jìn)行全面的分析評(píng)價(jià),對(duì)可能產(chǎn)生的環(huán)境問題事先進(jìn)行預(yù)測(cè),環(huán)境面臨的危害就會(huì)大大減輕,這一點(diǎn)可以說是綠色制造的核心所在。從這個(gè)角度來說,如果能大力推廣干式切削技術(shù),減少切削液的使用,一方面可以減少對(duì)切削液環(huán)境的污染,另一方面可以降低能耗,降低制造成本,具備綠色制造的重要特征,因此可以說干式切削技術(shù)是綠色制造在切削加工中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]汪哲能、劉斌,干式切削的關(guān)鍵技術(shù)[J].邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,1.

[2]艾興,發(fā)展先進(jìn)切削技術(shù),提高加工效率,建設(shè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)[J].機(jī)械工人·冷加工,2005,9.

[3]張春梅、趙金柱,基于綠色制造的干式切削鉆頭前角優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù),2009,43(5).

[4]儲(chǔ)開宇,綠色高速干式切削技術(shù)的研究?jī)?nèi)容及其發(fā)展[J].工具技術(shù)2008,42(8).