綠色制造技術(shù)在金屬加工中刀具的選擇應(yīng)用

吳訓(xùn)忠

（山東康達(dá)精密機(jī)械制造有限公司，山東 煙臺(tái) 265701）

綠色加工技術(shù)即指以綠色理念作為導(dǎo)向，將綠色生產(chǎn)、綠色工藝、綠色包裝及綠色設(shè)計(jì)等技術(shù)應(yīng)用至制造領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)資源利用率的大幅提升，將因生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的傷害降至較低。伴隨民眾環(huán)保意識(shí)深化，綠色制造技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。同時(shí)，政府也將綠色制造技術(shù)納入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃體系中。本文即圍繞綠色制造技術(shù)在金屬加工中刀具的選擇應(yīng)用展開探討，望借此可推動(dòng)綠色制造技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域中的深入應(yīng)用。

1 綠色制造定義概述

伴隨近幾年，民眾對(duì)環(huán)境保護(hù)、資源保護(hù)的重視程度日漸提高，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提出綠色制造理念。所謂綠色制造即為將資源效率、環(huán)境保護(hù)理念融入工業(yè)制造中的一種制造模式，此制造模式具備系統(tǒng)性，將制造過(guò)程中所涉及到的各因素及各環(huán)節(jié)均同資源效益及環(huán)境保護(hù)相結(jié)合。綠色制造主要目標(biāo)為將所制造產(chǎn)品在制造、設(shè)計(jì)、運(yùn)輸及包裝等產(chǎn)品生命周期中對(duì)人類健康、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)系統(tǒng)等所造成的負(fù)面影響降至最低，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益二者的協(xié)調(diào)優(yōu)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)為全球70%污染物的主要來(lái)源，每年所產(chǎn)生的無(wú)害廢物約為55億噸，有害廢物約為7億噸。所以，如何緩解制造業(yè)所造成的環(huán)境污染問(wèn)題尤為必要。而綠色制造為一類新型制造模式，為目前工業(yè)制造領(lǐng)域研究重點(diǎn)，同時(shí)也為制造業(yè)今后發(fā)展的主要方向。

2 金屬加工中刀具選擇要求

的使用性能予以了解。僅有如此，方可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中刀具的穩(wěn)定性加以保障，并提升刀具使用效率。最后為遵循經(jīng)濟(jì)性原則。金屬切割刀具選擇時(shí)，需對(duì)生產(chǎn)成本加以考慮，即為生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性。加工人員應(yīng)結(jié)合客戶對(duì)切削深度所提出的不同要求對(duì)刀具加以選擇。此外，還可考慮選用W型刀槽刀片對(duì)C型刀槽刀片加以替代，借此除可增加刀刃鋒利度外，還應(yīng)提升工作效益，于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性原則同時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量加以保障。

首先為效率原則，刀具選擇在金屬切削過(guò)程中尤為必要。金屬加工過(guò)程中應(yīng)注重加工效率，再對(duì)加工工作精度、加工工作穩(wěn)定性予以保障。因此，要求在零件加工過(guò)程中須注重工作效率的提高。其次應(yīng)加大刀具加工精度。刀具在金屬加工過(guò)程中將會(huì)直接影響金屬加工精度，因此須注重刀具的選擇。通常情況下，機(jī)械零部件加工主要分為粗加工、精加工兩種加工類型，因加工類型差異，所強(qiáng)調(diào)的加工要求也各不相同。如在粗加工中注重加工效率；精加工中更注重加工的精確度。此要求加工人員在選擇刀具時(shí)應(yīng)結(jié)合不同加工需求選取適宜刀具。粗加工時(shí)，選用一般刀具即可，但若為精加工，則需改進(jìn)原有加工刀具，提升刀片質(zhì)量，也可適當(dāng)降低生產(chǎn)成本。再次為確保刀具穩(wěn)定性。金屬加工過(guò)程中，先需對(duì)加工穩(wěn)定性予以保障，方可切實(shí)提升機(jī)械增加效率，提高金屬加工產(chǎn)品質(zhì)量。因此，要求加工人員在刀具選擇時(shí)，需具體分析在加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的變化選取適宜刀具。刀具選擇時(shí)，需對(duì)刀具的幾何參數(shù)及涂層材料等予以考慮，對(duì)刀具

3 綠色制造技術(shù)在金屬加工中的刀具選擇模型建立

（1）模型建立的目標(biāo)。綠色制造技術(shù)在金屬加工中，對(duì)于刀具的選擇，需要考慮成本和質(zhì)量、資源笑傲和加工時(shí)間以及對(duì)環(huán)境的影響。因此，基于模型建立的目標(biāo)向量應(yīng)當(dāng)如下圖所示。

圖1 金屬加工中刀具選擇模型圖

在這其中，刀具的環(huán)境影響涉及到很多的方面，包括生態(tài)環(huán)境和職業(yè)安全以及衛(wèi)生管理等，還包括生產(chǎn)安全等方面。

（2）變量?jī)?yōu)化。刀具的選擇是本方案體系中的核心，也是綠色制造技術(shù)在金屬加工中的重點(diǎn)，因此在刀具的選擇中，變量可以使用n來(lái)代替，即：

X=[x1,x2,......xn]T

在上述關(guān)系式中，n代表加工方案數(shù)，因此在方案的采用上可以表示：

4 金屬加工中刀具選擇建議

（1）刀具設(shè)計(jì)。將綠色制造技術(shù)應(yīng)用至刀具設(shè)計(jì)中，先應(yīng)對(duì)刀具的使用壽命、成本、效率及安全性等加以考慮，此外，還應(yīng)對(duì)刀具回收、使用及制造等綠色設(shè)計(jì)予以考慮。金屬加工過(guò)程中不僅應(yīng)注重適宜切削工具的選擇，還應(yīng)注重科學(xué)切削方式的選擇。現(xiàn)階段，高速切削、干式切削為兩種較為常用的綠色切削技術(shù)。切削技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意，因切削方式差異，因此對(duì)刀具所提出的性能要求也各不相同。因此，刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合切削方式具體要求對(duì)刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù)等予以準(zhǔn)確掌握，僅有如此，方可使得刀具的耐熱性、硬度及強(qiáng)度可充分滿足使用要求。此外，應(yīng)用綠色切削技術(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①此切削技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將會(huì)導(dǎo)致切削區(qū)域溫度升高，加大刀具同所切物品間的摩擦阻力。因此，為適當(dāng)降低摩擦阻力，在刀具設(shè)計(jì)時(shí)須注重涂層的選擇，可選取碳化硅及氧化鋁等涂層。②應(yīng)合理制定散熱方式及排屑方式，對(duì)綠色切削技術(shù)予以優(yōu)化。如可以低溫切削技術(shù)完成切削工作，以液態(tài)二氧化碳及液態(tài)氮等低溫流動(dòng)體將切削區(qū)域溫度降至較低。③應(yīng)注重幾何參數(shù)的合理選擇。以干式切削刀具為例，月牙洼磨損現(xiàn)象尤為常見(jiàn)，分析主要原因即為此刀具前角較大，使得刀尖強(qiáng)度降低。因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)刀具的傾角、后角及前角等參數(shù)合理選擇，以此適當(dāng)減少刀具同接觸面間的接觸。此外，也可通過(guò)負(fù)倒棱的設(shè)置，提高切削刃的承受能力。④應(yīng)將節(jié)能理念落實(shí)于綠色切削技術(shù)中。在刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重合適切削液的選擇。適宜的切削液除可將摩擦熱量降至較低外，也可對(duì)熱變形予以有效控制。如選擇切削液時(shí)，應(yīng)選擇性能佳、污染低及可降解的綠色切削液，并結(jié)合切削方式差異選取適宜的加工參數(shù)。⑤高速切削刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中，須選取適宜方式將刀尖所產(chǎn)生的熱磨損現(xiàn)象予以緩解，借此增強(qiáng)刀具使用性能，如可將副切削刃與主切削刃二者連接位置設(shè)計(jì)為刀尖修圓形狀。

（2）刀具材料。新型綠色材料產(chǎn)生前，金屬加工刀具多以高碳工具鋼材料為主，切削速度僅能達(dá)到5m/min，且加工能耗較高，效率低。同綠色制造技術(shù)要求相違背。因此，可持續(xù)發(fā)展背景下，需引入綠色新刀具材料，增強(qiáng)刀具使用性能。以金屬實(shí)際加工過(guò)程而言，刀具材料的選擇應(yīng)具備較強(qiáng)耐磨性能及較高硬度，方可滿足金屬加工切削需求。伴隨綠色材料的研發(fā)及廣泛應(yīng)用，刀具材料的選擇也逐漸趨于綠色材料，并產(chǎn)生多種以綠色材料為主的刀具。主要可分為如下幾類：①陶瓷刀具。此類型刀具具備切削高速、不積屑及摩擦力較小等特點(diǎn)，且具備較高耐用度。如以氮化硅陶瓷刀具材料為例，此刀具材料主要成為即為氮及硅，同硬質(zhì)合金刀具相較而言，前者使用性能更佳，并可節(jié)約多種金屬材料。金屬加工領(lǐng)域中，氮化硅基及氧化鋁基等陶瓷刀具得以廣泛應(yīng)用，如氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷刀具在軸承鋼、高強(qiáng)度鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼中均得以良好應(yīng)用。②超硬材料刀具。主要包括聚晶立方氮化硼、聚晶金剛石及單晶金剛石等，其中應(yīng)用范圍最廣的為聚晶立方氮化硼，此類型刀具的硬度僅次于金剛石，并具備良好的抗破裂性及較高的沖擊強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)綠色制造技術(shù)在金屬加工刀具中的充分應(yīng)用，則需將綠色發(fā)展觀念為指導(dǎo)，遵循經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、精度性及效率性等刀具選擇要求，對(duì)綠色刀具結(jié)構(gòu)及刀具材料予以科學(xué)選擇，并結(jié)合實(shí)際金屬加工情況完成刀具設(shè)計(jì)，對(duì)綠色制造技術(shù)的落實(shí)加以保障，僅有如此，方可切實(shí)增強(qiáng)刀具使用性能，并適當(dāng)延長(zhǎng)刀具使用壽命，也可提高金屬加工工作效率及工作質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)刀具的綠色、可持續(xù)發(fā)展。