左西南

[摘要]為加強環(huán)境保護,實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,近年來關(guān)于綠色制造的研究非?；钴S,綠色制造被譽為21世紀的制造模式。金屬切削加工在目前仍然是機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:TG5文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210137-01

一、綠色制造的定義

近年來,隨著人類對資源和環(huán)境保護的日益重視,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環(huán)節(jié)、每一個因素都與對環(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、制造、包裝、運輸、使用、維修到報廢、回收、處理的全產(chǎn)品生命周期中,對環(huán)境(自然生態(tài)環(huán)境、社會系統(tǒng)和人類健康等)的負面影響最小、資源效率最高、能源消耗最低,實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。

據(jù)統(tǒng)計,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,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行各種零件的加工,但金屬切削加工在目前仍然是機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),將切屑從機床加工區(qū)排出。在切削加工過程中,切削液對延長刀具壽命,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,切削液會耗費大量的液體(水、油)。定期添加防腐劑、更換冷卻液等,不僅需要花費許多輔助時間,還要占用大量資金。據(jù)統(tǒng)計,日本一年耗費的切削液就達8億升,而使用切削液所耗費的能量大約占整個機械制造工廠能量的1/10。據(jù)美國一些企業(yè)的統(tǒng)計,在集中冷卻加工系統(tǒng)中,目前與切削液相關(guān)的費用已占零件加工成本的14～17%,而刀具費用僅占2%～4%。美國Balyers刀具涂層公司也作了這方面的統(tǒng)計,其結(jié)論是切削液消耗為刀具費用的3～4倍。切削液的使用、存儲、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)中有較長時間的應(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)并不是簡單地取消切削液就能實現(xiàn),由于在干式切削過程中缺少了切削液的冷卻、潤滑和排屑作用,會導(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)計合適的刀具幾何形狀,以及通過采用適合于干式切削的機床和選擇相應(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,對刀具提出了更高的要求。

(1)刀具材料。由于干式切削時會產(chǎn)生強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.機床。在干式切削中,選定正確的機床和恰當(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,因此機床必須剛性好,功率大。同時也對機床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。

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

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、進給量和切削深度也很重要。提高機床轉(zhuǎn)速實際上是縮短了產(chǎn)生熱量的時間以及熱量傳入工件的時間。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的負載。

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)濟效益是推動干式切削技術(shù)發(fā)展的主要動力,在市場競爭日趨激烈,環(huán)境保護意識普遍提高的今天,開發(fā)和推行干式切削技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的一項迫切任務(wù)。在過去,人們更多地把保護環(huán)境的重點放在了污染物的“末端”控制和處理上,而忽略了對污染物的全過程控制和預(yù)防。越來越多的事實表明,在制造全過程的各個環(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)備階段就開始對制造的全過程以及生產(chǎn)完成后的產(chǎn)品進行全面的分析評價,對可能產(chǎn)生的環(huán)境問題事先進行預(yù)測,環(huán)境面臨的危害就會大大減輕,這一點可以說是綠色制造的核心所在。從這個角度來說,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。

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