干式切削技術在綠色制造中的作用分析

左西南

[摘要]為加強環境保護,實現經濟的可持續發展,近年來關于綠色制造的研究非常活躍,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,減少切削液的使用,既可以節省大量的能量和資源,又可以減少對環境的不良影響。因此可以說干式切削技術是綠色制造在切削加工中的具體體現和應用。

[關鍵詞]干式切削綠色制造切削液

中圖分類號:TG5文獻標識碼: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境保護的日益重視,工業生產領域提出了綠色制造的概念。綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式,是一個面向環境的復雜的制造系統工程,它把制造過程中涉及到的每一個環節、每一個因素都與對環境的影響和資源的利用緊密結合起來。其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用、維修到報廢、回收、處理的全產品生命周期中,對環境(自然生態環境、社會系統和人類健康等)的負面影響最小、資源效率最高、能源消耗最低,實現經濟效益和社會效益協調優化。

據統計,造成全球環境污染的70%以上排放物來自制造業,它們每年約產生55億噸無害廢物和7億噸有害廢物。因此,如何使制造業盡可能減少環境污染是當前環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,也是現代制造業未來的發展方向。

二、干式切削技術發展的背景

雖然現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,將切屑從機床加工區排出。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。據統計,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。據美國一些企業的統計,在集中冷卻加工系統中,目前與切削液相關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計,其結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,切削液受熱揮發易形成煙霧和產生異味,特別是極壓添加劑所含硫、磷、氯等化學元素在切削過程中形成的物質會引發多種疾病,危害工人的健康。切削廢液的處理已成為現代制造業的一大難題,如果未經處理直接排放則會污染周圍地區的生態環境。所以不使用(或使用微量)切削液的干式切削(或準干式切削)是降低產品制造成本和消除切削液污染,實現綠色制造和清潔化生產的有效途徑,并成為未來制造業的重要發展方向之一。

三、干式切削技術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,且已在生產中有較長時間的應用,比如鑄鐵的加工就不使用切削液。現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。

干式切削技術并不是簡單地取消切削液就能實現,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,需要通過開發和應用耐熱的刀具材料及涂層,設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的切削參數等措施來解決冷卻、摩擦、排屑等問題。

1.刀具。干式切削技術就是要在沒有切削液的條件下創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、鈦基硬質合金(Cermets)、硬質合金和聚晶金剛石(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,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)刀具幾何形狀與結構。優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的影響。

2.機床。在干式切削中,選定正確的機床和恰當的裝備是很重要的。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了各種高速、適應各式切削要求的機床。

3.切削參數和加工方式的選擇。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比如主軸轉速、進給量和切削深度也很重要。提高機床轉速實際上是縮短了產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、發展干式切削技術的重要意義

追求生態效益和經濟效益是推動干式切削技術發展的主要動力,在市場競爭日趨激烈,環境保護意識普遍提高的今天,開發和推行干式切削技術已成為現代制造業的一項迫切任務。在過去,人們更多地把保護環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防。越來越多的事實表明,在制造全過程的各個環節都有產生環境問題的可能性,如果從制造的準備階段就開始對制造的全過程以及生產完成后的產品進行全面的分析評價,對可能產生的環境問題事先進行預測,環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,減少切削液的使用,一方面可以減少對切削液環境的污染,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是綠色制造在切削加工中的具體體現和應用。

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