綠色制造技術在金屬加工中刀具的選擇應用

吳訓忠

（山東康達精密機械制造有限公司，山東 煙臺 265701）

綠色加工技術即指以綠色理念作為導向，將綠色生產、綠色工藝、綠色包裝及綠色設計等技術應用至制造領域中，實現資源利用率的大幅提升，將因生產對生態環境所造成的傷害降至較低。伴隨民眾環保意識深化，綠色制造技術得以廣泛應用。同時，政府也將綠色制造技術納入國家發展規劃體系中。本文即圍繞綠色制造技術在金屬加工中刀具的選擇應用展開探討，望借此可推動綠色制造技術在工業制造領域中的深入應用。

1 綠色制造定義概述

伴隨近幾年，民眾對環境保護、資源保護的重視程度日漸提高，工業生產領域提出綠色制造理念。所謂綠色制造即為將資源效率、環境保護理念融入工業制造中的一種制造模式，此制造模式具備系統性，將制造過程中所涉及到的各因素及各環節均同資源效益及環境保護相結合。綠色制造主要目標為將所制造產品在制造、設計、運輸及包裝等產品生命周期中對人類健康、生態環境及社會系統等所造成的負面影響降至最低，實現社會效益、經濟效益二者的協調優化。據統計，制造業為全球70%污染物的主要來源，每年所產生的無害廢物約為55億噸，有害廢物約為7億噸。所以，如何緩解制造業所造成的環境污染問題尤為必要。而綠色制造為一類新型制造模式，為目前工業制造領域研究重點，同時也為制造業今后發展的主要方向。

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，方可對生產過程中刀具的穩定性加以保障，并提升刀具使用效率。最后為遵循經濟性原則。金屬切割刀具選擇時，需對生產成本加以考慮，即為生產成本的經濟性。加工人員應結合客戶對切削深度所提出的不同要求對刀具加以選擇。此外，還可考慮選用W型刀槽刀片對C型刀槽刀片加以替代，借此除可增加刀刃鋒利度外，還應提升工作效益，于實現經濟性原則同時對產品質量加以保障。

首先為效率原則，刀具選擇在金屬切削過程中尤為必要。金屬加工過程中應注重加工效率，再對加工工作精度、加工工作穩定性予以保障。因此，要求在零件加工過程中須注重工作效率的提高。其次應加大刀具加工精度。刀具在金屬加工過程中將會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，所強調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應結合不同加工需求選取適宜刀具。粗加工時，選用一般刀具即可，但若為精加工，則需改進原有加工刀具，提升刀片質量，也可適當降低生產成本。再次為確保刀具穩定性。金屬加工過程中，先需對加工穩定性予以保障，方可切實提升機械增加效率，提高金屬加工產品質量。因此，要求加工人員在刀具選擇時，需具體分析在加工過程中可能產生的變化選取適宜刀具。刀具選擇時，需對刀具的幾何參數及涂層材料等予以考慮，對刀具

3 綠色制造技術在金屬加工中的刀具選擇模型建立

（1）模型建立的目標。綠色制造技術在金屬加工中，對于刀具的選擇，需要考慮成本和質量、資源笑傲和加工時間以及對環境的影響。因此，基于模型建立的目標向量應當如下圖所示。

圖1 金屬加工中刀具選擇模型圖

在這其中，刀具的環境影響涉及到很多的方面，包括生態環境和職業安全以及衛生管理等，還包括生產安全等方面。

（2）變量優化。刀具的選擇是本方案體系中的核心，也是綠色制造技術在金屬加工中的重點，因此在刀具的選擇中，變量可以使用n來代替，即：

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

在上述關系式中，n代表加工方案數，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）刀具設計。將綠色制造技術應用至刀具設計中，先應對刀具的使用壽命、成本、效率及安全性等加以考慮，此外，還應對刀具回收、使用及制造等綠色設計予以考慮。金屬加工過程中不僅應注重適宜切削工具的選擇，還應注重科學切削方式的選擇。現階段，高速切削、干式切削為兩種較為常用的綠色切削技術。切削技術應用過程中應注意，因切削方式差異，因此對刀具所提出的性能要求也各不相同。因此，刀具設計過程中，應結合切削方式具體要求對刀具設計要點及設計參數等予以準確掌握，僅有如此，方可使得刀具的耐熱性、硬度及強度可充分滿足使用要求。此外，應用綠色切削技術時應注意以下幾點：①此切削技術在實際應用過程中將會導致切削區域溫度升高，加大刀具同所切物品間的摩擦阻力。因此，為適當降低摩擦阻力，在刀具設計時須注重涂層的選擇，可選取碳化硅及氧化鋁等涂層。②應合理制定散熱方式及排屑方式，對綠色切削技術予以優化。如可以低溫切削技術完成切削工作，以液態二氧化碳及液態氮等低溫流動體將切削區域溫度降至較低。③應注重幾何參數的合理選擇。以干式切削刀具為例，月牙洼磨損現象尤為常見，分析主要原因即為此刀具前角較大，使得刀尖強度降低。因此，在具體設計時，應對刀具的傾角、后角及前角等參數合理選擇，以此適當減少刀具同接觸面間的接觸。此外，也可通過負倒棱的設置，提高切削刃的承受能力。④應將節能理念落實于綠色切削技術中。在刀具設計過程中，應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，也可對熱變形予以有效控制。如選擇切削液時，應選擇性能佳、污染低及可降解的綠色切削液，并結合切削方式差異選取適宜的加工參數。⑤高速切削刀具設計過程中，須選取適宜方式將刀尖所產生的熱磨損現象予以緩解，借此增強刀具使用性能，如可將副切削刃與主切削刃二者連接位置設計為刀尖修圓形狀。

（2）刀具材料。新型綠色材料產生前，金屬加工刀具多以高碳工具鋼材料為主，切削速度僅能達到5m/min，且加工能耗較高，效率低。同綠色制造技術要求相違背。因此，可持續發展背景下，需引入綠色新刀具材料，增強刀具使用性能。以金屬實際加工過程而言，刀具材料的選擇應具備較強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及廣泛應用，刀具材料的選擇也逐漸趨于綠色材料，并產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，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，同硬質合金刀具相較而言，前者使用性能更佳，并可節約多種金屬材料。金屬加工領域中，氮化硅基及氧化鋁基等陶瓷刀具得以廣泛應用，如氧化鋁-碳化物系復合陶瓷刀具在軸承鋼、高強度鋼及合金結構鋼中均得以良好應用。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度。

5 結語

綜上所述，為實現綠色制造技術在金屬加工刀具中的充分應用，則需將綠色發展觀念為指導，遵循經濟性、穩定性、精度性及效率性等刀具選擇要求，對綠色刀具結構及刀具材料予以科學選擇，并結合實際金屬加工情況完成刀具設計，對綠色制造技術的落實加以保障，僅有如此，方可切實增強刀具使用性能，并適當延長刀具使用壽命，也可提高金屬加工工作效率及工作質量，實現刀具的綠色、可持續發展。