綠色制造技術(shù)在金屬加工中刀具的選擇應(yīng)用
2022-6-14 來源： 山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：亓軍
摘要：人們對于可持續(xù)發(fā)展環(huán)保觀念的重視，使得綠色制造技術(shù)也逐漸映入大眾視野，以其節(jié)約環(huán)境與經(jīng)濟(jì)成本、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的突出優(yōu)勢，成為關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容之一。在追求健康環(huán)保的生活方式的同時，人們對于制作工藝尤其是綠色制造技術(shù)提出了更高層次的要求。本文從綠色制造的概念內(nèi)涵出發(fā)，對金屬加工中刀具的選擇原則、建議以及綠色刀具的設(shè)計要求進(jìn)行了簡要介紹，以期可以為相關(guān)的理論與技術(shù)工作者提供基本的借鑒與參考。
關(guān)鍵詞：綠色制造技術(shù)；金屬加工；刀具選擇
0 引言
自然資源與人類之間的矛盾，隨著自然科學(xué)的發(fā)展以及人類的工業(yè)生產(chǎn)活動愈演愈烈，如何科學(xué)有效地利用有限的自然資源，去獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益是當(dāng)代社會制造業(yè)的重點(diǎn)議題。綠色制造技術(shù)的最大特征就在于符合當(dāng)今時代發(fā)展潮流，迎合了可持續(xù)發(fā)展理念的發(fā)展要求。恰如其名，綠色制造技術(shù)以綠色理念為核心。因而，在進(jìn)行金屬資源的加工過程中，綠色制造技術(shù)能夠在保障產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)之上最大程度的節(jié)約資源，真正實(shí)現(xiàn)了將經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行最大化，進(jìn)而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)。與此同時，在進(jìn)行金屬加工的具體環(huán)節(jié)中，如何選擇加工刀具進(jìn)行設(shè)計制造是尤為重要的。刀具選擇的適當(dāng)與否直接關(guān)系到金屬加工制造的質(zhì)量與效率，因而，本文將對金屬加工中刀具的選擇
進(jìn)行簡要介紹。
1、綠色制造的概念內(nèi)涵
顧名思義，綠色制造的概念正是在追求綠色環(huán)保生態(tài)理念的社會環(huán)境背景下，在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域提出的一種用于指導(dǎo)生產(chǎn)制造的理論概念。具體來講，綠色制造理念就是將資源效益與環(huán)境保護(hù)進(jìn)行有效結(jié)合從而在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、制造、包裝運(yùn)輸、使用以及后續(xù)處理等各項(xiàng)環(huán)節(jié)提供最佳選擇，以達(dá)到節(jié)約資源、減少人工工業(yè)環(huán)境污染以及保護(hù)人類身心健康的目的。總而言之，綠色制造就是旨在降低工業(yè)制造對于生態(tài)環(huán)境以及人類自身的危害，同時可以對有限生態(tài)資源進(jìn)行合理科學(xué)利用從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化的一套現(xiàn)代工業(yè)制造模式。
2、金屬加工中刀具的選擇原則
在綠色制造的金屬加工中，刀具的選擇具有十分重要的影響作用。因而，筆者將對金屬加工的刀具選擇的具體原則進(jìn)行簡要介紹。
2.1 效率原則
所謂事半功倍，現(xiàn)代社會工業(yè)發(fā)展迅速，其一主要特征就是追求高效原則。對于金屬的切割制造來講，選擇刀具的重要原則標(biāo)準(zhǔn)同樣在于遵循效率原則。在保障刀具的基本質(zhì)量如穩(wěn)定性以及刀具精密度的前提之下，刀具的效率原則是決定金屬加工制造資源利用率的重要影響因素。在整個工藝制造加工的過程中，刀具制造本身所占成本其實(shí)并不大，但其后續(xù)影響是十分明顯的。具體來講，刀具的使用效率與金屬加工的經(jīng)濟(jì)效益和綠色制造技術(shù)所節(jié)約的資源成本直接相關(guān)。如果切割刀具的使用效率較低，其直接后果就是延長金屬加工制造的周期。此外，還會降低自然資源的使用率，導(dǎo)致金屬原材料的大量浪費(fèi)，甚至造成環(huán)境污染。因此，在金屬切割加工中，刀具的選擇必須考慮效率原則。
2.2 精度原則
隨著近年來我國科技水平的不斷發(fā)展，工藝制造產(chǎn)品越發(fā)向著精細(xì)化與復(fù)雜化的方向發(fā)展。進(jìn)而，在對金屬進(jìn)行切割加工制造的時候，刀具的精度就成為一項(xiàng)重要原則。就金屬加工可具體細(xì)化分為粗加工與精加工兩種，在粗加工中，最為重要的在于效率原則，目的在于迅速打造工藝產(chǎn)品的大致造型。而在精加工環(huán)節(jié)，則必須對工藝產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)致打磨，即以精度原則為主。就具體金屬加工過程來看，專業(yè)工作人員必須依照產(chǎn)品設(shè)計的深度以及精細(xì)度要求來選擇適合的刀具。如相較于 C 型刀片來講，W 型刀具在鋒利度以及精細(xì)度上都具有明顯的優(yōu)越性。總而言之，在進(jìn)行金屬切割加工的過程中，應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)計要求分析，選擇精細(xì)度不同的刀具。只有這樣，才能夠科學(xué)合理地對金屬工藝進(jìn)行加工打磨，滿足不同客戶的使用需要。
2.3 穩(wěn)定性原則
對于金屬切割加工制造來講，其本身是一項(xiàng)潛在危險性較大的工作。尤其，涉及到對于刀具的使用時這一危險性就更為突出。即使是擁有成熟切割技術(shù)的工作人員也無法保證百分之百的安全性。因而，在進(jìn)行金屬加工制造時，刀具的穩(wěn)定性原則十分重要，這是相關(guān)工作人員人身安全的基本保障。具體來講，刀具的穩(wěn)定性原則表現(xiàn)在諸多方面，無論是原材料的材質(zhì)、刀片安裝的槽型以及安裝夾的松緊度都會影響到刀具自身的穩(wěn)定性。如果不慎刀具穩(wěn)定性能較差，或者在使用過程中因?yàn)槟骋环矫娴挠绊懚鴮?dǎo)致刀具損壞，對于工作人員的安全性造成威脅自不必再加以贅述，還會導(dǎo)致不必要的資源浪費(fèi)與成本增加。
2.4 經(jīng)濟(jì)性原則
歸根結(jié)底，無論是金屬制造行業(yè)本身的盈利性特征還是不同客戶的購買需求，經(jīng)濟(jì)性原則都是必須納入金屬結(jié)構(gòu)制造的考量范圍之內(nèi)。首先，對于刀具選擇中的效率原則、精度原則以及穩(wěn)定性原則，都有在一定程度上考慮了經(jīng)濟(jì)性原則。綠色制造技術(shù)本身就是在綠色環(huán)保的基礎(chǔ)之上追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化。其次，在對金屬加工的過程中，如果對于刀具的精度要求也就是對于金屬的切割深度要求并不十分嚴(yán)格，應(yīng)將成本納入考量范圍內(nèi)以滿足不同客戶的購買需求。
3、綠色刀具的設(shè)計要求
在將綠色制造技術(shù)運(yùn)用至金屬切割制造的過程中，刀具選擇除了要考慮上述原則外，還應(yīng)該對刀具的使用壽命、回收利用以及處理等綠色設(shè)計進(jìn)行考量。
3.1 滿足切割需要
在金屬加工制造中，刀具選擇的固然重要，但選擇科學(xué)的切削方式同樣必不可少。目前來講，我國金屬加工制造業(yè)主要的刀具切削方式可分為干式切削與快速切削兩種。因?yàn)榍邢鞣绞讲煌鄳?yīng)的在對刀具進(jìn)行設(shè)計之初所側(cè)重的諸如硬度、強(qiáng)度以及耐熱性等性能要求也會不同。對于綠色刀具的設(shè)計來講，由于它在實(shí)際應(yīng)用中會加大金屬與刀具之間的摩擦力，使得金屬周邊的溫度更高。因而，其硬度、熱度以及耐熱性相較于一般的刀具設(shè)計性能來講要更強(qiáng)。總而言之，綠色刀具設(shè)計的質(zhì)量較于一般刀具質(zhì)量更佳。因此，在對綠色刀具進(jìn)行設(shè)計的時候必須準(zhǔn)確了解刀具的切割需要。根據(jù)不同切割方式的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而滿足刀具的性能設(shè)計，提供金屬加工制造的工作效
率。比如現(xiàn)代綠色制造技術(shù)所打造的陶瓷刀具。相較于其他刀具而言，陶瓷刀具在摩擦力、切削硬度以及耐用度等性能上都更加具有優(yōu)越性。以氮化硅陶瓷刀具為例，在該刀具的設(shè)計制造之初，為了滿足高速切割以及更加耐用的設(shè)計需求，便采用了氮、硅等化學(xué)原材料。既可以有效節(jié)約自然資源，又可以最大限度的滿足設(shè)計需求。就現(xiàn)代機(jī)械制造市場來看，陶瓷刀具的應(yīng)用稱得上是最為廣泛的綠色刀具，在對于合金結(jié)構(gòu)鋼以及高硬度鋼的加工制造中都可以看到其身影。
3.2 干式切削刀具
就物理原理來講，干式切削刀具主要是憑借刀刃自身與金屬切割物之間劇烈的摩擦所導(dǎo)致的高溫而進(jìn)行切割完成作業(yè)的。因而在通常情況下干式切削刀具中會有較為明顯的月牙洼磨損現(xiàn)象。這主要是因?yàn)楦墒角邢鞯毒叩那?/font>角較大，刀尖部分的強(qiáng)度降低。因此對于干式切削刀具而言，其前后腳以及傾斜度的參數(shù)都有嚴(yán)格的要求。稍有不慎，就會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，切割速度下降甚至直接導(dǎo)致刀具報廢。與此同時，由于干式切削刀具的主要作業(yè)原理在于高溫摩擦，所以其對于設(shè)計材料的耐熱性與紅硬性具有較高要求。當(dāng)然，在進(jìn)行刀具設(shè)計之初，也可以選擇通過涂抹硅化碳等化學(xué)涂層來增加刀具的性能。
3.3 快速切削刀具
相較于干式切削刀具而言，快速切削刀具的主要特點(diǎn)就在于高速切割與高穩(wěn)定性。在對金屬切料進(jìn)行加工制造的過程中，快速切削刀具通常磨損現(xiàn)象會明顯出現(xiàn)在刀尖位置。因此，對于快速切削刀具設(shè)計來講，緩解刀尖的磨損度從而增強(qiáng)刀具質(zhì)量并延長刀具的使用壽命是重點(diǎn)任務(wù)。一般來講，刀具所需的切削速度要求越高，就意味著它對于刀具材料的耐磨性以及紅硬性的要求也就越高。在現(xiàn)代金屬制造業(yè)的市場上來看，快速切削刀具一般都會選用硬度較高的金屬材料，單晶金剛石、聚晶金剛石（PCD）以及聚晶立方氮化硼（PCBN）等材料。基于綠色制造技術(shù)所提倡的低污染、低耗能的發(fā)展要求，PCD 以及 PCBN 等材料所制成的刀具在市場上最為廣受歡迎。以汽車制造市場為例，無論國內(nèi)外 PCNB 刀具都已經(jīng)成為新時代廣泛應(yīng)用于各大生產(chǎn)線上的綠色刀具。圖 1 為切削刀具所使用的原材料硬度、耐磨性與韌性數(shù)據(jù)參數(shù)圖。
圖 1 切削刀具原材料硬度、耐磨性與韌性數(shù)據(jù)圖
4、結(jié)語
毫無疑問，綠色制造技術(shù)在當(dāng)今以及未來都是工業(yè)加工制造業(yè)的核心引領(lǐng)。因而，在金屬切割制造的刀具選擇中運(yùn)用綠色制造技術(shù)勢在必行。而如果想要真正達(dá)到增強(qiáng)刀具質(zhì)量，延長刀具使用壽命的發(fā)展目的，必須始終堅持綠色發(fā)展理念，不斷引進(jìn)綠色制造技術(shù)。這對于金屬加工制造的發(fā)展以及我國生態(tài)文明的可持續(xù)建設(shè)都具有十分重要的作用。
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