綠色制造技術在金屬加工中刀具的選擇應用探究

聶洪軒

（哈爾濱產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新與育成中心 ，黑龍江 哈爾濱 150028）

綠色制造技術是以綠色理念為導向，運用綠色設計、綠色包裝、綠色工藝、綠色生產(chǎn)等技術，提高利用資源率，降低生產(chǎn)對環(huán)境的危害。隨著人們環(huán)保意識的覺醒，綠色制造技術的應用也越來越廣泛。尤其是政府已經(jīng)將其納入了國家發(fā)展規(guī)劃中。所以，應加大綠色制造技術在金屬加工中刀具的選擇應用探究，從而促進機械加工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 金屬加工中刀具的選擇原則

在選擇金屬加工刀具時，也應當切實考慮綠色制造技術的特點，遵循以下基本原則。

1.1 效率原則

在選擇刀具時，應在保證質(zhì)量情況下，追求刀具效率。畢竟，綠色制造技術強調(diào)要提高資源利用率。所以，在選擇刀具時，需選擇高效率的刀具，從而縮短產(chǎn)品加工周期。另外，據(jù)有關數(shù)據(jù)研究表明：刀具的制造成本比較低，最高只能占機械產(chǎn)品制造總成本的7%。但刀具剩余的93%的成本影響非常大。因為低效率的刀具不僅會延長加工周期，造成產(chǎn)品產(chǎn)量下降，而且還無法保證原材料的利用率，導致原材料成品大幅度增加。所以，在刀具選擇中，應遵循效率原則。

1.2 精度原則

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結構復雜越來越復雜，且精度標準越來越高。所以，在選擇金屬刀具時，還應遵循精度原則。但是還應當注意在粗加工中，應以效率原則為先。因為粗加工的主要目的就是切除毛坯的加工余量，使其更接近工件結構、尺寸。而在精加工中，則應以精度原則為先，使加工產(chǎn)品的表面粗糙度、尺寸精度等滿足設計要求。所以，即便是刀具的改進中，人們也應當重視刀具精度的改進，從而保證加工產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 穩(wěn)定性原則

影響刀具穩(wěn)定性的要素比較多。如涂層質(zhì)量、幾何參數(shù)設計、材料等。實際上，各種影響因素還會相互作用。一旦其中一個影響因素發(fā)生變化，其它影響因素也會隨之變化。所以，若要保證刀具質(zhì)量，減少崩刀現(xiàn)象的發(fā)生，就要合理控制其影響因素，從而保證刀具的穩(wěn)定性。只有這樣才能保證刀具的穩(wěn)定性，延長刀具的使用壽命，并減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1.4 經(jīng)濟性原則

在刀具選擇中，還應切實考慮刀具的成本。具體可依據(jù)用戶需求選擇刀具。若是存在性能相近，但價格不同的刀具，則應選擇價格較低的刀具。這樣既能降低刀具投入成品，也能保證機械加工質(zhì)量。另外，從刀具的制造全過程角度來說，還應當在材料選擇、設計、加工中，應用經(jīng)濟性原則，降低刀具成本投入。

2 金屬加工中刀具的選擇方法

2.1 刀具材料的選擇

在新型綠色材料出現(xiàn)之前，金屬加工刀具多是高碳工具鋼材料。其切削速度只能達到5m/min，而且加工效率低、能耗高。顯然，這并不符合綠色制造技術的要求。所以，在可持續(xù)發(fā)展背景下，應選擇綠色新刀具材料，從而提高刀具的使用性能。

結合金屬加工實際來看，刀具材料的硬度越硬越好、耐磨性越強越好。所以，在選擇綠色材料時，也應考慮這兩點。在高碳工具鋼材料之后，1868年，出現(xiàn)了合金工具鋼材料，其刀具切削速度能達到8m/min。1898年，出現(xiàn)了高速鋼材料，其刀具切速速度在16m/min以上。1923年，出現(xiàn)了硬質(zhì)合金，其刀具切削速度是高速鋼刀具的兩倍以上。現(xiàn)如今，隨著綠色材料的挖掘、應用，刀具材料也逐漸趨向綠色發(fā)展，且出現(xiàn)了各種綠色材料刀具。如下所示：第一，陶瓷刀具。陶瓷刀具具有摩擦力小、不積屑瘤、可高速切削等特點。尤其是刀具耐用度非常高。比如氮化硅陶瓷刀具材料，其主要成分就是氮、硅。相比于硬質(zhì)合金刀具來說，氮化硅陶瓷刀具的性能更好，而且還能有效節(jié)約各種金屬材料。目前氧化鋁基、氮化硅基等陶瓷刀具的應用最為廣泛。例如氧化鋁-碳化物系復合陶瓷刀具可用于合金結構鋼、高強度鋼、軸承鋼及各種鑄鐵的加工中；Al2O3/ SiCw晶須增韌陶瓷刀具可用于鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料的加工中。第二，超硬材料刀具。如單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金剛石等材料都屬于超硬材料。其中應用最為廣泛大超硬材料刀具是PCD、PCBN。這些超硬材料具有高效率加工、低污染、低能耗的特點，能有效推進金屬加工行業(yè)的綠色發(fā)展。比如PCBN超硬刀具，其硬度僅次于金剛石，且沖擊強度、抗破裂性非常好。

2.2 刀具結構的選擇

以往的金屬加工刀具多是采用整體式結構。一旦刀具出現(xiàn)損壞，就要更換整套刀具。而高速鋼、硬質(zhì)合金的價格比較高。這在無形中增加了刀具投入成，浪費了刀具材料。所以，在綠色可持續(xù)發(fā)展理念的背景下，還應充分結合綠色制造技術，合理選擇刀具結構。

現(xiàn)如今，焊接式、機夾式、可轉(zhuǎn)位式等刀具結構越來越普遍。其中焊接式刀具結構的優(yōu)點包括結構緊湊、使用靈活，多應用各種車刀的制造中；機夾式刀具結構的優(yōu)點包括刀桿利用率高、使用方便、缺陷少等，可應用于切斷、螺紋、鏜孔等車刀的制造中?？赊D(zhuǎn)位式刀具結構具有刀片可轉(zhuǎn)位、生產(chǎn)率高、斷屑穩(wěn)定等優(yōu)點，可用于自動線、數(shù)控機床的加工中。在刀具選擇中，可從綠色角度出發(fā)，選擇合適的刀具結構。

2.3 刀具的設計

應用綠色制造技術設計刀具，則應切實考慮刀具的安全、效率、成本、使用壽命等因素。同時，還應考慮刀具設計、制造、使用、回收等的綠色設計。

在金屬加工中，除卻要選擇合理的切割工具外，還應當合理選擇切割方式。目前，常見的綠色切削技術主要包括干式切削、高速切削兩種方式。但還應當注意的是不同的切割方式對刀具的性能要求不同。所以，在刀具設計中，還應依據(jù)切割方式的要求，準確把握刀具設計參數(shù)、要點。只有這樣才能保證刀具的強度、硬度、耐熱性。首先，在應用干式切削、高速切削兩種方式時，應注意以下要點：第一，這兩種切削技術會造成切削區(qū)域溫度的升高，增大刀具應切屑之間的摩擦阻力。所以，在刀具設計中應合理選擇涂層。如涂覆氧化鋁、碳化硅等涂層。第二，應合理選擇排屑、散熱問題的解決方法，優(yōu)化綠色切削技術。比如采用低溫切削方法，利用液態(tài)氮、液態(tài)二氧化碳等低溫流體降低切削區(qū)域的溫度。第三，應合理選擇幾何參數(shù)。就干式切削刀具來說，經(jīng)常會出現(xiàn)月牙洼磨損的問題。這主要就是因為干式切削刀具的前角比加大。但這會降低刀尖強度。所以，在實際設計中，應合理選擇前角、后角、傾角等參數(shù)，從而減少刀具與接觸面的接觸?；蛘撸部梢栽O置負倒棱。這樣能提高切削刃的承受能力。第四，在高速切削刀具設計中，應選擇合適的設計方法削弱刀尖的熱磨損，提高刀具的使用效率。對此，可將主、副切削刃的連接處設置成倒角、刀尖修圓的形狀。第五，為了在綠色切削技術中落實節(jié)能理念。在刀具設計中，還應注意選擇合適的切削液。良好的切削液不僅能減少摩擦熱量，而且還能有效控制熱變形。比如選擇可降解、低污染、性能佳的綠色切削液?？傊?，在刀具選擇中，還應重視刀具切割方式，并根據(jù)不同的切削方式選擇合適的加工參數(shù)及切削液。

綜上所述，若要將綠色制造技術充分應用在金屬加工刀具的選擇中，就應以綠色發(fā)展理念為導向，并遵循效率性、精度性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性原則，合理選擇綠色刀具材料、刀具結構。同時，還應科學設計刀具，保證綠色制造技術的有效落實。只有這樣才能切實提高刀具的使用性能、延長刀具的使用壽命，推動刀具的綠色發(fā)展。