绿色制造技术在金属加工中刀具的选择应用
2022-6-14 来源： 山东理工大学机械工程学院 作者：亓军
摘要：人们对于可持续发展环保观念的重视，使得绿色制造技术也逐渐映入大众视野，以其节约环境与经济成本、促进生态文明建设的突出优势，成为关注的焦点内容之一。在追求健康环保的生活方式的同时，人们对于制作工艺尤其是绿色制造技术提出了更高层次的要求。本文从绿色制造的概念内涵出发，对金属加工中刀具的选择原则、建议以及绿色刀具的设计要求进行了简要介绍，以期可以为相关的理论与技术工作者提供基本的借鉴与参考。
关键词：绿色制造技术；金属加工；刀具选择
0 引言
自然资源与人类之间的矛盾，随着自然科学的发展以及人类的工业生产活动愈演愈烈，如何科学有效地利用有限的自然资源，去获得最大的经济利益是当代社会制造业的重点议题。绿色制造技术的最大特征就在于符合当今时代发展潮流，迎合了可持续发展理念的发展要求。恰如其名，绿色制造技术以绿色理念为核心。因而，在进行金属资源的加工过程中，绿色制造技术能够在保障产品质量的基础之上最大程度的节约资源，真正实现了将经济效益进行最大化，进而广泛应用于现代制造业。与此同时，在进行金属加工的具体环节中，如何选择加工刀具进行设计制造是尤为重要的。刀具选择的适当与否直接关系到金属加工制造的质量与效率，因而，本文将对金属加工中刀具的选择
进行简要介绍。
1、绿色制造的概念内涵
顾名思义，绿色制造的概念正是在追求绿色环保生态理念的社会环境背景下，在工业生产制造领域提出的一种用于指导生产制造的理论概念。具体来讲，绿色制造理念就是将资源效益与环境保护进行有效结合从而在工业产品的设计、制造、包装运输、使用以及后续处理等各项环节提供最佳选择，以达到节约资源、减少人工工业环境污染以及保护人类身心健康的目的。总而言之，绿色制造就是旨在降低工业制造对于生态环境以及人类自身的危害，同时可以对有限生态资源进行合理科学利用从而实现经济效益最大化的一套现代工业制造模式。
2、金属加工中刀具的选择原则
在绿色制造的金属加工中，刀具的选择具有十分重要的影响作用。因而，笔者将对金属加工的刀具选择的具体原则进行简要介绍。
2.1 效率原则
所谓事半功倍，现代社会工业发展迅速，其一主要特征就是追求高效原则。对于金属的切割制造来讲，选择刀具的重要原则标准同样在于遵循效率原则。在保障刀具的基本质量如稳定性以及刀具精密度的前提之下，刀具的效率原则是决定金属加工制造资源利用率的重要影响因素。在整个工艺制造加工的过程中，刀具制造本身所占成本其实并不大，但其后续影响是十分明显的。具体来讲，刀具的使用效率与金属加工的经济效益和绿色制造技术所节约的资源成本直接相关。如果切割刀具的使用效率较低，其直接后果就是延长金属加工制造的周期。此外，还会降低自然资源的使用率，导致金属原材料的大量浪费，甚至造成环境污染。因此，在金属切割加工中，刀具的选择必须考虑效率原则。
2.2 精度原则
随着近年来我国科技水平的不断发展，工艺制造产品越发向着精细化与复杂化的方向发展。进而，在对金属进行切割加工制造的时候，刀具的精度就成为一项重要原则。就金属加工可具体细化分为粗加工与精加工两种，在粗加工中，最为重要的在于效率原则，目的在于迅速打造工艺产品的大致造型。而在精加工环节，则必须对工艺产品进行细致打磨，即以精度原则为主。就具体金属加工过程来看，专业工作人员必须依照产品设计的深度以及精细度要求来选择适合的刀具。如相较于 C 型刀片来讲，W 型刀具在锋利度以及精细度上都具有明显的优越性。总而言之，在进行金属切割加工的过程中，应该根据不同的设计要求分析，选择精细度不同的刀具。只有这样，才能够科学合理地对金属工艺进行加工打磨，满足不同客户的使用需要。
2.3 稳定性原则
对于金属切割加工制造来讲，其本身是一项潜在危险性较大的工作。尤其，涉及到对于刀具的使用时这一危险性就更为突出。即使是拥有成熟切割技术的工作人员也无法保证百分之百的安全性。因而，在进行金属加工制造时，刀具的稳定性原则十分重要，这是相关工作人员人身安全的基本保障。具体来讲，刀具的稳定性原则表现在诸多方面，无论是原材料的材质、刀片安装的槽型以及安装夹的松紧度都会影响到刀具自身的稳定性。如果不慎刀具稳定性能较差，或者在使用过程中因为某一方面的影响而导致刀具损坏，对于工作人员的安全性造成威胁自不必再加以赘述，还会导致不必要的资源浪费与成本增加。
2.4 经济性原则
归根结底，无论是金属制造行业本身的盈利性特征还是不同客户的购买需求，经济性原则都是必须纳入金属结构制造的考量范围之内。首先，对于刀具选择中的效率原则、精度原则以及稳定性原则，都有在一定程度上考虑了经济性原则。绿色制造技术本身就是在绿色环保的基础之上追求经济利益的最大化。其次，在对金属加工的过程中，如果对于刀具的精度要求也就是对于金属的切割深度要求并不十分严格，应将成本纳入考量范围内以满足不同客户的购买需求。
3、绿色刀具的设计要求
在将绿色制造技术运用至金属切割制造的过程中，刀具选择除了要考虑上述原则外，还应该对刀具的使用寿命、回收利用以及处理等绿色设计进行考量。
3.1 满足切割需要
在金属加工制造中，刀具选择的固然重要，但选择科学的切削方式同样必不可少。目前来讲，我国金属加工制造业主要的刀具切削方式可分为干式切削与快速切削两种。因为切削方式不同，相应的在对刀具进行设计之初所侧重的诸如硬度、强度以及耐热性等性能要求也会不同。对于绿色刀具的设计来讲，由于它在实际应用中会加大金属与刀具之间的摩擦力，使得金属周边的温度更高。因而，其硬度、热度以及耐热性相较于一般的刀具设计性能来讲要更强。总而言之，绿色刀具设计的质量较于一般刀具质量更佳。因此，在对绿色刀具进行设计的时候必须准确了解刀具的切割需要。根据不同切割方式的参数进行调整，从而满足刀具的性能设计，提供金属加工制造的工作效
率。比如现代绿色制造技术所打造的陶瓷刀具。相较于其他刀具而言，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优越性。以氮化硅陶瓷刀具为例，在该刀具的设计制造之初，为了满足高速切割以及更加耐用的设计需求，便采用了氮、硅等化学原材料。既可以有效节约自然资源，又可以最大限度的满足设计需求。就现代机械制造市场来看，陶瓷刀具的应用称得上是最为广泛的绿色刀具，在对于合金结构钢以及高硬度钢的加工制造中都可以看到其身影。
3.2 干式切削刀具
就物理原理来讲，干式切削刀具主要是凭借刀刃自身与金属切割物之间剧烈的摩擦所导致的高温而进行切割完成作业的。因而在通常情况下干式切削刀具中会有较为明显的月牙洼磨损现象。这主要是因为干式切削刀具的前角较大，刀尖部分的强度降低。因此对于干式切削刀具而言，其前后脚以及倾斜度的参数都有严格的要求。稍有不慎，就会导致刀具磨损严重，切割速度下降甚至直接导致刀具报废。与此同时，由于干式切削刀具的主要作业原理在于高温摩擦，所以其对于设计材料的耐热性与红硬性具有较高要求。当然，在进行刀具设计之初，也可以选择通过涂抹硅化碳等化学涂层来增加刀具的性能。
3.3 快速切削刀具
相较于干式切削刀具而言，快速切削刀具的主要特点就在于高速切割与高稳定性。在对金属切料进行加工制造的过程中，快速切削刀具通常磨损现象会明显出现在刀尖位置。因此，对于快速切削刀具设计来讲，缓解刀尖的磨损度从而增强刀具质量并延长刀具的使用寿命是重点任务。一般来讲，刀具所需的切削速度要求越高，就意味着它对于刀具材料的耐磨性以及红硬性的要求也就越高。在现代金属制造业的市场上来看，快速切削刀具一般都会选用硬度较高的金属材料，单晶金刚石、聚晶金刚石（PCD）以及聚晶立方氮化硼（PCBN）等材料。基于绿色制造技术所提倡的低污染、低耗能的发展要求，PCD 以及 PCBN 等材料所制成的刀具在市场上最为广受欢迎。以汽车制造市场为例，无论国内外 PCNB 刀具都已经成为新时代广泛应用于各大生产线上的绿色刀具。图 1 为切削刀具所使用的原材料硬度、耐磨性与韧性数据参数图。
图 1 切削刀具原材料硬度、耐磨性与韧性数据图
4、结语
毫无疑问，绿色制造技术在当今以及未来都是工业加工制造业的核心引领。因而，在金属切割制造的刀具选择中运用绿色制造技术势在必行。而如果想要真正达到增强刀具质量，延长刀具使用寿命的发展目的，必须始终坚持绿色发展理念，不断引进绿色制造技术。这对于金属加工制造的发展以及我国生态文明的可持续建设都具有十分重要的作用。
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