绿色刀具的设计原则
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绿色制造是人类社会可持续发展战略的重要组成部分,其基本宗旨是:使产品从设计、制造、使用到报废处理的整个生命周期中资源利用率最高、废弃物最少、对环境的负面影响最小。切削加工在制造业中占有重要地位,它在为人类社会创造财富的同时,也在大量消耗有限的自然资源,并造成环境污染。作为切削加工不可缺少要素之一的切削刀具,在其制造和使用过程中同样存在资源利用和环境保护等问题。为此,人们提出了绿色刀具的概念,并将其应用于切削刀具的设计、制造与使用。

1 绿色刀具的基本特征

根据绿色制造“节约能源、利用资源、减少污染,有利于环境保护”的指导思想,绿色刀具应具备以下特征:
  1. 最大限度地节约能源:绿色刀具在其生命周期的各个阶段所消耗的能源应最少,使能源得到最有效的利用。
  2. 最大限度地利用材料资源:绿色刀具应尽可能减少材料的使用量和使用材料的种类(少用或不用稀有材料及有毒、有害材料),这就要求设计刀具时应在满足“切削”要求的前提下,尽量简化刀具结构,合理使用材料,并可最大限度地实现刀具材料的再利用。
  3. 最大限度地减少污染、保护环境:绿色刀具从开发设计、生产制造到使用维护乃至报废后回收处理的各个过程中均应对环境无负面影响或污染甚小。

2 绿色刀具生命周期设计体系

切削刀具的绿色设计与传统设计方法不同。绿色设计包括概念设计、技术设计、生产制造与工艺、使用与维护、报废后的回收、重用及处理全过程的“绿色化”,即对绿色刀具进行生命周期设计。绿色设计的重点是在设计过程中综合考虑刀具(产品)对工艺环境产生的负面影响,并将其控制在最小范围内或予以完全消除。为此,可建立如图1 所示的绿色刀具生命周期设计体系模型。

图1 绿色刀具生命周期设计体系
该体系模型由四个层次组成。第一层为目标层,以设计出“利用资源、节约能源、减少污染和保护环境”的绿色刀具为目标;第二层为内容层,包括绿色刀具的技术结构设计、绿色材料选择、资源能源利用和生态环境保护四部分;第三层为过程层,即实现绿色设计内容应考虑的开发设计、生产制造、使用维护和回收处理等主要阶段;第四层为因素层,即绿色设计过程中应考虑的主要因素,包括材料、能源、成本、效率、安全、加工质量、使用寿命、环境影响等。

3 绿色刀具的设计要点

  1. 绿色刀具技术设计的基本要求
    目前,绿色切削技术以干式切削和高速切削为主。对绿色刀具进行技术设计时,应满足以下基本要求:
    1. 为适应干式切削、高速切削对刀具切削性能的要求,绿色刀具材料应具有高强度、高硬度和良好的耐热性、耐冲击韧性等机械物理性能。现有的一些刀具材料如陶瓷、CBN、高性能硬质合金等均具有较好的耐热性、耐磨性等,可用于绿色刀具的制造。
    2. 干式切削、高速切削会显著提高切削区温度,增大刀具与切屑之间的摩擦阻力,容易产生积屑瘤,加剧刀具磨损。为改善刀具切削刃的耐高温、耐磨损性能,可对刀具表面进行适当的涂层处理(如涂覆TiN、TiC、Al2O3等涂层),以起到减小切削力和切削功率、减小刀具与切屑的摩擦阻力、阻隔切削热、减小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。
    3. 排屑和散热是干式切削、高速切削中需要解决的重要工艺课题。为提高加工质量、延长刀具寿命,应对绿色刀具的排屑槽结构进行优化设计,以保证排屑流畅、散热迅速。
  2. 绿色刀具几何参数的设计特点
    1. 干式切削刀具
      干式切削时,由于刀具与切屑接触部位温度过高,因此刀具的磨损机制通常以月牙洼磨损为主。一般情况下,干式切削刀具应具有较大的前角,但增大前角会降低刀尖强度,为此可设置合适的负倒棱,使切削刃对切削力和切削高温具有足够的承受能力,同时又可减轻切削冲击和因月牙洼扩展造成的不利影响,使切削刃在较长切削时间内保持足够强度。此外,适当加大刀尖前角、后角及刃倾角,可缩短刀具与加工表面的接触长度,有利于减轻后刀面磨损,延长刀具使用寿命。
    2. 高速切削刀具
      高速切削具有切削力小、散热迅速、加工过程稳定等优点。与普通切削刀具相比,高速切削刀具前角较小(约小10°)、后角较大(约大5° ~ 8°)。为防止刀尖处发生热磨损,可在主、副切削刃的连接处采取刀尖修圆或倒角的方法,通过加大刀尖角、增加刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积,提高刀具刚性和减小刀刃破损概率。此外,对于高速回转刀具(包括刀柄和刀具旋转总成)还应进行精密的动平衡校验,以保证加工质量和加工安全,延长刀具寿命,提高切削效率。
绿色切削技术的发展趋势表明,干式切削与高速切削的有机结合将获得生产效率高、加工质量好、环境污染小等多重效益。

4 结语

为实现绿色刀具生命周期设计的总体目标,应从刀具的概念设计起就以“绿色化”为主线贯串整个设计全过程,包括在生产制造过程中选用绿色材料、采用绿色制造技术与工艺,用户在使用中应用绿色切削技术,不产生环境污染或将污染减小到最低限度,在回收、处理报废淘汰刀具的过程中运用绿色处理技术,尽量减少废弃物且不产生二次污染,从而实现刀具整个生命周期的“绿色化”。
本文作者:常熟高等专科学校 林朝平
原载:《工具技术》2002年第12期
上载于:2008-3-18 15:06:20

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