綠色刀具的設計原則

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綠色刀具的設計原則簡介
    綠色製造是人類社會可持續發展戰略的重要組成部分,其基本宗旨是:使產品從設計、製造、使用到報廢處理的整個生命周期中資源利用率最高、廢棄物最少、……
綠色刀具的設計原則正文
綠色製造是人類社會可持續發展戰略的重要組成部分,其基本宗旨是:使產品從設計、製造、使用到報廢處理的整個生命周期中資源利用率最高、廢棄物最少、對環境的負面影響最小。切削加工在製造業中佔有重要地位,它在為人類社會創造財富的同時.也在大量消耗有限的自然資源,並造成環境污染。作為切削加工不可缺少要素之一的切削刀具,在其製造和使用過程中同樣存在資源利用和環境保護等問題。為此,人們提出了綠色刀具的概念,並將其應用於切削刀具的設計、製造與使用。

1.綠色刀具的基本特徵
    根據綠色製造“節約能源、利用資源、減少污染,有利於環境保護”的指導思想,綠色刀具應具備以下特徵:
    (1)最大限度地節約能源:綠色刀具在其生命周期的各個階段所消耗的能源應最少,使能源得到最有效的利用。
    (2)最大限度地利用材料資源:綠色刀具應儘可能減少材料的使用量和使用材料的種類(少用或不用稀有材料及有毒、有害材料),這就要求設計刀具時應在滿足“切削”要求的前提下,盡量簡化刀具結構,合理使用材料,並可最大限度地實現刀具材料的再利用。
    (3)最大限度地減少污染、保護環境:綠色刀具從開發設計、生產製造到使用維護乃至報廢后回收處理的各個過程中均應對環境無負面影響或污染甚小。
2.綠色刀具生命周期設計體系
    切削刀具的綠色設計與傳統設計方法不同。綠色設計包括概念設計、技術設計、生產製造與工藝、使用與維護、報廢后的回收、重用及處理全過程的“綠色化”,即對綠色刀具進行生命周期設計。綠色設計的重點是在設計過程中綜合考慮刀具(產品)對工藝環境產生的負面影響,並將其控制在最小範圍內或予以完全消除。為此,可建立綠色刀具生命周期設計體系模型。該體系模型由四個層次組成。第一層為目標層,以設計出“利用資源、節約能源、減少污染和保護環境”的綠色刀具為目標;第二層為內容層,包括綠色刀具的技術結構設計、綠色材料選擇、資源能源利用和生態環境保護四部分;第三層為過程層,即實現綠色設計內容應考慮的開發設計、生產製造、使用維護和回收處理等主要階段;第四層為因素層,即綠色設計過程中應考慮的主要因素,包括材料、能源、成本、效率、安全、加工質量、使用壽命、環境影響等。
3.綠色刀具的設計要點
3.1 綠色刀具技術設計的基本要求
    目前,綠色切削技術以乾式切削和高速切削為主。對綠色刀具進行技術設計時,應滿足以下基本要求:
    (1)為適應乾式切削、高速切削對刀具切削性能的要求,綠色刀具材料應具有高強度、高硬度和良好的耐熱性、耐衝擊韌性等機械物理性能。現有的一些刀具材料如陶瓷、CBN、高性能硬質合金等均具有較好的耐熱性、耐磨性等,可用於綠色刀具的製造。
    (2)乾式切削、高速切削會顯著提高切削區溫度,增大刀具與切屑之間的摩擦阻力,容易產生積屑瘤,加劇刀具磨損。為改善刀具切削刃的耐高溫、耐磨損性能,可對刀具表面進行適當的塗層處理(如塗覆TiN、TiC、Al203等塗層),以起到減小切削力和切削功率、減小刀具與切屑的摩擦阻力、阻隔切削熱、減小刀具磨損、延長刀具壽命的作用。
    (3)排屑和散熱是乾式切削、高速切削中需要解決的重要工藝課題。為提高加工質量、延長刀具壽命,應對綠色刀具的排屑槽結構進行優化設計,以保證排屑流暢、散熱迅速。
3.2 綠色刀具幾何參數的設計特點
    (1)乾式切削刀具
    乾式切削時,由於刀具與切屑接觸部位溫度過高,因此刀具的磨損機制通常以月牙窪磨損為主。一般情況下,乾式切削刀具應具有較大的前角,但增大前角會降低刀尖強度,為此可設置合適的負倒棱,使切削刃對切削力和切削高溫具有足夠的承受能力,同時又可減輕切削衝擊和因月牙窪擴展造成的不利影響,使切削刃在較長切削時間內保持足夠強度。此外,適當加大刀尖前角、后角及刃傾角,可縮短刀具與加工表面的接觸長度,有利於減輕后刀面磨損,延長刀具使用壽命。
    (2)高速切削刀具
    高速切削具有切削力小、散熱迅速、加工過程穩定等優點。與普通切削刀具相比,高速切削刀具前角較小(約小10°)、后角較大(約大5°~8°)。為防止刀尖處發生熱磨損,可在主、副切削刃的連接處採取刀尖修圓或倒角的方法,通過加大刀尖角、增加刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積,提高刀具剛性和減小刀刃破損概率。此外,對於高速迴轉刀具(包括刀柄和刀具旋轉總成)還應進行精密的動平衡校驗,以保證加工質量和加工安全,延長刀具壽命,提高切削效率。
    綠色切削技術的發展趨勢表明,乾式切削與高速切削的有機結合將獲得生產效率高、加工質量好、環境污染小等多重效益。
4.結語
    為實現綠色刀具生命周期設計的總體目標,應從刀具的概念設計起就以“綠色化”為主線貫串整個設計全過程,包括在生產製造過程中選用綠色材料、採用綠色製造技術與工藝,用戶在使用中應用綠色切削技術,不產生環境污染或將污染減小到最低限度,在回收、處理報廢淘汰刀具的過程中運用綠色處理技術,盡量減少廢棄物且不產生二次污染,從而實現刀具整個生命周期的“綠色化”。 作者:常熟高等專科學校 林朝

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