绿色制造论文

重庆大学研究生绿色制造现状及发展趋势论文

学生：xx

学号：xxxxx

上课教师：xx

专业：xxxx

类别：xxxxx

xxxxxxx学院

高速干切

绿色制造被认为是可持续发展的现代制造业模式，为使金属加工尽可能达到绿色制造的要求，可减少环境污染、节省资源和能源的高速干切技术也愈来愈备受关注。高速干切加工是指在高速机械加工中，为保护环境、降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液。高速干切削技术是在高速加工和干切削技术的基础上发展起来的一项先进制造技术，是绿色制造在金属切削领域的具体实施。高速干切削加工所要求的刀具、机床和辅助工艺具有一定的特殊性，是影响高速干切削技术能否得到广泛应用的三个重要方面。

1.高速干切的原理及特点

1.1原理

高速干切是使用高速切削的加工方法，在切削过程中不使用切削液或者使用微量切削液，加工出的弓箭和形成的切削是干燥的、高净度、高效率的先进加工技术。它是相对于采用切削液的传统湿式加工而言，是环境污染源头控制的清洁制造工艺。它具备高速切削的特点，加工原理也类似，其加工速度5-10倍于常规的切削速度。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。干式切削目前应用也较为成功。

1.2加工特点

由于不适用切削液，因而干切削可以完全消除切削液加工带来的一系列负面效应，具备以下优点：

（1）形成的切削干净、清洁、无污染，易于回收和处理；

（2）省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置及费用，简化了生产系统，节约了生产成本；

（3）省去了与切削液处理优点的费用；

（4）不去然环境，也不会发生于切削液有关的安全及质量事故。

（5）随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积)增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。

（6）在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30％以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。

（7）从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的

工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

但是，在干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，也具备以下缺点：

（1）由于缺少切削液的润滑作用，干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。

（2）由于缺少切削液的冷却作用，干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。

（3）会由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，刀具和工件发生热变形，表面质量降低。

（4）无润滑作用，会使刀具分屑困难，切屑堵塞容屑槽，还可能损坏已加工的工件表面。

（5）对于机床本身，如不及时将热量从机床的主体结构中排出，由于不能保持热平衡，机床的床身、立柱等构件也会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形，影响加工精度和降低工件表面质量

（6）切屑如不及时排除，残留切屑可能导致夹紧误差、损坏机床导轨等等。

以上的优点正好弥补干式切削的不足，二者结合形成高速干式切削加工，在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。这也是目前比较成功的干式切削方法。

因此，干式切削工艺的成败，不是简单地停止使用切削液，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法，在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品品质和高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性。这些需要用性能优良的干式切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用。

2. 高速干切削的刀具技术

高速干切削的刀具要承受比湿切削更高的温度，刀具与切屑和刀具与工件接触面上的摩擦系数也要尽可能的小，而且还要求刀具有利于断屑、排屑和散热，这就需要从刀具材料、刀具涂层以及刀具结构的优化等几个方面来解决。

2.1刀具材料

刀具材料的迅速发展是高速干切削得以实施的工艺基础。高速干切削时要求

刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，必须具有良好的耐热性，极高的红硬性和热韧性。目前适用于干式加工的刀具材料有超细高的切削温度，具有较高的强度和冲击韧度，适用于制作干切削的钻头和铣刀。PCD(聚晶金刚石)和CVD 金刚石涂层刀片有很高的硬度和热导率，适合高速干切削有色金属(如铜合金，铝合金)以及钦合金和耐磨的高性能复合材料，但不能加工黑色金属。CBN(立方氮化硼)的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有优良的红硬性、化学稳定性和低摩擦系数，是高速干切削HRC50以上淬硬钢和冷硬铸铁等黑色金属的理想刀具材料。

金属陶瓷的硬度和冲击性好，热硬性差，故多用于精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高、化学稳定性和抗粘结性好、摩擦系数低等优点，是相对廉价的干切削刀具材料，但其强度、韧性和抗冲击性能差，适用于灰铸铁和钢的高速干切削。

2.2刀具结构的优化

干切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨损，所以一般都采用较大的前角以减少切屑与前刀面的接触面积。为弥补大前角对刃口强度的削弱，常配以加强刃甚至前刀面上带有加强筋。较大的正前角、锋利而强有力的切削刃有利于断屑。总之，干切削刀具的结构设计必须考虑断屑和排屑的问题。对韧性材料的加工来说，断屑非常关键，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。

此外，为了加速刀具的冷却以降低切削温度，也可采用热管式刀具或液氮冷却刀具。用液氮冷却刀具的方法，在车刀的前刀面倒装了一个金属帽状物，其内腔与刀片的表面共同组成一个封闭的空间。帽状物上有液氮的人口和出口。在干切削过程中，液氮在封闭的空间内不断地流动，吸收刀片上的切削热，使刀具不产生过高的温升，始终保持良好的切削性能，顺利实现干切削。

2.3刀具涂层

采用高速干切削，若仅仅使用目前已有的热稳定性好的刀具材料和优化刀具几何形状，仍不能达到很好的效果。因此，采用在刀面上涂覆隔热性好的硬涂层和具有固体润滑性能的软涂层，使刀具能承受更高的切削温度。涂层的作用一是提供了低摩擦层，减少了刀具与工件表面之间的摩擦和粘结，相当于切削液的润滑作用;二是在刀具和切削之间起到隔热作用，阻止切削热向刀具传播，相当于切削液的冷却作用。

涂层材料可分为软涂层和硬涂层（图1）。基于MoS2和WC/C的软涂层主要用于对涂层的滑动性能要求非常高的场合。硬涂层主要有TiN、TiCN、TiALN 等，TiALN具有很好的耐热性和耐高温性，硬度高达HV3500，工作温度高达