绿色制造技术在金属加工中刀具的选择应用探究

聂洪轩

（哈尔滨产业技术创新与育成中心 ，黑龙江 哈尔滨 150028）

绿色制造技术是以绿色理念为导向，运用绿色设计、绿色包装、绿色工艺、绿色生产等技术，提高利用资源率，降低生产对环境的危害。随着人们环保意识的觉醒，绿色制造技术的应用也越来越广泛。尤其是政府已经将其纳入了国家发展规划中。所以，应加大绿色制造技术在金属加工中刀具的选择应用探究，从而促进机械加工行业的可持续发展。

1 金属加工中刀具的选择原则

在选择金属加工刀具时，也应当切实考虑绿色制造技术的特点，遵循以下基本原则。

1.1 效率原则

在选择刀具时，应在保证质量情况下，追求刀具效率。毕竟，绿色制造技术强调要提高资源利用率。所以，在选择刀具时，需选择高效率的刀具，从而缩短产品加工周期。另外，据有关数据研究表明：刀具的制造成本比较低，最高只能占机械产品制造总成本的7%。但刀具剩余的93%的成本影响非常大。因为低效率的刀具不仅会延长加工周期，造成产品产量下降，而且还无法保证原材料的利用率，导致原材料成品大幅度增加。所以，在刀具选择中，应遵循效率原则。

1.2 精度原则

随着我国社会经济的发展，机械产品的结构复杂越来越复杂，且精度标准越来越高。所以，在选择金属刀具时，还应遵循精度原则。但是还应当注意在粗加工中，应以效率原则为先。因为粗加工的主要目的就是切除毛坯的加工余量，使其更接近工件结构、尺寸。而在精加工中，则应以精度原则为先，使加工产品的表面粗糙度、尺寸精度等满足设计要求。所以，即便是刀具的改进中，人们也应当重视刀具精度的改进，从而保证加工产品质量。

1.3 稳定性原则

影响刀具稳定性的要素比较多。如涂层质量、几何参数设计、材料等。实际上，各种影响因素还会相互作用。一旦其中一个影响因素发生变化，其它影响因素也会随之变化。所以，若要保证刀具质量，减少崩刀现象的发生，就要合理控制其影响因素，从而保证刀具的稳定性。只有这样才能保证刀具的稳定性，延长刀具的使用寿命，并减少生产事故的发生。

1.4 经济性原则

在刀具选择中，还应切实考虑刀具的成本。具体可依据用户需求选择刀具。若是存在性能相近，但价格不同的刀具，则应选择价格较低的刀具。这样既能降低刀具投入成品，也能保证机械加工质量。另外，从刀具的制造全过程角度来说，还应当在材料选择、设计、加工中，应用经济性原则，降低刀具成本投入。

2 金属加工中刀具的选择方法

2.1 刀具材料的选择

在新型绿色材料出现之前，金属加工刀具多是高碳工具钢材料。其切削速度只能达到5m/min，而且加工效率低、能耗高。显然，这并不符合绿色制造技术的要求。所以，在可持续发展背景下，应选择绿色新刀具材料，从而提高刀具的使用性能。

结合金属加工实际来看，刀具材料的硬度越硬越好、耐磨性越强越好。所以，在选择绿色材料时，也应考虑这两点。在高碳工具钢材料之后，1868年，出现了合金工具钢材料，其刀具切削速度能达到8m/min。1898年，出现了高速钢材料，其刀具切速速度在16m/min以上。1923年，出现了硬质合金，其刀具切削速度是高速钢刀具的两倍以上。现如今，随着绿色材料的挖掘、应用，刀具材料也逐渐趋向绿色发展，且出现了各种绿色材料刀具。如下所示：第一，陶瓷刀具。陶瓷刀具具有摩擦力小、不积屑瘤、可高速切削等特点。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。相比于硬质合金刀具来说，氮化硅陶瓷刀具的性能更好，而且还能有效节约各种金属材料。目前氧化铝基、氮化硅基等陶瓷刀具的应用最为广泛。例如氧化铝-碳化物系复合陶瓷刀具可用于合金结构钢、高强度钢、轴承钢及各种铸铁的加工中；Al2O3/ SiCw晶须增韧陶瓷刀具可用于镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工中。第二，超硬材料刀具。如单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等材料都属于超硬材料。其中应用最为广泛大超硬材料刀具是PCD、PCBN。这些超硬材料具有高效率加工、低污染、低能耗的特点，能有效推进金属加工行业的绿色发展。比如PCBN超硬刀具，其硬度仅次于金刚石，且冲击强度、抗破裂性非常好。

2.2 刀具结构的选择

以往的金属加工刀具多是采用整体式结构。一旦刀具出现损坏，就要更换整套刀具。而高速钢、硬质合金的价格比较高。这在无形中增加了刀具投入成，浪费了刀具材料。所以，在绿色可持续发展理念的背景下，还应充分结合绿色制造技术，合理选择刀具结构。

现如今，焊接式、机夹式、可转位式等刀具结构越来越普遍。其中焊接式刀具结构的优点包括结构紧凑、使用灵活，多应用各种车刀的制造中；机夹式刀具结构的优点包括刀杆利用率高、使用方便、缺陷少等，可应用于切断、螺纹、镗孔等车刀的制造中。可转位式刀具结构具有刀片可转位、生产率高、断屑稳定等优点，可用于自动线、数控机床的加工中。在刀具选择中，可从绿色角度出发，选择合适的刀具结构。

2.3 刀具的设计

应用绿色制造技术设计刀具，则应切实考虑刀具的安全、效率、成本、使用寿命等因素。同时，还应考虑刀具设计、制造、使用、回收等的绿色设计。

在金属加工中，除却要选择合理的切割工具外，还应当合理选择切割方式。目前，常见的绿色切削技术主要包括干式切削、高速切削两种方式。但还应当注意的是不同的切割方式对刀具的性能要求不同。所以，在刀具设计中，还应依据切割方式的要求，准确把握刀具设计参数、要点。只有这样才能保证刀具的强度、硬度、耐热性。首先，在应用干式切削、高速切削两种方式时，应注意以下要点：第一，这两种切削技术会造成切削区域温度的升高，增大刀具应切屑之间的摩擦阻力。所以，在刀具设计中应合理选择涂层。如涂覆氧化铝、碳化硅等涂层。第二，应合理选择排屑、散热问题的解决方法，优化绿色切削技术。比如采用低温切削方法，利用液态氮、液态二氧化碳等低温流体降低切削区域的温度。第三，应合理选择几何参数。就干式切削刀具来说，经常会出现月牙洼磨损的问题。这主要就是因为干式切削刀具的前角比加大。但这会降低刀尖强度。所以，在实际设计中，应合理选择前角、后角、倾角等参数，从而减少刀具与接触面的接触。或者，也可以设置负倒棱。这样能提高切削刃的承受能力。第四，在高速切削刀具设计中，应选择合适的设计方法削弱刀尖的热磨损，提高刀具的使用效率。对此，可将主、副切削刃的连接处设置成倒角、刀尖修圆的形状。第五，为了在绿色切削技术中落实节能理念。在刀具设计中，还应注意选择合适的切削液。良好的切削液不仅能减少摩擦热量，而且还能有效控制热变形。比如选择可降解、低污染、性能佳的绿色切削液。总之，在刀具选择中，还应重视刀具切割方式，并根据不同的切削方式选择合适的加工参数及切削液。

综上所述，若要将绿色制造技术充分应用在金属加工刀具的选择中，就应以绿色发展理念为导向，并遵循效率性、精度性、稳定性、经济性原则，合理选择绿色刀具材料、刀具结构。同时，还应科学设计刀具，保证绿色制造技术的有效落实。只有这样才能切实提高刀具的使用性能、延长刀具的使用寿命，推动刀具的绿色发展。