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数控技术之绿色制造一、绿色制造简介在全球经济高速发展的同时, 人类对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺和环境污染等一系列问题。
制造业是创造人类财富的支柱产业, 为人类社会的发展起到了很大促进作用, 但是又是环境污染的主要源头。
为缓解这些问题带来的危害, 必须坚持科学发展观, 实施可持续发展战略, 各国专家普遍认同, 绿色制造是解决机械制造业环境污染问题的根本方法之一, 是控制环境污染源头的主要途径。
绿色制造又称为面向环境制造( MFE) 、环境意识制造( ECM) 等, 其基本观点是协调解决环境和资源两大社会问题,目的是充分利用资源, 减少废弃物的产生, 减少机械制造业对环境的负面影响。
绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式, 产品从材料的获取、设计、制造、包装、运输、销售、使用和废弃回收, 最后回到土壤中的整个生命循环过程, 使制造业对环境负面影响最小, 资源利用率最高, 产生的废弃物最少, 使企业经济效益和社会效益协调发展。
绿色制造内涵很广, 传统意义上的制造是产品的制造过程, 主要表现为机械加工过程, 即通常称为“小制造”。
绿色制造是一种现代制造模式, 涉及制造工业中的产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和报废处理等一系列相关活动, 因此绿色制造是“大制造”的概念。
绿色制造是人类可持续发展战略在制造业的体现, 它考虑环境和资源既要满足经济发展的需要, 又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要, 从而形成了一种综合性的发展战略, 具有重大的社会效益。
绿色制造将是21 世纪企业取得显著经济效益的机遇实施绿色制造, 最大限度的提高资源利用率, 减少资源消耗, 可直接降低消耗, 从而直接降低成本; 实施绿色制造减少或消除环境污染, 可减少或避免因环境问题引起的处罚; 由于绿色制造是从源头控制了污染, 实行预防为主, 将污染物消除在生产过程之初, 降低了企业环境污染处理费用。
高速切削及其关键技术摘要自20世纪30年代德国 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年代初,高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初,高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用,正成为切削加工的主流技术。
根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5－10倍的切削加工。
因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同,高速切削的切削速度范围也不同.高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削.目前，加工铝合金已达到2000－7500m/min；钛合金达150－1000m/min;纤维增强塑料为2000－9000m/min。
高速切削是一项系统技术,企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床,选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。
高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术,必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合,充分发挥高速切削技术的优势。
高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。
高速切削较之常规切削是一种创新的加工工艺和加工理念。
本文分析了高速切削技术的特点,研究了高速切削的关键技术:机床技术、刀具技术和工艺技术,介绍了高速切削技术在航空航天和汽车制造等领域的发展及应用.关键词：高速切削 ;机床；刀具 ;切削工艺一.引言机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。
在机械加工技术中,切削加工是应用最广泛的加工方法。
近年来，高速切削技术蓬勃发展,已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。
在数控机床出现以前,用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的70％；以数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用,大大降低了工件加工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。
高速干切削加工技术
[摘要]机械加工业对环境造成的污染日益严重，通过高速干切削技术在机械加工中的应用用来达到节约资源、保护环境的目的。
[关键词]机械加工切削液高速干切削加工技术
金属材料在切削加工过程中，切削液的使用是必不可少的，其主要作用是：冷却润滑作用，它能吸收并带走切削区大量的热量，改善散热条件，降低刀具和工件的温度。
同时切削液能渗透到工件与刀具之间，在切屑与刀具的微小间隙中形成一层很薄的吸附膜，减小了摩擦系数，因此可减小刀具、切屑、工件间的摩擦；清洗和防锈作用，切削过程中产生的细小的切屑粘附在工件和刀具上，若使用一定压力的切削液，则可将切屑迅速冲走。
在切削液中加入防锈添加剂，能在金属表面形成保护膜，使机床、刀具和工件不受周围介质的腐蚀，起到防锈作用。
切削液在机械加工中扮演着重要的角色，但随着切削液低用量的增加，其负面影响也越来越显著：①增加了制造成本，这不仅包括切削液用量增加带来的成本增加，还包括运输、储存、废液处理等间接成本增加；②污染环境；③损害工人健康。
为了降低生产成本，减少环境污染，最好的办法是不使用切削液，即采用干切削(Dry cutting)
干切削并非只要简单的取消冷却润滑液就可以实现的。
由于在切削过程中缺少了冷却润滑液的润滑、冷却和冲屑作用，在高速干式切削加工中，相应地会出现以下问题：
(1)由于缺少切削液的润滑作用，高速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，高速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。
如不及时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工精度和降低工件表面质量。
(3)在高速干式切削加工某些材料(如石墨电极等)时，会产生大量粉尘．如不能及时清除，会严重损害操作工人的身体健康，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等机床关键部件，加大机床的磨损，影响机床的加工精度和稳定性。
(4)由于高速干式切削加工与高速湿式切削加工的切削过程有所不同，为使机床能够稳定地完成切削过程，需要对原来高速湿式切削加工选用的切削参数作
相应修改和调整，才能应用于高速干式切削加工。
为了解决以上问题，使高速于式切削加工在规定时间内达到与高速湿式切削加工相当(甚至更高)的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括机床、刀具、工件以及切削参数在内的整个工艺系统进行全面的考虑权衡，并采取相应的工艺措施，以弥补高速干式切削加工的不足。
1、刀具
(1)刀具材料、涂层：由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度f如用硬质合金钻头在调质钢CK45上以Vc=80m／min和f=0．2mm／min进行干切削时，在接触区会达到380℃-4℃的高温。
又如干铣钢件时温度通常会超过600℃，所以对用于干切削的刀具干切削刀具材料必须具有极高的红硬性和热韧性、良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。
目前，用于干切削的主要有钛基硬质合金(Cer-mets)、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均可较好满足干切削的要求。
某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应。
其中PCBN是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料；而氮化硅(Si3N4)特别适合于在断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行干切削：Cermets在硬度上是介于陶瓷刀具和硬质合金之间的刀具材料，它是高速干切削钢件的合适材料。
(2)优化刀具几何参数与结构[1]：①减少加工刀具与工件表面之间的接触面积。
如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。
改进后效果明显，钻孔能力可提高数倍。
如美国Car-boloy公司把刀片制成超大正前角(+34°)加强刃，前刀面呈多条弧形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降低．采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高3-4倍。
②考虑刀具表面的最大润滑性，防止产生积屑瘤。
③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，达到降低切削温度的目的。
这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最佳使用寿命。
④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关键的作用。
可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。
在封闭空间进行高速干式切削(如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等)时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。
例如，德国WZL的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时(孔深30mm，孔径11．8mm，进给速度vc=80m／min，每次进给量f=0．2mm)，标准钻头只能钻削约400个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显。
(3)采用低温冷却系统[2]：如美国开发成功一种加工反应烧结氮化硅(RBSN)的车刀液氮冷却系统，液氮在刀具前刀面上的帽状液室循环流动，冷却刀具前刀面。
目前已将液氮或压缩氮气直接引至切削区，既降低切削温度又可防止刀具在高温下氧化。
2、机床
开发性能优良的高速机床，是实现高速干切削的前提条件和关键因素。
设计高速干切削机床时要考虑的特殊问题主要有：设计和制造高速度、大功率的主轴单元、进给单元和辅助装置；切削热的散发；切屑和灰尘的排出等。
在这类机床的加工区为能顺利排屑，床身呈V型，角度大于55°，在加工区不应有妨碍排屑的凸起的紧固螺栓。
为进一步避免切屑的温度影响到机床的热变形，机床床身的盖板还可采用双层壁结构来进行隔热。
对于采用直线电机驱动的高速加工中心，还需要安置冷却系统，以提高机床的热稳定性。
由于取消了冷却润滑液的冲洗作用，特别在加工铸铁和轻金属时会产生大量的粉尘和细切屑，为防止这些磨粒的沾污，在加工区除需要采取密封和屏蔽设施外，还设置了抽吸装置，以有效地吸走粉尘和多余的微量润滑油油雾。
干加工机床往往安装有微量润滑系统，这在加工铝合金和镁时，以便能防止积屑瘤和提高工艺过程的可靠性。
3、工艺技术
对机械加工而言，要实现干切削，工件材料在很大程度上起着决定性的作用。
超硬合金最难进行干切削，钢次之，而铸铁的干切削性能最好。
铝合金在加工过程中产生的切屑很容易与刀具发生“咬焊”式粘连，采用高速干切削可以解决这个问题。
采用干切削和干磨削技术能够节约资源，降低能耗。
4、采用“MQL”技术的准干切削
对某些工件有时难以做到完全干切削，这时采用最少量润滑技术(Minimal
Quantities of Lubricant，MQL)，也称准干切削(NearDry Cutting)。
将压缩空气与润滑液混合形成气流，喷射至加工区，对加工进行充分有效的润滑。
一台典型加工中心在湿切削中，每分钟可能需要(20～100)L的切削液，采用MQL技术进行准干切削，每小时只需要(0．03～0．2)L的切削液。
MQL技术可减少刀具-工件和刀具一切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘结、提高加工质量的作用。
M．Rahman[3]的研究表明，MQL辅助切削的刀具磨损量、加工表面粗糙度及切削力都与湿切削相当，而且被加工表面的毛刺明显少于湿切削。
高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。
国外对高速干式切削加工技术的研究已相当深入，且应用范围也比较广泛。
我国对此项技术的研究及开发还处于起步阶段，与国外相比有不小差距，在实际应用中也遇到许多困难和障碍，涉及到观念更新和技术攻关两个方面，需要进行长期不懈的努力。
但是，高速干式切削加工代替高速湿式加工是机械制造业未来的发展趋势，相信随着高速干式切削加工技术的进一步发展和不断成熟，它必将展现出广阔而美好的发展前景。
注：本文中所涉及到的“图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。
