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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。
金属陶瓷刀具班级：0808302 学号：姓名：切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。
提高加工效率，将会带来巨大的社会、经济效益。
前北美机械工程师协会主席Hom曾说：“每节省加工工时一分钟，美国就可节省一亿美元”，可见提高加工效率对国民经济具有十分重要的意义。
陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3—10倍，因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍增长，大幅度提高社会生产力。
其次，由于现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工工件，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。
有资料介绍，难加工材料已超过43%。
这些难加工材料的采用，给制造技术带来很大的困难，传统刀具是难以对付的，往往要采用费时费电的退火加工和磨加工等方法。
新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93—95)，因而可以加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间；可以提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命。
硬质合金刀具大量消耗着W、Co等战略性贵重金属，节约这些资源是各国的基本政策，而广泛采用陶瓷刀具则是有效措施。
因为陶瓷刀具的主要原料Al2O3和SiO2，是地壳中最丰富的成分，是取之不尽，用之不竭的。
一、复合TiCN金属陶瓷刀具近年来发展起来的TiCN金属陶瓷刀具是以碳氮化钛(TiCN)作为耐磨相，金属Mo、Ni作为粘结相，经过高温烧结而成的金属陶瓷刀具材料。
它有很高的抗弯强度(≥1 000 GPa)，和断裂韧性(K Ic≥10 MPa·m1/2)，有较宽的适用范围，适合于普通钢铁材料加工，在精加工和高速铣削钢件时尤为有效。
但是由于晶界上有相当数量的Mo、Ni等金属相，硬度较低(HRA91—92)，高温性能也受到影响，难于胜任高硬难加工材料的加工。
复合TiCN金属陶瓷刀具比复合Si3N4陶瓷刀具有更高的硬度和耐磨性，更适合于淬硬钢、高强度钢的加工；它比复合Al203陶瓷刀具有更高的断裂韧性和抗冲击性，可承受更大的切削深度和进给量。
高速干硬切削已加工表面白层形成的建模与模拟高速干硬切削具有加工精度好、生产效率高等优点,被广泛应用于模具、航空航天等领域。
但是高速干硬切削加工过程中,已加工表面易形成变质层,即“白层”。
白层是一种只有几微米厚度的脆硬组织,容易引起剥落失效和疲劳裂纹,是决定工件表面质量的重要因素。
因此,研究已加工表面白层的形成机制与影响因素有重要意义。
本文以PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢(HRC60)所形成的白层为研究对象,建立了高速干硬切削有限元动态仿真模型;分析了热、力效应对白层马氏体体积分数的影响;通过元胞自动机方法,建立了表面白层元胞自动机相变演化模型。
首先,建立了高速干硬切削有限元模型,基于ABAQUS有限元分析软件动态仿真切削过程,通过将中低速切削实验测得的切削力和切削温度与模拟结果进行对比,从热、力两个方面验证了模型的可行性,并提取高速切削温度模拟结果与奥氏体临界相变温度进行对比,结合白层物相成分说明了淬硬GCr15钢已加工表面白层是热主导的相变产物。
然后,通过霍普金森压杆实验得到淬硬GCr15钢在不同温度下的屈服强度,采用电子显微探针实验修正了淬硬GCr15钢主要元素摩尔分数。
根据所得淬硬GCr15钢屈服强度与元素摩尔分数,结合经验公式得到相变过程中自由能随温度变化的曲线,建立了切削热作用下的淬硬GCr15钢加工表面马氏体临界相变温度计算模型。
基于临界相变温度计算了切削热作用下白层的理论马氏体分数,将理论马氏体分数与实验测得的白层内马氏体分数进行对比,结果表明马氏体分数理论值高于实验值。
白层中马氏体分数受切削热、力效应共同影响,塑性变形抑制了白层内马氏体相变。
结合TEM实验,分析了不同切削速度以及后刀面磨损量产生的应力应变对白层内马氏体相变的抑制作用。
通过透射电子显微镜实验得到高速干硬切削已加工表面白层TEM暗场照片,根据暗场照片测得已加工表面白层晶粒尺寸,并通过晶粒尺寸计算得到奥氏体形核数量,同时提取不同切削参数下有限元仿真得到的应力、应变能以及切削温度,结合白层形成过程中的奥氏体相变与马氏体相变特征定义了元胞自动机演化规则,建立了二维元胞自动机白层组织演化模型。
题目：高速干切削技术在绿色化工制造中的应用研究学生姓名学号院系专业年级教务处制2013年 11 月摘要在切削加工过程中需要大量使用切削液来进行冷却润滑，此过程不仅提高了加工成本并且带来了环境污染问题。
因此，切削加工的绿色化是制造业可持续性发展的重要方向。
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。
关键词：切削加工, 绿色制造, 高速干切削AbstractIt is inevitable to use a great amount of cutting fluid for cooling and lubricating in the cutting process, this process not only improves the processing cost but also brings many environmental pollution problems.Therefore，the greenization of the machining is the important direction of sustainable development of manufacturing industry. The high-speed dry cutting is an advanced manufacturing technology based on high-speed milling and dry cutting technology, it is the specific implementation of green manufacturing in the field of metal cutting .Key words：cutting process, green manufacturing, high-speed dry cutting1 绪论制造业是创造人类财富的支柱产业,同时制造业也大量消耗人类社会的有限资源,是造成当前环境污染问题的主要根源[1]。
切削加工是化工设备制造技术的主要基础工艺,因此切削加工的绿色化已势在必行。
发展绿色的切削加工技术就是要综合考虑环境影响和资源使用效率,使其对环境的影响极小甚至为零,同时资源消耗也尽可能小,从而使企业经济效益和社会效益协调优化。
近年来,机床和刀具技术以及切削理论的发展大大提高了切削加工的性能，切削加工质量、切削效率、加工成本、能耗以及切削液的使用等都得到了很大改善,高速切削和干切削等先进切削加工技术也得以进入实际应用,这对于实现绿色化工设备制造、实施可持续发展具有非常重要的意义[2]。
切削加工的绿色化是化工制造业可持续发展的重要方向,高速干切削作为一种新型的绿色化工设备制造方式,对其绿色特性及其关键技术进行分析研究意义重大[3]。
2 高速干切削技术的内涵2.1高速干切削技术的产生随着化工机械制造技术的发展，对切削加工提出了越来越高的要求，就是既要向高效率、高精度、自动化的方向发展，同时又要满足加工过程的经济性和生态性的要求。
高速干切削技术正是满足这一要求的先进制造技术。
高速干切削技术采用高效率的数控加工手段来获得高精度的加工结果，同时又限制切削液的使用，消除了因使用切削液而带来的环境污染、危害工人健康、增加制造成本等负面影响，从而实现了绿色生产。
2.2高速干切削的加工优势相比于普通切削，高速干切削的切削力可降低30%左右,特别适合于加工薄壁类的化工零件,并且还能极大地提高切削效率,使单位时间内材料的切除率提高3—5倍。
更为重要的是高速干切削技术不但可以加工出表面质量极高、无微淬火现象的优质工件，而且绝对不存在由于工件内不易触及的槽沟或孔眼里残留切削液而造成锈斑的危险，使制成的工件干净利落、不带任何残渣，从而保证了所加工设备零件的安全使用。
3 高速干切削技术的绿色特性分析3.1面向绿色化工制造的加工过程功能目标及其分解绿色化工制造系统的效益目标是实现经济效益和社会效益的协调优化,对于零件加工过程,具体的功能目标为加工时间T、加工质量Q、生产成本C、资源消耗R和环境影响E。
下图1是对各目标的一种指标分解形式：图1 面向绿色化工制造的加工过程功能目标及其分解3.2切削加工的影响因素影响切削加工的主要因素包括刀具、工件、机床和切削液等，具体如下图2所示：图2 切削加工的主要影响因素通过将切削加工的各种主要影响因素与图1中各个指标进行对比分析,可以得到切削加工的绿色性程度。
因此通过分析高速干切削对切削过程的具体影响,看绿色特性的各个指标是否协调优化即可得出高速干切削的绿色性程度[4]。
3.3高速干切削与传统切削加工的绿色特性指标比较(1)加工时间(效率)指标高速干切削的切削速度远高于常规切削。
采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。
传统的切削加工方式为“重切削”方式,每一刀切削排屑量大,切削深度大,但进给速度低;而高速干切削为“轻切削”方式,每一刀切削排屑量小,切削深度小,但切削线速度大,进给速度高,可显著提高工件材料切除率，单位时间内的材料切除率可增加3-6倍,大大提高了加工效率,缩短了生产周期,提高了设备利用率。
(2)加工质量指标对于传统切削，切削液只能从刀头侧面浸入，而不能从刀具的前刀面和后刀面进入刀具与切屑、刀具与工件的接触区。
因此，由于浸入需要时间,所以一般来说切削速度越高,切削液的润滑效果越差。
高速干切削是依靠刀具涂层或微量切削液起到润滑、减少摩擦作用,无论切削速度多快,前后刀面的涂层都始终在接触区内。
所以,高速干切削更容易显示出干切削的优势。
在实际应用高速干切削进行加工时,为了减小切削力、降低切削温度,根据不同的工件材料还可采取某些特殊工艺措施(如激光辅助干切削、液氮冷却干切削、准干切削等),以进一步保证加工质量。
(3)资源消耗指标在干切削加工过程中,直接的加工能耗如加工变形能和摩擦能耗等会增大,这导致切削能耗有所增加。
采用高速加工后,能耗的状况可以得到很大改善。
这是因为传统的切削加工方式为“重切削”方式,切削深度大,但进给速度低,要求机床主轴在低转速时能提供高的扭矩,这就要求较高的电源功耗,从而直接增加了切削的资源消耗。
与“重切削”方式相比,高速切削时良好的资源消耗特性体现在单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。
由于切除率高、能耗低,工件在制时间短,提高了能源和设备的利用率,降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例,因此高速切削加工能耗低、节省制造资源的特点符合可持续发展的要求。
高速干切削的另一个也是最重要的优点就是由于不使用或微量使用切削液，从而节省了大量的资源,产生的切屑也更方便回收利用,具有更好的资源特性。
(4)生产成本指标干切削加工中切削液的使用成本太高。
制造业的调查数据显示,切削液的费用及其有关的设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费等加在一起达到全部制造费用的7%-17%,而全部刀具费用仅为总制造费的2%-4%,可见使用切削液的成本已数倍于刀具费用。
同时,由于排放的切削液和带有切削液的固体物被当作有毒材料进行处理,大大增加了切削液的供给、保养和回收处理成本,因此在与切削液有关的总费用中回收处理费用就高达22%。
而采用高速干切削技术后由于不使用或使用最少量的切削液,加工的成本就会大幅度降低。
另一方面,由于在高速干切削过程中,大部分的切削热被切屑和刀具承载,切屑被快速处理掉,而刀具却持续承受切削热和切削力。
因此,高速干切削对刀具材料和工艺的要求很高(要求刀具有很高的红硬性和高温稳定性),使刀具的成本相应有所提高。
此外,在大多数情况下,高速干切削刀具都是针对某种材料的具体工艺要求专门设计制作的,这在一定程度上也增加了刀具的成本。
另外，高速干切削对机床的要求也较高。
首先要求机床配备高速、大功率的主轴单元以及其他辅助装置等以满足高速切削的需要；其次为了避免干切削时在机床加工区产生的较大热量使机床产生热变形、影响工件加工精度和机床工作可靠性,机床需采用热稳定性设计,使用热稳定性好的材料,有时还需要内置循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性；为了便于排屑,干切削机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身；为防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积和尘埃颗粒飘扬,需采用吸气系统将其吸走并过滤；生灰尘的加工区应和机床的主轴部件及液压、电气系统严加隔离。
这些要求都增加了机床制造的成本。
综上所述,尽管用于高速干切削加工的刀具和机床成本有所增加,但由于节省了大量切削液的使用费用,而且切削速度提高、切削时间缩短、设备利用率提高,所以制造成本还是大幅降低。
(5)环境特性指标高速干切削的环境特性优势主要体现在不使用或使用微量切削液上。
而传统切削方式中切削液的使用会造成以下问题:对生态环境的影响:切削液对生态环境的危害主要是切削加工中产生的切削废液(废油、废液)对水资源的污染。
这些废油、废液不经过有效处理而排放到河、湖、海洋中将会造成严重的水污染；另外,切削加工中使用的切削液或多或少总会残留在切屑上,大量堆积的切屑所带有的切削液会污染土壤,对切屑再生利用时切削液中的有毒有害成分也会污染环境。
对职业健康安全与卫生管理的影响:切削液对人体具有危害,会损害操作者的身体健康；另外切削液的添加剂也具有毒性，从而对人体的皮肤和呼吸器官造成损害。
对生产制造安全性的影响:由于切削液中含有许多添加剂,因此在其使用过程中会导致设备生锈、腐蚀甚至引起火灾等。
回收与处理:传统切削时,切削液与切屑的回收和处理都非常麻烦。
综合以上讨论得到的高速干切削的绿色特性如下图3所示：图3 高速干切削的绿色特性总体分析通过上述分析可知:高速干切削的各个绿色特性指标都得到了协调优化,特别是环境指标得到了很大优化,与传统的切削方式相比,高速干切削技术具有明显的优势,可获得生产效率高、加工质量好、无环境污染等多重技术经济效益,具有很大的发展潜力[5]。
作为一种绿色制造方式,高速干切削技术对可持续发展具有重要意义,是未来切削加工发展的一个趋势。
4 实现高速干切削的关键技术要实现高速干切削技术,就要研究用相关的技术手段在加工过程中替代切削液的润滑、冷却、排屑的功能,以消除因缺少切削液而产生的刀具与工件、切屑之间的摩擦以及由此引起的刀具寿命下降、工件加工质量变差等问题,从而顺利进行干切削加工,达到或超过传统切削加工时的加工质量、生产率,并提高刀具耐用度。
这些可以从包括机床、刀具、工艺等在内的几个方面来实现。
4.1高速干切削的机床技术实行高速干切削技术,从机床技术角度主要考虑:如何使切削热迅速散发;切屑和灰尘如何快速排出；采用不同的工艺方法时辅助设备的安装等问题。
