面向未来的绿色金属切削加工
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摘要：21 世纪科学技术的发展迫切需要解决的问题是节约能源和保护环境。为减少金属切削加工过程中给环境带来的污染，世界各国尤其是欧洲、日本、美国等国一直在努力攻关，力求从技术上取得突破。而随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新，对机械加工的配套材料-----金属切削液提出了更苛刻的要求。为了适应社会发展的要求，现代切削液技术的发展出现了一些新的特点和趋势。本文就基于此对未来的绿色金属切削加工进行简要的分析。
关键词：绿色；环保；金属切削液
中图分类号： F407.4 文献标识码： A
1、金属切削加工的概述
金属切削加工是指用刀具从工件上切除多余的材料，从而使工件的形状、尺寸、位置和表面质量均符合技术要求的加工方法。实现这一切削过程必须具备三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度等。金属的切削加工过程是通过机床或手持工具来进行切削加工的，其主要方法有车、磨、钻、齿轮加工、划线、锉、研、攻螺纹、套螺纹等。其形式虽然多种多样，但它们有很多方面都有着共同的现象和规律，这些现象和规律是学习各种切削加工方法的共同基础。而由材料力学理论可知，金属切削层的材料受到刀具的挤压作用后应力增大，挤压层金属先产生弹性变形，当应力值达到弹性极限后，产生塑性变形，金属的晶格沿晶面发生滑移，随着滑移量的增大，金属切削层与母体金属产生破裂直至分离从而形成切削。
2、金属切削加工的技术要点
2.1、切削力
在切削过程中，刀具切入工件，使切削层变为切屑并沿前刀面流出，同时获得以加工表面。这不仅需要克服使工件材料产生剪切变形的作用力，还需要克服发生在刀具前、后刀面上的内摩擦阻力。而切削过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。
2.2、切削热
切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。同时，切屑、工件以加工表面与刀具间的摩擦，也会消耗一部分功率，从而相应的产生热量。而使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。
2.3、切削温度
切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。一般说来，在切削过程中，由于切削力所做的机械工绝大部分转化为热能，如果切削热不及时传散，则切削区的平均温度将大幅度的上升。切削温度的升高，一方面使
得切削区工件材料的强度、硬度下降，且使一些耐热性好、脆性大的刀具材料的韧性有所改善从而切削过程进行比较顺利；但更主要的另一方面是切削温度的升高，会加速刀具的磨损，使工件及刀具产生热变形，影响加工精度，造成工件表面的热损伤。
2.4、影响切屑变形、切削力及切削温度的因素
影响切屑变形、切削力及切削温度的因素包括工件材料、切削速度、进给量、切削深度、切削液和刀具前角等。首先工件材料因素，材料的强度越大、硬度越高、塑性越小，则产生的切屑变形也就相应的小；其次是切削速度因素，随切削速度的上升，切屑变形呈下降趋势。切削速度达到一定值后，切削力也有下降的趋势;第三是进给量因素，进给量增大，切削厚度将会增大，切屑的变形程度就会变小，但是由于切削面积会增大，切削力及切削温度均要上升；第四切削深度，切削深度增大，切屑变形变化不大，但是由于切削面积成正比增大，切削力呈正比增大；第五是切削液因素，切削液的冷却和性能越好，切屑变形、切削力及切削温度三者都会的到改善，因此都会下降；第六是前角的增大，切屑变形会变小，对切削力影响也比较明显，切削力也会变小，其中在三个方向力中，主要是进给力和背向力受到的影响较大。
3.1、绿色金属切削加工的优点分析
绿色环保切削加工的优点主要体现在减少污染、成本低廉及生产效率高等特点。绿色金属切削加工方式是不用或使用极少量的切削液，而切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。同时从不用或使用极少量的切削液的优点可以看出，生产中不用或使用极少量的切削液，可以减少10％~15％的加工成本，一般为常规切削加工的四分之一。有些可使零件的总成本下降55％。
3.2、不使用或减少切削液的种类
金属加工企业都期望使用一种能适用于所有类型金属切削工艺和所有种类工件材料的切削液，无需因为加工的变化而不断更换切削液，这样就可节省时间、提高生产效率。可以想象，要开发这样一种万能金属切削液难度极大，要确保切削液在范围如此广泛的金属加工中仍然具有必需的性能，并不现实。因此，使用用干切削加工代替湿加工，是机械制造业可持续发展的方向。
3.3、干切削刀具技术
干切削是一项新兴制造技术，其在机械加工中，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获得高精度同时，又限制使用切削液，消除了由切削液带来的环境污染危害工人健康。增加制造成本和废液处理成本等负面影响，实现绿色生产。但是实现干式切削的最大技术难题是刀具，他是使干式切削加工得以顺利进行的关键因素。刀具在切削加工过程中，要承受很大的压力，同时由于切削时产生的金属塑性变形以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损，因此干式切削刀具材料应具备更高的耐热性和热韧性，良好的耐热冲击性、抗粘结性及高的耐磨性。
3.4、干切削的机床技术
设计干切削机床时主要考虑两个问题：一个是切屑和灰尘的快速排出；另一个是切削热的迅速散发。因为在在干切削中，由于没有切削液的冷却、和排屑作用,切削力和切削热急剧增加。即便是选用超硬刀具材料或者是对刀具表面进行适宜的涂层处理，却无法避免大量炽热的切屑堆积在切削区和机床上。这不仅破坏了切削过程，造成切屑的再切削而导致已加工表面恶化，还会使机床温升和热变形加剧，严重影响加工质量和生产率。首先对于一些无法排出的热量，则相关部件应采取隔热措施。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。另外，采用吸气系统可防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积。内置的循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性。在加工区的某些关键部位设置温度传感器，用以监控机床温度场的变化情况，必要时通过数控系统进行精确的误差补偿。
4、结束语
随着人类对资源和环境保护的日益重视，金属切削加工的负面影响逐渐引起人们关注。绿色金属切削加工，是机械制造业可持续发展的方向。为了跟上国际形势，顺应世界切削技术的发展趋势，我国应加快对绿色金属切削加工技术的研究。21世纪的制造业对绿色环保的要求越来越高，绿色金属切削加工技术作为一种对于节省资源、保护环境、降低成本具有重要意义，随着机床技术和刀具技术及其相关工艺研究的深入，绿色金属切削加工技术必将成为金属切削加工的主要发展方向。
参考文献：
[1]吴勃. 金属切削加工过程的有限元建模与仿真[D].江苏大学,2006.
[2]钟小宏. 金属切削加工有限元仿真及薄壁件变形预测研究[D].南昌航空大学,2012.
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