绿色制造论文

1、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：xxxxxxxxxxxx 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十切技术也愈来愈备 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 速十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

2、三个重要方面。高速干切的原理及特点1.1原理高速十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。十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

3、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

4、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

5、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 高速十切削方面，

6、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 较成功的十式切削方法。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十式切削刀 具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用。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

7、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（聚品金刚石）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

8、次于金刚石，有优良的红硬性、化学稳定性和低摩擦 系数，是高速十切削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，是相对廉价的十切 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十切削。 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

9、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。在十 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刀具涂层采用高速十切削，

10、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79C，而且

11、因为添加了 AL,使刀具的抗氧化性能大大提高，是高速加工和十切 削最常用的材料。ITN在十切削时可作为一种通用涂层，主要用于十攻丝（铸铁 丝锥除外），TiN涂层用在整体硬质合金铣刀上效果很好。硬及软双徐层图1不同部位采用不同图层20 S0 硬及软双徐层图1不同部位采用不同图层20 S0 妙HIM图2图层对刀具影响在高速干切削刀具中常常使用多层复合涂层，把硬涂层和软涂层结合在一 起，即在一道涂覆工序中采用两种物理气相沉积工艺，先产生硬涂层TiALN， 然后再在其上面采用溅射法产生WC/C软涂层，可以有效提高刀具的寿命，影响 切削（图2）。目前新的涂层技术如高硬度、高热稳定性的金刚石薄膜涂层，CB

12、N 薄膜涂层，由多种涂层材料不同组合构成的纳米级涂层等，均得到了长足的发展， 其所具有的优异抗磨损及自润滑性能，使其更能适用于多种材料的高速干切削。3高速干切的机床技术由于高速十式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局的 变化，主要体现在对机床的隔热性能、排屑速度、洗尘效果和机床基础构件的三 刚度（静刚度、动刚度和热刚度）等方面提出了更高要求。3.1高速干切削抓床的机构3.1.1选用三刚度高的高速机床由于高速十式切削加工过程中会产生更大的切削力和更多的切削热，从而导 致刀具与工件之间的振动以及机床的热变形明显增大，因此选用的机床基础构件 （如立柱、床身、工作台等）的三刚度要大，如

13、采用人造花岗岩等新材料整体制造 床身，不仅三刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为是21世纪的新式数 控机床”、”机床结构的重大技术革命”的虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结 合起来，将会获得更好的效果。3.1.2采用快速排屑布局应用高速十式切削加工的要点之一是要在切屑中的大部分热量传人机床之 前迅速将其排出。为此，可采取以下排屑方法:高速十式切削加工机床应尽可 能采用立式主轴和倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜的隔板，这样有助于热切 屑迅速坠人排屑槽中。借助重力排屑。以钻削加工为例，可改变机床常规布局， 将工件安装在主轴下部，刀具从下向上钻削，在重力作用下，切屑可从孔中顺利 排出，而无须使用

14、带压力的切削液来辅助排屑。利用虹吸现象排屑。在钻削加 工中，可利用干燥的空气通过虹吸作用吸出孔中的切屑，而无须使用切削液。 利用真空或喷气系统改善排屑条件。如日本某公司开发的洁净回收系统，采用 将刀具部分罩住的结构，利用从内部吹出的压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向 经螺旋管道排出。3.1.3采用热稳定性好的结构和适当的隔热措施机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可将切削热的影响降到最低程度。 如采用均衡温度的结构，将床身的左右两侧、顶部和底部设计成四个相通的型腔 并注人油液，即可保证整个床身具有相同的温度。此外，机床立柱与底座等基础 构件采用对称结构并选用热容量小的材料，主轴采用恒温水冷装置等

15、，都能提高 机床的热稳定性。采取适当的隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来 隔断热切屑等，均可减少排屑过程中切屑传递给机床的热量。3.2高速干切削机床的主轴主轴应具有较高的转速和较高的刚度，特别是动刚度，以适应干切削过程中 切削力增大、切削振动增强的影响，因此，通过动态优化的高速大功率的电主轴 技术能有效适合高速干切削的要求，它采用内藏式无外壳伺服电机直接驱动方 式，消除了中间传动链的影响，可以获得较高的主轴转速，而且还可以提高主轴 的刚度和频率响应，抑制或降低主轴单元在十切削过程中的切削振动，同时采用 陶瓷轴承以及先进的润滑技术，降低主轴在加工过程中的热影响。主轴的密封技

16、 术也是实现高速十切削的重要因素。目前，在高速主轴设计中，采用动态优化的 电主轴结构，并结合通过热平衡设计，循环内冷却技术和轴承的油气润滑技术， 提高主轴单元的动刚度和热稳定性。在防尘方面，采用迷宫式非接触结构，并结 合油气润滑中高压气体(0.4MPa)，能有效防止加工中悬浮颗粒的侵人。3.3高速干切机床的进给单元进给单元应具有较高的刚度和较大的推力，很高的进给速度和良好的加减速 特性。目前主要有伺服电机+大导程的高速滚珠丝杠副和直流直线电机直接驱 动。精密高速滚珠丝杠副最大的进给速度可达到5080m/min，进给加速度可达 0.51.5g ;直线电动机直接驱动的进给单元的最大进给速度可达到1

17、00200min， 进给加速度可达310g。两种进给系统均能满足高速十切削加工的要求，其中直 线电动机进给单元的加减速能力较强，是高速干切削加工的理想进给方式，但直 线电动机在使用中存在承载力小、易发热等问题，有待改进。4高速干切的工艺技术由于在高速切削条件下，59%98%的切削热将被切屑带走，切削力也可降 低30%，因此，采用很高的切削速度进行加工可以取得与使用切削液相同的效果。 日本牧野公司提出红月牙干切削工艺技术，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。在一些机械加工中，纯粹的十切削是难以实现的。

18、可以采用最小量润滑（MQL） 技术（又称准十切削）。这种方法是将压缩的空气与少量的润滑液混合气化后，喷 射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。MQL技术可以大 大减少刀具-工件和刀具-切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、 防止粘连和提高工件加工质量的作用，使用的润滑液也很少，效果却十分明显。 MQL技术使用对人健康无害的植物油或脂油，其用量极少，一般为0.03-0.2L/h， 而1台典型的加工中心在进行湿切削时，切削液的用量高达20-100L/h，为MQL 润滑油用量的6万倍左右。MQL润滑的准十切削效果相当好，现已十分流行。 此外，还可在某些特殊气体（如液氮）氛围中进

19、行干切削加工和低温冷风干切削加 工。5高速干切的应用实例高速干式切削加工在车削、铣削加工中的应用（尤其是铸铁材料的高速切削） 已日益普遍；在钻削、铰削、攻丝、拉削和滚齿等方面也有重大突破。例如，德国格林公司用钛基硬质合金钻头进行高速干式钻孔时，切削速度高 于200m/min，钻头装夹的同轴度小于0.01mm。该公司采用Ti（C，N）基硬质合 金铰刀铰孔时，与使用刃口锋利的未涂层细品粒硬质合金铰刀相比，铰孔表面光 洁度更高，刀具寿命更长。Emuge UK公司开发出了用于高速十式切削的螺纹刀 具。用该刀具加工低碳结构钢时，以15m/min的切削速度十加工1000个螺孔， 丝锥未发生明显磨损；加工工

20、具钢时，将切削速度降至10m/min，也能达到同样 的刀具寿命；以5m/min的切削速度在含铭量10%的竦基合金不锈钢工件上攻螺 纹时，可加工1000个螺孔；以20m/min的切削速度在HT300铸件上攻螺纹时， 加工超过4000个螺孔，丝锥仍未出现明显磨损。据报道，美国Leistritz Carp.生 产的新型PW系列CNC旋风机床具有多个滑动刀架，能完成车削和旋风铣削复 合加工。该机床在一次安装工件后，可对螺纹或螺旋形工件进行多工序的干式切 削加工。该公司还开发出用CBN刀具在硬度高达62HRC的硬材料上旋风干铣 削精密螺纹的新工艺。美国生产的LC82型CNC干式切削滚齿机，工作台转速 可

21、达250r/min，在重切削范围内，滚刀转速为2000r/min，驱动功率为7.5kW。 Ford公司用硬质合金滚刀进行十式滚齿，加工成本可下降44%，且滚刀寿命比 高速钢滚刀湿式切削提高6倍（由原来加工39000个齿轮提高到252000个）。采 用细品粒TiN、Ti（C，N）或（Ti，Al）N涂层的硬质合金滚刀十式滚齿时，切削速 度可达350400m/min。使用TiN涂层的高速钢圆拉刀十式拉削42CrMo4V合金 钢时，拉刀寿命可比未涂层拉刀湿式拉削时提高3倍。此外，高速干式切削加工在铣削中的应用也相当广泛。例如：上海某汽车零 部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SE

22、CO公司的 Tl50M黑色涂层硬质合金刀片十式铣削铸铁排气管端面（刀盘型号 R220-43-0088-5，88mm，z=5 ；刀片型号 OFET070405TN-16；刀片涂层等级 T150M；切削参数：n=1100r/min，i=1 1.2mm，vf=600mm/min），每个切削刃的 切削寿命超过100件，与原来采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生产效率 明显提高，且所用八角形硬质合金刀片有8个刃口，比陶瓷刀片的刃口数增加1 倍，价格也更便宜，加工经济性显著改善。再如，SECO公司开发的整体结构 PCBN牌号系列中的CBN300刀片已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动 机柔性生产线上

23、，用于十式铣削灰口铸铁缸体平面（刀盘型号822033-0100-12CT， z=8；刀片型号 SNMN090312S；切削参数：ae=80mm，ap=45mm，f=0.15mm， vc=1600m/min）。该刀片加工时表现出优异的切削性能，铣削速度可达 1600m/min，每个切削刃的工作寿命为170件，刀具寿命为普通PCBN刀片的4 倍，与陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了发动机的加工效率。在实际应用中，高速十式切削法的特点有如下几点：首先，由于它省去了油 屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床 结构非常紧凑。例如，格里森的Phoenix十式切削机床比湿式切削机床减少占地 面积30%。其次，这种方法极大地改善了加工环境。另外，加工费用也大大降 低。这是由于它省去了冷却润滑油剂的配制和回收费用，省去了工件的清洗费用 和油屑分离费用。这种方法能够降低成本的更主要原因是：由于机床的速率提高， 准备时间相对减少，有效时间相对增加，切削效率也就大大提高了。例如，通常车削铸铁时的金属切除率为16