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。