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摘要：在金属加工领域，应用绿色制造技术建立刀具选择模型，以达到对环境负面影响最小化、对资源利用最大化的目的。通过绿色制造理念的渗透，主要从刀具材料的选择、刀具结构的选择以及刀具的设计流程等方面来体现绿色制造技术的先进性、无污染性与资源的优化配置。在金属加工过程中，考虑到刀具的选择与生态环境、职业健康安全、生产作业条件的关系，技术人员将绿色制造技术与金属加工全过程融合到一起，整个加工过程实现了减少污染、节约成本、降低资源消耗的既定目标。基于此，文章对刀具的组成结构予以简要说明，对刀具材料、结构选择以及设计思路进行系统分析，旨在构建一个绿色、高效的金属加工体系。
关键词：绿色制造技术；金属加工；刀具选择；应用策略
绿色制造技术主要是以绿色理念为指导，综合运用绿色设计、绿色工艺、绿色包装、绿色生产等为一体的科学技术。应用该技术的最终目的是保证产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个生命周期，对环境负面影响最小，对资源利用最大。众所周知，我国作为世界第二大经济体，近年来，制造业呈现出蓬勃发展态势，但是，在制造行业盲目扩张的背景下，能源与原材料高投入、对自然生态环境高污染的现实状况也成为不争的事实。尤其对于金属加工行业来说，在生产过程中产生大量的有害废物，进而给自然生态环境施加了巨大的压力。在这一背景下，我国的技术研发人员于上世纪80年代，综合了环境学、材料学、控制技术学等先进的制造技术，并在传统制造工艺的基础上，研发出了新型的绿色制造技术，该技术贯穿于产品设计、生产加工、废物回收整个加工制造周期，并最大限度的提高了资源利用率，大幅减少了对自然生态环境造成的污染，进而给冶金制造领域创造了更多的经济效益与社会效益。
特别对金属加工行业来说，作为废弃物排放大户，在应用绿色制造技术以后，设计人员与技术人员遵循经济性原则、稳定性原则、无污染原则、能源节约原则，科学合理的确定刀具的类型、结构以及主要材质，并在实践应用过程中取得了良好的效果。一方面金属加工制造成本大幅度降低，为企业节省了大量成本，另一方面，整个制造加工过程中的有害废物排放指标完全满足国家及行业的废物排放标准，同时，产品的制造加工质量也得到大幅提升，进而促进了金属加工制造企业的健康可持续发展。
1绿色制造技术概述
绿色制造技术涵盖绿色材料、绿色设计、绿色工艺等内容，对金属加工行业来说，在选择刀具时，如果应用绿色制造理念，不仅能够提高金属加工质量，并且也能够满足国家与行业对加工全过程低污染、低能耗的要求。
1.1绿色材料
绿色材料可以理解为能够回收及循环再利用的材料，对于金属加工中的切削刀具来说，材料选择是否正确，直接关系到加工效率及产品质量，另外，也极易增加制造过程中的有害废物的产出量。因此，选择绿色材料，对缓解环境压力，促进资源与能源节约均具有重要的现实意义。
1.2绿色设计
绿色设计是指设计人员在对产品外观、结构、功能等方面进行设计时，充分考虑产品的消耗、资源的再生以及对自然生态环境的影响，在设计过程中，主要考虑以下四个方面：第一，产品的简化，即在设计和研发产品时，尽量避免进入复杂化设计的怪圈，如果产品的结构、生产工艺较为复杂，那么就会浪费大量的资源和能源，因此，设计人员首先需要考虑产品设计的简约化与实用性。第二，积极应用新技术、新工艺，在金属加工领域，近年来，出现了许多资源节约型与环保型技术。比如在加工外圆工件时采用的豪克能金属表面加工技术，该技术在不去除工件本身材料、不改变零件加工精度的前提下，能够有效防止粉尘污染的产生。第三，产品的易装配性，在设计产品结构时，应当利用易于连接与分离的方式来替代传统的零件连接方式，这种易于拆卸的设计方法能够对多种零部件进行重复利用，这就节省了大量的原材料以及后续维修费用。第四，可回收再利用，即设计人员应当充分考虑加工过程中原材料的回收再利用价值，在产品的设计研发阶段，应对原材料、各种零部件的回收价值、结构性能、回收处理模式进行分析，进而制订出一套切实可行的设计方案，以提高资源利用率，设计出更多的绿色产品。
1.3绿色工艺
在金属加工领域，自动化、智能化水平越来越高，因此，技术人员应当不断对现有的生产制造工艺进行创新和改进，以实现节约原材料、减少环境污染的目标。尤其在自然生态环境日益恶化的今天，应当绿色制造工艺已经势在必行。比如在切削加工过程中，技术人员可以应用干切削加工技术，这种技术是一种实现清洁高效加工的新工艺，其主要特点是形成的切屑干净无污染，并且易于回收和处理。其次，应用该技术降低了生产系统的结构要求，这就为企业节省了大量成本。最后，在切削过程中不会给周边环境造成污染，而不会发生与切削液有关的安全事故。由此可以看出，绿色工艺在金属加工领域的应用，解决了多年以来存在的金属加工过程污染环境与资源浪费的问题。
2绿色刀具的设计要求
2.1满足基本的切削要求
刀具主要由刀面、刀头、刀尖以及刀杆组成，作为金属加工过程中的重要切削工具，在产品外观、性能与质量等方面，发挥着至关重要的作用。而绿色制造理念的核心不仅仅是满足节约环保的要求，同时，还需要兼顾考虑刀具的可用性，即在设计刀具时，设计人员应当充分考虑刀具是否能够满足基本的切削要求，以保证每一道加工工序能够顺利进行。尤其对刀具的硬度、强度、耐热性等指标，需要结合不同的切削方式，来确定执行性相对较高的设计方案。比如在设计刀具过程中，设计人员首先确定金属加工时的主要切削方式，然后对刀具的各项性能参数进行调节，使刀具的使用性能能够满足基本生产需求。目前，设计研发领域基于绿色制造技术，研制出了一种新型的陶瓷刀具，这种刀具无论在摩擦力、切削硬度、耐热性、耐用性等方面均表现出了优越性。以氮化硅陶瓷刀具为例，设计人员在研发这种材质的刀具时，充分考虑了金属加工过程中高速切割的特点，于是在刀具当中添加了强度与硬度更高的硅元素，这不仅节省了自然资源，而且也提高了生产效率。目前，绿色陶瓷刀具在金属加工领域已经得到普遍推广和应用。
2.2干式切削刀具
硬度是衡量刀具优越性能的一项重要指标，如果硬度不达标，那么在切削金属原材料时，就会加快刀具的磨损速度，而且产品的加工质量也会受到严重影响。为此，近年来，一些高硬度原材料在刀具研发领域的应用，使得刀具本身的硬度得到大幅提升，进而出现了各种不同类型的干式切削刀具。为这其中包括超细硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、聚晶金刚石刀具等。超细硬质合金刀具拥有良好的耐磨性能与耐高温性能，多适用于铣削与钻削的干式加工。陶瓷刀具在高温状态下具有良好的红硬性，多适用于干车削加工领域。立方氮化硼刀具的硬度最高能够达到HV4000，而且具有良好的热传导性，因此多用于车削干式加工。而聚晶金刚石刀具的硬度最高可达到HV8000，热传导率达到2100W/MK，因此，更适合于加工铜、铝及铝合金等工件。另外，在设计刀具时，为了改善刀具的切削性能，常常在刀具当中添加一些硅化碳等化学材料，这样可以大幅增加刀具的红硬性与耐热性，这样，能够加工出更多高质量的金属工件。
2.3快速切削刀具
与干式切削刀具相比，快速切削刀具本身具有良好的高速切割性能，在金属加工过程中，刀具易磨损的部位通常出现在刀尖上面，随着刀具的高速运转，刀尖与金属工件之间的摩擦阻力不断增加，在这种情况之下，刀具的使用性能将受到严重影响，甚至会大幅缩短刀具的使用寿命，进而给金属加工企业带来更多的经济损失。因此，在设计快速切削刀具时，通常选取一些耐磨性能好、红硬性高的材料。比如单晶金刚石或者聚晶金刚石，应用这两种材料生产出来的刀具不仅红硬性好，而且具有低污染、低耗能的特点，尤其在刀具处于高速运转的状态下，刀具与金属工件的摩擦阻力将大幅度降低，并且优越的红硬性也延长了刀具的使用寿命。目前，在汽车零部件加工领域，这种快速切削刀具被广泛使用。
3基于绿色制造技术的金属加工中刀具选择模型构建思路
3.1刀具选择需要遵循的基本原则
基于对绿色制造技术的考虑，在选择切削刀具时，应当遵循以下三项基本原则：第一，快速切削性原则，即刀具本身应当具有良好的红硬性，尤其是刀尖位置的硬度应当满足基本的金属加工需求。目前，随着社会各领域对金属产品需求量的逐年递增，多数金属加工企业将关注焦点逐步向加工效率方向转移，在这一背景下，技术人员一方面要考虑生产投入成本，另一方面也要考虑金属产品的生产周期。据调查数据表明，对于金属加工企业来说，切削刀具的制造成本一般只占总成本的7%左右，但是，刀具本身的切削性能却对生产成本产生直接影响，因此，在选择切削刀具时，应当保证刀具本身具有快速切削的优越性能，这样才能推进加工制造进度，进而获取更高的经济收益。第二，误差最小化原则，即选择的切削刀具在加工过程中，应当满足产品的加工精度要求，如果加工精度误差较大，那么产品表面的粗糙度、尺寸规格等参数也将受到影响，进而使产品的加工质量大打折扣。第三，性能稳定性原则，即所选的刀具表面涂层以及各项几何参数应当满足基本切削需求，无论在切削过程中出现哪些影响因素，也不会影响刀具本身的切削性能，更不会出现崩刀等意外事故。
3.2金属加工中刀具选择模型的构建思路
在遵循上述三项基本原则的同时，金属加工企业在选择切削刀具时，应当基于绿色制造技术而考虑刀具对环境可能造成的影响以及资源与能源浪费等情况，因此，结合这些因素，企业首先应当建立一个目标向量模型。
从上述分析可以了解到，除了一些刀具本身的尺寸参数等基本影响因素以外，刀具还涉及刀具磨损、能量消耗、噪音污染、切削液污染、切削回收率等环境影响因素指标，因此，在构建刀具选择模型时，设计人员应当综合考虑刀具可能给生产或者环境所带来的一系列影响因素，然后再对一些影响变量予以优化和调整，以保证切削刀具在满足基本生产需求的前提下，将对环境造成的污染程度降到最低点。
3.3刀具加工精度加强
在选择金属切割刀具的时候，需要对生产成本进行计算和考虑，选择金属切割刀具不光需要考虑使用效率和功能，还需要对经济型进行分析。首先需要对用户所提出的切削深度要求进行分析，在分析之后选择适合的刀具。在可以使用代替刀片的时候也可以使用W型刀片替换成C型刀片，不仅能提高刀具的锋利程度，还能够提升金属加工作业的工作效率，这样一来不仅满足了经济型要求，还提升了机械加工产品的质量。
4基于绿色制造技术金属加工中刀具的选择方案
4.1刀具结构的选择
过去，在金属加工领域，切削刀具多采用整体式结构，这种结构的弊端是在切削金属原材料时，一旦刀具的刀尖或者刀面位置出现损坏，就需要更换整套刀具，如果使用的刀具选用了成本较高的硬质合金或者金刚石材质，那么将使生产成本大幅增加，并且也浪费了大量的刀具材料。基于绿色制造理念，本着节约、环保的原则，设计人员不断对刀具结构进行优化和改进，并利用焊接式、机夹式以及可转位式等刀具结构替换了过去的整体式结构，这些类型的刀具不但易于拆卸，而且使用性能也得到改进。比如焊接式刀具结构较为紧凑，在操作和使用过程中，具有灵活性的特点，尤其在各种类型的车刀加工中，焊接式结构的刀具使用频率相对较高。机夹式刀具主要体现在刀杆的灵活与便利性，在切削金属原材料时，切削性能较为稳定，因此被广泛应用于切断、螺纹、镗孔车刀加工中。而可转位式刀具结构具有断削稳定、生产率高等特点，目前，在数控机床生产线当中，可转位式刀具的应用频率较高，一方面可以提高单位时间内的生产加工效率，另一方面能够有效避免生产过程中产生过量的有害废物。
4.2应用涂层技术
刀具涂层技术主要是在强度与韧性较好的硬质合金或者高速钢基体表面，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或者非金属化合物，也可以涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料的刀片上面，作为一个化学屏障和热屏障，涂层对刀具起到了良好的保护作用，进而大幅降低了月牙槽磨损现象的发生概率。在绿色制造技术全面推广的大背景下，刀具涂层技术水平也实现了跨越式发展，目前，应用于刀具涂层的材料类型多达15种以上，而对于一些特殊要求的刀具，涂层数多达13层。
如果按照涂层物理性质划分，可以分为硬涂层与软涂层，硬涂层的常用材料是TiN、TiC和Al2O3等，将这些材料作为涂层，刀具本身的硬度将大幅提升，并且耐磨性能也得到改善。比如以TiC涂层刀具为例，当刀具表面附着这一材质的薄层以后，刀具的抗磨损能力显著提升。而软涂层常用的涂层材料包括MoS2、WS等，使用软涂层的刀具一般被称为“自润滑刀具”，主要是由于在切削加工过程中，这种类型的刀具与金属材料之间的摩擦系数较小，据现场生产数据显示，正常情况下的摩擦系数只有0.01左右，在这种情况下，刀具与金属材料之间的切削温度将大幅降低，这就相当于润滑油产生的润滑作用，使整个生产加工流程能够顺利进行。比如通过对涂覆TiAIN涂层与涂覆MoS2涂层的丝锥的对比实现发现，涂覆TiAIN涂层的丝锥可以加工1000个螺孔，而涂覆MoS2涂层的丝锥则可以加工4000个螺孔，二者之间相差四倍。因此，设计人员在选择涂层技术时，可以结合金属加工流程、产品结构属性、尺寸规格等参数合理选择涂层材料，在实现生产效率最大化目标的前提下，能够满足绿色制造、绿色加工理念。
4.3刀具切削需求保证
在使用金属切割工具开展切割作业的时候，需要对切割的方法进行仔细的选择，目前使用比较多的切割方式有干式切割法和高速切割法。在选择不同切割方法开展切割作业的时候需要注意刀具性能的要求，需要根据切割方法的需求对刀具性能进行提高。在开展金属加工的时候，绿色刀具设计比其他类型道具设计的质量更好，并且绿色刀具所具有的强度和硬度也更高，绿色刀具在持续使用时候的耐热性也比较高。能够看出，使用绿色刀具开展金属制造作业能够有效的提高制造的效率和质量，但需要注意绿色刀具在使用的过程中需要严格的掌控好刀具的主要参数，这样才能够保证绿色刀具在最好的状态下开展切割作业，提高加工作业工作效率。
5结语
目前，绿色制造技术在金属加工领域已经得到普遍推广和应用，基于这一理念，技术人员在选择切削刀具时，应重点关注刀具材料的性能以及刀具本身的结构组成，然后制订一套符合绿色制造理念的刀具选择方案，进而在减少环境污染、节约能源、降低资源消耗的同时，实现经济效益与社会效益“双丰收”的美好愿景。
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