切削刀具與可持續(xù)加工
2023-10-11 來源：伊斯卡 作者： 技術(shù)經(jīng)理Andrei Petrilin
可持續(xù)發(fā)展熱潮
近年來，“可持續(xù)發(fā)展”一詞越來越流行。我們經(jīng)常能夠在新聞頭條、媒體、科學(xué)研究和實(shí)踐研討會等各種地方看到它。那么可持續(xù)發(fā)展僅僅是一個流行語還是當(dāng)下的熱點(diǎn)問題?
可持續(xù)發(fā)展的熱潮，源于全球?qū)τ谥饕扇祟惢顒右鸬年P(guān)鍵環(huán)境問題及氣候變化的關(guān)注與日俱增。反映了我們秉持著為地球和子孫后代的美好未來負(fù)責(zé)的理念。
因此，從日常生活到商業(yè)到交通、從城市規(guī)劃到生產(chǎn)加工等各個領(lǐng)域無不體現(xiàn)著可持續(xù)發(fā)展的理念。毋庸置疑，生產(chǎn)加工應(yīng)該是可持續(xù)的。如今，這個觀點(diǎn)也得到了廣泛的認(rèn)可。由于加工過程會使用自然資源，消耗能源，產(chǎn)生廢物，污染環(huán)境，所以我們只有采用可持續(xù)的生產(chǎn)技術(shù)才能減輕對環(huán)境的負(fù)面影響。
金屬加工目前仍是加工機(jī)械零件的主要方式。因此，如何使金屬加工可持續(xù)發(fā)展的這一問題至關(guān)重要。切削刀具直接接觸被加工的工件，將其加工成所需的形狀，并把不需要的部分處理成金屬切屑。那么切削刀具能夠成為提高可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素嗎？毫無疑問是可以的！
切削刀具如何促進(jìn)加工的可持續(xù)發(fā)展？
盡管與整個工藝系統(tǒng)中的其他元素（如機(jī)床，夾具）相比，刀具的尺寸更小，但它在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)加工的過程中依舊發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在加工中材料的去除過程就是一個能源密集型過程。如果切削刀具的設(shè)計(jì)是高效能的，便可以顯著降低能源消耗。
重要的刀具特性帶來的影響不容小覷。先進(jìn)的切削刃幾何形狀能夠最大限度地減小切削力，同時(shí)減振設(shè)計(jì)可以減輕刀具因振動產(chǎn)生的切削力顫振。優(yōu)化的涂層工藝可以提高潤滑性，減小摩擦力。高效的冷卻方式可以減少熱量的產(chǎn)生。綜上所述這些刀具特性都能顯著減少金屬加工對環(huán)境的影響。
在許多情況下，切削刀具通常是限制機(jī)床性能充分發(fā)揮和生產(chǎn)效率提高的重要環(huán)節(jié)。因此，刀具確保高效率的特性至關(guān)重要，其有助于減少切削時(shí)間、機(jī)床功耗和溫室氣體（GHG）的排放。可靠耐用的切削刀具，能夠提高刀具壽命，減少刀具或刀片更換的頻率，進(jìn)而縮短由此導(dǎo)致的機(jī)床停機(jī)時(shí)間，最終提高整體加工效率。
此外，使用能夠?qū)崿F(xiàn)更高表面粗糙度的切削刀具可以減少對于精加工的需求，從而減少加工余量和廢料。這樣一來，便達(dá)到了減少加工時(shí)間和材料浪費(fèi)的雙重效果。
因此，“可持續(xù)切削刀具”不僅僅是一個短暫的趨勢，而是一個重要的理念，它正逐漸被大眾接受并成為可持續(xù)制造中不可或缺的一項(xiàng)基本要求。即使分析刀具的重點(diǎn)依然在其性能上，但刀具的可持續(xù)性已成為現(xiàn)代加工中至關(guān)重要的因素。了解切削刀具是如何影響可持續(xù)發(fā)展的各個方面，在很大程度上決定了人們對于現(xiàn)代刀具的需求，并指引了刀具行業(yè)的發(fā)展方向。
關(guān)于伊斯卡刀具是如何提高加工可持續(xù)性的案例研究
刀具如何提高加工的可持續(xù)性？為深入理解這一問題，我們有必要簡要回顧一下精選的伊斯卡產(chǎn)品?？蓳Q頭式刀具這一設(shè)計(jì)理念顯然有助于切削材料的可持續(xù)利用。
伊斯卡產(chǎn)品線擁有可換硬質(zhì)合金頭的刀具系列，如MULTI-MASTER和SUMOCHAM，通過合理使用硬質(zhì)合金材料，為回答上述問題提供了一個很好的案例。除節(jié)省切削材料這一傳統(tǒng)優(yōu)勢外，伊斯卡研發(fā)的這兩個系列還擁有與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的更多優(yōu)勢。如MULTI-MASTER和SUMOCHAM系列都具有高重復(fù)定位精度，可以實(shí)現(xiàn)在線0調(diào)整時(shí)間。也就代表更換已磨損刀頭無需額外的刀具調(diào)整時(shí)間，因此大大減少了機(jī)床停機(jī)時(shí)間。
LOGIQ-3-CHAM 繼承和發(fā)展了SUMOCHAM鉆孔系列，在其設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了可換頭鉆孔刀具發(fā)展的方向。LOGIQ-3-CHAM與其他鉆孔系列的一個明顯不同之處是它擁有三個切削刃，而非傳統(tǒng)的兩個刃。這一變化使刀具的進(jìn)給量及效率提高了50%。除了提高生產(chǎn)效率外，這種新設(shè)計(jì)還減少了能源消耗和溫室氣體排放，從而帶來了可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。例如在低合金鋼的零件上加工直徑為Ø16mm、深度為80mm的孔。伊斯卡LOGIQ-3-CHAM鉆頭的刀具壽命為500個孔，與競爭對手的可換雙刃頭鉆頭相比，加工節(jié)拍縮短了26%，能耗降低了19%。因此，二氧化碳排放量也減少了19%。(圖1)
圖1 - LOGIQ-3-CHAM鉆帶有可換硬質(zhì)合金頭，有3個切削刃。
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刀具的抗振設(shè)計(jì)對于降低能耗、延長刀具壽命、提高表面粗糙度等方面起著至關(guān)重要的作用。伊斯卡基于多種理論原理提出了自己的阻尼減振解決方案。其中包括特殊設(shè)計(jì)的阻尼減振機(jī)構(gòu)，如減振鏜桿 (圖2) 。同時(shí)特殊的抗振切削刃型，也能起到減振抗振的作用。例如，多刃整體硬質(zhì)合金立銑刀和可換刀頭，其切削刃可以采用變螺旋角和不等齒距的形式；可轉(zhuǎn)位刀片可以采用鋸齒形切削刃，以實(shí)現(xiàn)有效的斷屑 （圖3），也能起到減振作用。此外，這些刀具或刀片具有更好的斷屑效果，也可以提高加工性能。定位槽減徑桿的巧妙設(shè)計(jì)使其能夠安裝更小尺寸的刀頭，這就擴(kuò)展了現(xiàn)有刀體的使用范圍，而無需購買新的刀體。這不僅減少了原材料的浪費(fèi)，還有助于減少溫室氣體的排放。
圖2 -在鏜孔時(shí)，使用防振桿可以提高性能并降低功耗。
圖3 - MILLSHRED可轉(zhuǎn)位銑刀的切屑刃型有助于更穩(wěn)定的銑削過程和更好的斷屑效果。
增材制造（AM）為刀具設(shè)計(jì)增添了可持續(xù)發(fā)展的新特點(diǎn)。首先，增材制造技術(shù)能夠生產(chǎn)出與其最終形狀輪廓非常貼合的刀體，從而最大限度地減少對精加工的需求，并顯著降低了刀具材料的消耗。此外，增材制造技術(shù)可以更容易地以最佳方式生成內(nèi)冷通道，從而改善冷卻液通過刀體到達(dá)切削區(qū)域的輸送。
本文中的示例說明了節(jié)能高效、耐用的切削刀具是如何對可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生技術(shù)性重大影響的。這樣的刀具不僅有助于減少能源消耗和浪費(fèi)，而且能夠節(jié)約成本，便于環(huán)境管理。
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