綠色數控機床及其主軸的設計研究

皇甫瑞云

1 傳統數控車床的綠色性

數控車床是在普通車床的基礎上，增加了數控系統和伺服驅動系統，從而形成能夠按照預定程序，自動完成預定加工過程的車床。傳統數控車床在制造過程、使用過程以及回收處理的過程中，都會產生廢棄物（如：制造資源中未被利用的部分，回收產物以及油污、油霧等。），這些廢棄物是數控車床制造業及車削加工業對環境污染的主要來源。隨著制造技術的進步，對數控車床在加工效率、加工質量、安全性、環保、操作維修等方面都提出了越來越高的要求。由于傳統數控車床存在以下的問題：

（1）主傳動鏈長，傳動關系復雜，制造周期長；

（2）生產效率相對較低；

（3）滑動導軌低速爬行；

（5）潤滑油對環境的污染；

（6）零件加工精度低，加工零件的尺寸一致性差；

（7）局部結構拆卸困難，維修不便；

（8）工藝范圍能力小，柔性差。

因而，這些都是擺在數控車床制造企業面前不得不及時解決的問題。

2 數控車床綠色制造的途徑

傳統數控車床由于存在以上問題，并且沒有考慮產品生產制造時對環境的污染以及機床報廢后的回收利用，因此輔以綠色制造技術設計與生產數控車床是車床工業的一個發展方向。

（l）選擇可拆卸與可回收性設計方法

要實現廢舊產品的有效回收利用，首先必須通過合理拆卸來進行。拆卸是將產品分解為組成它的分裝、部件和零件的系統方法，是裝配的不完全逆過程。拆卸目前主要采用手工方式，為提高效率將逐步實現自動化。自動化拆卸的主要困難有技術原因，但經濟原因更突出，主要困難是產品類型太多，絕大多數產品沒有采取針對拆卸和回收的設計。數控車床便于拆卸和回收的關鍵是采取可拆卸與可回收性的設計方法，其要點是：盡量減少所用材料的種類；盡量采用易于回收再利用的材料；產品的結構設計上便于拆裝；易于清除有毒物質；采用易于拆卸的聯結等。

（2）選擇綠色材料

綠色材料是指在滿足一定功能要求的前下，具有良好的環境兼容性的材料。選擇綠色材料是實現數控車床綠色設計的關鍵因素之一。綠色材料選擇技術是一個系統性和綜合性很強的復雜問題，一是綠色材料尚無明確界限，二是選材不能僅考慮綠色，還必須考慮產品的功能、質量、經濟性等因素。數控車床綠色制造的材料選擇，應考慮以下幾個原則：優先選擇可再生材料，盡量選擇可回收材料，提高資源利用率：盡量選用低能耗，少污染的材料：盡量選擇環境兼容性好的材料，避免選用有毒、有害及有輻射性的材料。

（3）選擇綠色制造工藝

綠色制造工藝是指選擇材料和能源消耗少、廢棄物少，且對環境污染小的工藝方案和工藝路線，其途徑包括：改變原材料投入，有用副產品的利用，回收產品的再利用以及對原材料的就地再利用，特別是工藝過程中的循環利用；改變生產工藝或制造技術，改善原有設備，將原材料的消耗量、廢棄物的產生量、能源消耗、健康與安全風險以及生態的損壞減少到最低程度；加強對自然資源使用及空氣、土壤、水體和廢物排放的控制，根據環境負荷的相對尺度，確定其對人體健康、自然資源影響的評價指標。

（4）選擇綠色切削液進行加工

金屬切削液是機械制造過程中金屬切削等工藝所使用的各類潤滑、冷卻用油（液）的總稱，主要作用是滿足所需的加工工藝，提高工作效率。傳統的切削液主要強調使用性能，而沒有考慮對工作環境和操作人員的危害，因此必須使用綠色切削液。綠色切削液的特點是除了滿足潤滑、防銹、清洗、冷卻等傳統性能要求外，還必須具備能耗少、無污染或少污染，對生態環境無毒害或少毒害，符合國際環境法規及相應環境指標的要求。目前己問世的綠色切削液有：綠色環保型水基切削液、綠色環保型半合成切削液和綠色環保型切削用油。

3 綠色數控車床設計目標

綠色數控車床設計是以節約資源、保護環境、安全及宜人性為指導思想的一種現代數控車床設計方法。在設計新產品時，產品規劃、產品方案設計、材料選擇、產品結構設計、制造工藝規劃、包裝設計、拆卸回收處理方案設計等過程都必須考慮節省資源、保護環境和安全及宜人性這三個因素。綠色數控車床設計應達到以下目標：

（1）環境友好性

綠色數控車床設計的特點在于在設計階段就充分考慮環境污染問題，使數控車床在全生命周期過程中廢棄物的排放極少，對環境的負面影響極小。

（2）資源節約性

節約資源主要是指在原材料準備和數控車床的加工制造、使用及維護等過程中節省物料（原材料、輔助材料）和能源的消耗。在綠色數控車床設計中，主要通過合理選材、簡化零件結構、優化下料、采用可拆卸與可回收性設計的方法等途徑節約物料；通過采用能源及利用率高的設備優化工藝安排和工藝參數，降低能耗，盡可能采用清潔能源等途徑節約能源。

（3）技術可行性

基于綠色制造思想設計的數控車床產品不但要求具有實用性、可靠性、可維護性、可制造性、可裝配性、設計方案對制造環境的適應性等特性，還要求其資源消耗盡可能少、環境污染極小、安全性好。因此，相對普通數控車床設計而言，綠色數控車床設計考慮的因素更為復雜。

（4）經濟合理性

首先，基于綠色制造的數控車床設計可以節約資源、減少環境影響，從而直接減少成本；其次，綠色數控車床具有良好的社會形象，有利于增強市場競爭力。但另一方面，綠色數控車床在設計過程中對材料、設備、工藝以及管理等都將提出新的要求，又有可能增加成本。因此，面向綠色制造的數控車床設計導致了產品經濟性的改變，設計時必須充分考慮經濟合理性。

（5）面向產品全生命周期并行考慮拆卸性是產品的固有屬性，單靠計算和分析是設計不出好的拆卸性能，需要根據設計和使用、回收中的經驗，擬定準則，用以指導設計。可拆卸與可回收性設計準則就是為了將產品的拆卸性要求及回收約束轉化為具體的產品設計而確定的通用或專用設計準則。確定合理的可拆卸與可回收性設計準則，以便設計人員遵循和采納并嚴格按這些準則的要求進行設計和審核，確保產品的可拆卸性落實在產品設計中，并最終實現良好的拆卸與回收性能要求，以下設計準則是根據產品設計經驗從某些資料歸納、整理而成的一些設計準則，可在主軸組件的設計過程中參考。

4.主軸材料選擇準則

材料是構成產品零部件的基本要素，是產品功能和結構的物質載體，從前面閉環的產品生命周期可以看出，材料的回收是實現閉環生命周期的重要內容，材料的環境特性直接影響產品的環境特性。因此，選擇合適的材料、合理的使用材料對于提高產品的環境友好性，特別是對于產品的拆卸和回收有很重要的意義。影響材料回收的主要原因是要花費大量的時間來拆卸和分離材料。有利于拆卸和回收的材料選擇準則如下：

材料的種類最少：在產品中所采用的材料的種類應該最少，材料種類越少，所需的拆卸和分類的工作量就越小，從而有利于回收材料用量最少：在滿足功能和性能要求的基礎上盡可能的減少材料的使用量，以達到節約資源的目的。因為許多原材料的生產和回收都要耗費資源，都會污染環境。材料用量的減少一方面可以降低產品的成本，同時也使得產品的回收變得比較容易。使用相容性材料：聯接不易分離的零部件應采用相同的材料或者是相容的材料，以減少拆卸量、提高回收率。選擇能容量小的材料：在材料的生命周期中，從開采、加工成原材料、制成產品、使用后回收和重用，到最后殘余物地分解和處理，需要消耗大量的能量，其中開采、提煉制成原材料的過程能量消耗最大，對環境造成的很大污染。材料的能容量是指在材料在開采、提煉過程中消耗的能量。在材料的物理化學性能能夠滿足產品能要求的前提下，在設計中應該選擇能容量小的材料，因為這些材料的回收和處理消耗的能量比較小，對環境造成的污染也比較小。盡量少用有毒或對人體有害材料：在滿足功能和性能的前提下，盡量不用或少用有毒的材料，因為這些材料的生產、存儲、使用和回收的過程極為困難，并且代價昂貴，如果被釋放到環境中會給環境帶來危害，在可能的前提下盡量使用有毒材料的替代品。還有一些材料盡管本身沒毒，但是使用過程中會產生對人體有害的物質，所以在設計產品也要考慮到材料的使用條件。