绿色数控机床及其主轴的设计研究

皇甫瑞云

1 传统数控车床的绿色性

数控车床是在普通车床的基础上，增加了数控系统和伺服驱动系统，从而形成能够按照预定程序，自动完成预定加工过程的车床。传统数控车床在制造过程、使用过程以及回收处理的过程中，都会产生废弃物（如：制造资源中未被利用的部分，回收产物以及油污、油雾等。），这些废弃物是数控车床制造业及车削加工业对环境污染的主要来源。随着制造技术的进步，对数控车床在加工效率、加工质量、安全性、环保、操作维修等方面都提出了越来越高的要求。由于传统数控车床存在以下的问题：

（1）主传动链长，传动关系复杂，制造周期长；

（2）生产效率相对较低；

（3）滑动导轨低速爬行；

（5）润滑油对环境的污染；

（6）零件加工精度低，加工零件的尺寸一致性差；

（7）局部结构拆卸困难，维修不便；

（8）工艺范围能力小，柔性差。

因而，这些都是摆在数控车床制造企业面前不得不及时解决的问题。

2 数控车床绿色制造的途径

传统数控车床由于存在以上问题，并且没有考虑产品生产制造时对环境的污染以及机床报废后的回收利用，因此辅以绿色制造技术设计与生产数控车床是车床工业的一个发展方向。

（l）选择可拆卸与可回收性设计方法

要实现废旧产品的有效回收利用，首先必须通过合理拆卸来进行。拆卸是将产品分解为组成它的分装、部件和零件的系统方法，是装配的不完全逆过程。拆卸目前主要采用手工方式，为提高效率将逐步实现自动化。自动化拆卸的主要困难有技术原因，但经济原因更突出，主要困难是产品类型太多，绝大多数产品没有采取针对拆卸和回收的设计。数控车床便于拆卸和回收的关键是采取可拆卸与可回收性的设计方法，其要点是：尽量减少所用材料的种类；尽量采用易于回收再利用的材料；产品的结构设计上便于拆装；易于清除有毒物质；采用易于拆卸的联结等。

（2）选择绿色材料

绿色材料是指在满足一定功能要求的前下，具有良好的环境兼容性的材料。选择绿色材料是实现数控车床绿色设计的关键因素之一。绿色材料选择技术是一个系统性和综合性很强的复杂问题，一是绿色材料尚无明确界限，二是选材不能仅考虑绿色，还必须考虑产品的功能、质量、经济性等因素。数控车床绿色制造的材料选择，应考虑以下几个原则：优先选择可再生材料，尽量选择可回收材料，提高资源利用率：尽量选用低能耗，少污染的材料：尽量选择环境兼容性好的材料，避免选用有毒、有害及有辐射性的材料。

（3）选择绿色制造工艺

绿色制造工艺是指选择材料和能源消耗少、废弃物少，且对环境污染小的工艺方案和工艺路线，其途径包括：改变原材料投入，有用副产品的利用，回收产品的再利用以及对原材料的就地再利用，特别是工艺过程中的循环利用；改变生产工艺或制造技术，改善原有设备，将原材料的消耗量、废弃物的产生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态的损坏减少到最低程度；加强对自然资源使用及空气、土壤、水体和废物排放的控制，根据环境负荷的相对尺度，确定其对人体健康、自然资源影响的评价指标。

（4）选择绿色切削液进行加工

金属切削液是机械制造过程中金属切削等工艺所使用的各类润滑、冷却用油（液）的总称，主要作用是满足所需的加工工艺，提高工作效率。传统的切削液主要强调使用性能，而没有考虑对工作环境和操作人员的危害，因此必须使用绿色切削液。绿色切削液的特点是除了满足润滑、防锈、清洗、冷却等传统性能要求外，还必须具备能耗少、无污染或少污染，对生态环境无毒害或少毒害，符合国际环境法规及相应环境指标的要求。目前己问世的绿色切削液有：绿色环保型水基切削液、绿色环保型半合成切削液和绿色环保型切削用油。

3 绿色数控车床设计目标

绿色数控车床设计是以节约资源、保护环境、安全及宜人性为指导思想的一种现代数控车床设计方法。在设计新产品时，产品规划、产品方案设计、材料选择、产品结构设计、制造工艺规划、包装设计、拆卸回收处理方案设计等过程都必须考虑节省资源、保护环境和安全及宜人性这三个因素。绿色数控车床设计应达到以下目标：

（1）环境友好性

绿色数控车床设计的特点在于在设计阶段就充分考虑环境污染问题，使数控车床在全生命周期过程中废弃物的排放极少，对环境的负面影响极小。

（2）资源节约性

节约资源主要是指在原材料准备和数控车床的加工制造、使用及维护等过程中节省物料（原材料、辅助材料）和能源的消耗。在绿色数控车床设计中，主要通过合理选材、简化零件结构、优化下料、采用可拆卸与可回收性设计的方法等途径节约物料；通过采用能源及利用率高的设备优化工艺安排和工艺参数，降低能耗，尽可能采用清洁能源等途径节约能源。

（3）技术可行性

基于绿色制造思想设计的数控车床产品不但要求具有实用性、可靠性、可维护性、可制造性、可装配性、设计方案对制造环境的适应性等特性，还要求其资源消耗尽可能少、环境污染极小、安全性好。因此，相对普通数控车床设计而言，绿色数控车床设计考虑的因素更为复杂。

（4）经济合理性

首先，基于绿色制造的数控车床设计可以节约资源、减少环境影响，从而直接减少成本；其次，绿色数控车床具有良好的社会形象，有利于增强市场竞争力。但另一方面，绿色数控车床在设计过程中对材料、设备、工艺以及管理等都将提出新的要求，又有可能增加成本。因此，面向绿色制造的数控车床设计导致了产品经济性的改变，设計时必须充分考虑经济合理性。

（5）面向产品全生命周期并行考虑拆卸性是产品的固有属性，单靠计算和分析是设计不出好的拆卸性能，需要根据设计和使用、回收中的经验，拟定准则，用以指导设计。可拆卸与可回收性设计准则就是为了将产品的拆卸性要求及回收约束转化为具体的产品设计而确定的通用或专用设计准则。确定合理的可拆卸与可回收性设计准则，以便设计人员遵循和采纳并严格按这些准则的要求进行设计和审核，确保产品的可拆卸性落实在产品设计中，并最终实现良好的拆卸与回收性能要求，以下设计准则是根据产品设计经验从某些资料归纳、整理而成的一些设计准则，可在主轴组件的设计过程中参考。

4.主轴材料选择准则

材料是构成产品零部件的基本要素，是产品功能和结构的物质载体，从前面闭环的产品生命周期可以看出，材料的回收是实现闭环生命周期的重要内容，材料的环境特性直接影响产品的环境特性。因此，选择合适的材料、合理的使用材料对于提高产品的环境友好性，特别是对于产品的拆卸和回收有很重要的意义。影响材料回收的主要原因是要花费大量的时间来拆卸和分离材料。有利于拆卸和回收的材料选择准则如下：

材料的种类最少：在产品中所采用的材料的种类应该最少，材料种类越少，所需的拆卸和分类的工作量就越小，从而有利于回收材料用量最少：在满足功能和性能要求的基础上尽可能的减少材料的使用量，以达到节约资源的目的。因为许多原材料的生产和回收都要耗费资源，都会污染环境。材料用量的减少一方面可以降低产品的成本，同时也使得产品的回收变得比较容易。使用相容性材料：联接不易分离的零部件应采用相同的材料或者是相容的材料，以减少拆卸量、提高回收率。选择能容量小的材料：在材料的生命周期中，从开采、加工成原材料、制成产品、使用后回收和重用，到最后残余物地分解和处理，需要消耗大量的能量，其中开采、提炼制成原材料的过程能量消耗最大，对环境造成的很大污染。材料的能容量是指在材料在开采、提炼过程中消耗的能量。在材料的物理化学性能能够满足产品能要求的前提下，在设计中应该选择能容量小的材料，因为这些材料的回收和处理消耗的能量比较小，对环境造成的污染也比较小。尽量少用有毒或对人体有害材料：在满足功能和性能的前提下，尽量不用或少用有毒的材料，因为这些材料的生产、存储、使用和回收的过程极为困难，并且代价昂贵，如果被释放到环境中会给环境带来危害，在可能的前提下尽量使用有毒材料的替代品。还有一些材料尽管本身没毒，但是使用过程中会产生对人体有害的物质，所以在设计产品也要考虑到材料的使用条件。