基于新材料、新技術的綠色機床設計

    制造業作為國民經濟的支柱產業，雖然為社會創造了豐富的物質財富，但是要消耗大量的資源，還會造成環境污染。目前，環境問題已經日益成為影響社會經濟發展的一個關鍵因素，各國政府制定的環保法規越來越嚴格，消費者也對環境管理極大關注。因此，如何減少資源消耗和環境污染是21世紀制造業面臨的重大問題。為此，在制造業實施綠色制造技術，貫徹可持續發展戰略已勢在必行。機械制造業在我國的節能減排工作中起舉足輕重的作用，金屬切削機床是制造機器的機器，是工業母機，一般機床的工作年限都在三、四十年以上，屬于長壽命產品，在其生命周期內既要消耗能源，又要產生固體、液體和氣體的廢棄物，對工作環境和自然環境造成直接或間接的污染[1]。所以，節省能源、綠色環保的新型機床成為當前研究的熱點。
　　
　　綠色機床設計的新材料
　　
　　隨著現代工程技術和科學技術對材料性能要求的不斷提高，新材料的研究和應用得到迅速發展，以復合材料為代表的新材料已經廣泛地應用于國民經濟各個領域。在機械工業中，新材料的出現和應用使一些傳統的加工工藝發生了重大變化�，F代航空航天業等高新技術產業的發展對數控機床與裝備的性能、精度、加工能力的要求日趨提高，帶動和促進了數控機床與裝備制造業的發展。
　　
　　由于航空航天工業產品零件具有耐高溫、高強度、難加工、合金材料和復合材料多、復雜結構件多和工藝要求高等特點，要求機床加工設備朝大型（重型、超重型）、高速、精密、復合、智能化的趨勢發展。如何充分地發揮新材料工藝性能等優勢，把它應用于實際，成為新時期機床設計領域的重要課題。
　　
　　包括碳素纖維、陶瓷和復合材料等新材料在機床結構中的應用，使機床結構輕量化、環�；�，促進了機床加工設備向高速、精密、復合、智能化方向發展。如機床的大尺寸支承件使用人造花崗石，或在鋼板焊接的框架內填充混凝土，既可以節省金屬資源，又可以增加抗振性和熱穩定性；對一些受力條件復雜的零、部件，使用像碳素纖維等新材料，不僅可以使機床結構輕量化，而且可以提高壽命；對一些高硬度耐磨件，使用陶瓷等材料代替高硬度鋼，既可以減輕重量，又可以節省貴重金屬資源，還可以省去高硬度鋼在加工過程中需多次進行的、耗時耗能的熱處理工序。
　　
　　例如，在歐美等國家機床產業中，新型材料樹脂混凝土得到了很大的發展，特別是在高精度機床的床身應用方面，樹脂混凝土正逐漸替代傳統的鑄鐵。樹脂混凝土是一種新興結構材料，是一種由天然礦石（不同尺寸、不同來源）和環氧樹脂（作為粘合劑）為主的混合物，相對于傳統的鑄鐵來說具有很大的優勢。目前，越來越多的國際機床制造商開始設計使用樹脂混凝土的機床，但對于中國市場來說，這個領域還是空白。與傳統鑄鐵相比，樹脂混凝土具有以下4項優勢：
　　
　�。�1）低能耗。相對于鑄鐵來說，樹脂混凝土能耗少，在制作過程中節省大約30%的能量消耗。在面臨電力、天然氣、煤等能源短缺問題的今天，使用如樹脂混凝土之類造價低廉并能回收的環保材料是最理想的選擇，樹脂混凝土垃圾和舊的床身可以作為建筑原料。
　　
　�。�2）吸振性好。如今，精密數控機床越來越受重視，在高速切削時，工件和機器部件移動得越來越快。提高轉速、進給速度和增加零部件重量將會產生振動，從而降低精度。樹脂混凝土能消除振動，提高機床的精度。
　　
　�。�3）高度整合性。和900℃澆鑄溫度的鑄鐵相比較，樹脂混凝±45℃的澆鑄溫度是另一個優點。傳統的方法是在床身澆鑄完成以后再安裝上其他的零部件，如今可以直接在鑄件中鑄入零部件，如管道、電纜、傳感器、執行器和盛液體的內腔等。
　　
　�。�4）高精度。傳統制造床身的方式是經過銑、磨加工以后再安裝線性導軌。因為傳統的鑄件在脫模以后的精度較低，脫模后的樹脂混凝土能達到較高的精度。此外，通過再次澆鑄還可以達到更高的精度水平。
　　
　　綠色機床設計的新技術
　　
　　隨著科學技術的飛速發展，越來越多的新技術應用于機床產品的設計領域。綠色機床提出了一種全新理念：減輕機床的質量，節省材料，降低機床使用時的能源消耗。同時在機床設計中逐漸采用模塊化設計，滿足不同用戶的需求，易于產品維修、拆卸及回收，使資源得到最大限度的利用，節省資源。
　　
　　1在結構設計時減輕重量、簡化結構、優化功能進行機床設計時，多數采用類比設計法，在原有產品基礎上進行變化或改進，只要原有產品不出現問題，就把某些結構及尺寸照搬過來，或進行按比例放大，這樣做可以產生結構尺寸的富余。因此機床結構優化的空間很大，在機床幾十年的生命周期內，節能量相當可觀。
　　
　　在設計機床的整體結構時，采用結構最簡單化原則，盡量簡化設計，減少不必要的零件數。因為每一個零件的背后，都有一套完整的設計過程、從準備毛坯到產品檢查合格后入庫的生產過程、所有的管理過程、以及安裝時的調整過程。減少一個零件，就可以減少這一整套的過程，降低制造成本。在設計機床的傳動系統時，盡量縮短傳動鏈，不僅可以減少零件數目，減少空載功率損失，而且可以提高傳動精度。在零件設計過程中，同樣采用結構最簡單化原則。在機床基礎零件設計完成后進行有限元結構分析，在滿足剛度前提下，優化改進，減小某些尺寸，讓機床重量達到最小，節省材料。圖1為機床基礎大件有限元分析圖例。對一些運動部件，進行結構優化設計，既可以節省材料，又可以減輕重量、降低空運轉功率和機床使用時的能源消耗。
　　
　　以我國航空航天業的大飛機項目來說，大飛機的梁、框、肋和壁板的毛坯所用的板材或鍛件，都是重量達到幾百公斤甚至幾噸，因此需要用重型甚至是超重型的多坐標、高速、高剛性、大功率的數控龍門銑床、立式加工中心等數控加工設備。在機床設計時簡化結構、優化功能、減輕重量，能夠節省大量材料，取得良好的社會效益和經濟效益。
　　
　　2采用環保新技術，有效利用能源，保護生態環境在機床新產品設計過程當中強調對資源、能源的有效利用和對生態環境的保護，盡量減少非再生資源的消耗，節省原料。在實際中主要控制噪聲污染、廢氣污染、切削液污染、潤滑劑污染和有害物質的使用。針對上述要求，現在有很多環保新技術應用于機床產品設計中。
　　
　　例如，機床使用過程中的潤滑冷卻液是有害排放物，特別是磨削時采用的乳化液對環境和工人健康危害非常大�，F在，出現了干切削和微量潤滑（MinimizedQuantityLubricaion,MQL）技術。提高刀具的性能，不使用冷卻液，或者使用專門的裝置提供氣霧或低溫空氣（冷風），解決切削液污染的問題。圖2為微量潤滑技術的示意圖。
　　
　　同時在機床潤滑系統設計時，采用集中潤滑或者自潤滑方式可有效降低潤滑油損耗與排放，減少潤滑油對環境的污染。在現代航空航天業中，由于鎂合金密度小，比強度高，能達到減重的目的，因此得到廣泛的應用。在飛機上鎂合金用于制造壁板、翼肋、機輪輪轂、電機殼體等，在航天工業中鎂合金用于制造火箭、人造衛星等多個部件。鎂合金粉末遇水容易產生氫氣，氫易于燃燒，具有爆炸性，因此鎂合金的加工特別是采用大進給量、高速切削時不能沖水排屑，只能采用礦物油，成本很高。鎂合金具有不需研磨拋光、散熱快、不用切削液也能得到較好的表面質量的特點，因此干切削和微量潤滑等環保技術的出現，解決了航空航天行業中鎂合金材料加工的難題，降低了加工成本。
　　
　　3進行模塊化設計，便于重組和綠色再制造
　　
　　在機床新產品設計中，采用模塊化設計可以滿足不同用戶的需求，易于產品維修、拆卸及回收，使資源得到最大限度的利用，節省資源。在模塊化設計及便于回收重組方面，組合機床是一個很好的例子。組合機床是由大量的通用零部件和少量的專用部件組成的高效專用機床，當產品或工藝變化后，把原有的機床拆開，大量的通用零部件還可以重復利用到新的機床。在現有標準的基礎上，如果能夠對一些通用機床的主要零部件尺寸制定相應的標準，將有利于機床的回收、改造或重組，大大節省機床再造成本[2]。圖3與圖4分別是車削類產品和鏜銑類產品模塊化設計圖。
　　
　　結束語
　　
　　隨著新材料和新技術研究的不斷深入，大大促進了節省能源、綠色生態的新型機床的不斷發展。我國是制造業大國，提高行業自主創新能力，應用新材料、新技術開發綠色機床，實現資源循環利用，實現企業經濟效益和社會效益的整體優化，對于振興我國機床行業具有重要戰略意義，對全社會節能減排具有重大的推動作用。