【編者按】隨著新材料和新技術(shù)研究的不斷深入，大大促進(jìn)了節(jié)省能源、綠色生態(tài)的新型機(jī)床的不斷發(fā)展逾苫。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，提高行業(yè)自主創(chuàng)新能力枚钓，應(yīng)用新材料馅块、新技術(shù)開(kāi)發(fā)綠色機(jī)床，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用喳卫，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的整體優(yōu)化吨争，對(duì)于振興我國(guó)機(jī)床行業(yè)具有重要戰(zhàn)略意義，對(duì)全社會(huì)節(jié)能減排具有重大的推動(dòng)作用硫红。

　　綠色機(jī)床設(shè)計(jì)的意義
　　制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)绊蚯，雖然為社會(huì)創(chuàng)造了豐富的物質(zhì)財(cái)富，但是要消耗大量的資源综姜，還會(huì)造成環(huán)境污染箭堆。目前，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)日益成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素挽钧，各國(guó)政府制定的環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格猿异，消費(fèi)者也對(duì)環(huán)境管理極大關(guān)注。因此熊朵，如何減少資源消耗和環(huán)境污染是21世紀(jì)制造業(yè)面臨的重大問(wèn)題兢涡。為此赛喊，在制造業(yè)實(shí)施綠色制造技術(shù)，貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已勢(shì)在必行局待。機(jī)械制造業(yè)在我國(guó)的節(jié)能減排工作中起舉足輕重的作用八千，金屬切削機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，是工業(yè)母機(jī)燎猛，一般機(jī)床的工作年限都在三恋捆、四十年以上，屬于長(zhǎng)壽命產(chǎn)品重绷，在其生命周期內(nèi)既要消耗能源沸停，又要產(chǎn)生固體、液體和氣體的廢棄物昭卓，對(duì)工作環(huán)境和自然環(huán)境造成直接或間接的污染[1].所以愤钾，節(jié)省能源、綠色環(huán)保的新型機(jī)床成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)候醒。
　　綠色機(jī)床設(shè)計(jì)的新材料
　　隨著現(xiàn)代工程技術(shù)和科學(xué)技術(shù)對(duì)材料性能要求的不斷提高能颁，新材料的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展，以復(fù)合材料為代表的新材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域倒淫。在機(jī)械工業(yè)中伙菊，新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用使一些傳統(tǒng)的加工工藝發(fā)生了重大變化。現(xiàn)代航空航天業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)數(shù)控機(jī)床與裝備的性能祭静、精度纷沽、加工能力的要求日趨提高，帶動(dòng)和促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床與裝備制造業(yè)的發(fā)展姻粱。
　　由于航空航天工業(yè)產(chǎn)品零件具有耐高溫讹唧、高強(qiáng)度、難加工研镀、合金材料和復(fù)合材料多剃坦、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件多和工藝要求高等特點(diǎn)，要求機(jī)床加工設(shè)備朝大型（重型焙檀、超重型）绝电、高速、精密谢奕、復(fù)合砖军、智能化的趨勢(shì)發(fā)展辱甫。如何充分地發(fā)揮新材料工藝性能等優(yōu)勢(shì)遍送，把它應(yīng)用于實(shí)際，成為新時(shí)期機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要課題店诗。
　　包括碳素纖維裹刮、陶瓷和復(fù)合材料等新材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用音榜，使機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)迸跗化赠叼，促進(jìn)了機(jī)床加工設(shè)備向高速、精密违霞、復(fù)合嘴办、智能化方向發(fā)展。如機(jī)床的大尺寸支承件使用人造花崗石买鸽，或在鋼板焊接的框架內(nèi)填充混凝土涧郊，既可以節(jié)省金屬資源，又可以增加抗振性和熱穩(wěn)定性眼五；對(duì)一些受力條件復(fù)雜的零妆艘、部件，使用像碳素纖維等新材料看幼，不僅可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化批旺，而且可以提高壽命；對(duì)一些高硬度耐磨件缠染，使用陶瓷等材料代替高硬度鋼猪玛，既可以減輕重量，又可以節(jié)省貴重金屬資源骡梨，還可以省去高硬度鋼在加工過(guò)程中需多次進(jìn)行的阀恳、耗時(shí)耗能的熱處理工序。
　　例如寻癌，在歐美等國(guó)家機(jī)床產(chǎn)業(yè)中薇榨，新型材料樹(shù)脂混凝土得到了很大的發(fā)展，特別是在高精度機(jī)床的床身應(yīng)用方面绪封，樹(shù)脂混凝土正逐漸替代傳統(tǒng)的鑄鐵魏颠。樹(shù)脂混凝土是一種新興結(jié)構(gòu)材料，是一種由天然礦石（不同尺寸历扭、不同來(lái)源）和環(huán)氧樹(shù)脂（作為粘合劑）為主的混合物软苗，相對(duì)于傳統(tǒng)的鑄鐵來(lái)說(shuō)具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前棺氢，越來(lái)越多的國(guó)際機(jī)床制造商開(kāi)始設(shè)計(jì)使用樹(shù)脂混凝土的機(jī)床心爷，但對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域還是空白肃续。與傳統(tǒng)鑄鐵相比黍檩，樹(shù)脂混凝土具有以下4項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：
　　（1）低能耗始锚。相對(duì)于鑄鐵來(lái)說(shuō)刽酱，樹(shù)脂混凝土能耗少喳逛，在制作過(guò)程中節(jié)省大約30%的能量消耗。在面臨電力棵里、天然氣润文、煤等能源短缺問(wèn)題的今天，使用如樹(shù)脂混凝土之類(lèi)造價(jià)低廉并能回收的環(huán)保材料是最理想的選擇殿怜，樹(shù)脂混凝土垃圾和舊的床身可以作為建筑原料典蝌。
　　（2）吸振性好头谜。如今赠法，精密數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受重視，在高速切削時(shí)乔夯，工件和機(jī)器部件移動(dòng)得越來(lái)越快猴宾。提高轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和增加零部件重量將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)醇疮，從而降低精度漆埋。樹(shù)脂混凝土能消除振動(dòng)，提高機(jī)床的精度巴移。
　∧稀（3）高度整合性。和900℃澆鑄溫度的鑄鐵相比較瞭驴，樹(shù)脂混凝±45℃的澆鑄溫度是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)翻萨。傳統(tǒng)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退钱，如管道俄蔗、電纜、傳感器欠诊、執(zhí)行器和盛液體的內(nèi)腔等蛀漆。
　　（4）高精度臣疑。傳統(tǒng)制造床身的方式是經(jīng)過(guò)銑盔憨、磨加工以后再安裝線性導(dǎo)軌。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鑄件在脫模以后的精度較低讯沈，脫模后的樹(shù)脂混凝土能達(dá)到較高的精度郁岩。此外，通過(guò)再次澆鑄還可以達(dá)到更高的精度水平缺狠。
　　綠色機(jī)床設(shè)計(jì)的新技術(shù)
　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展问慎，越來(lái)越多的新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。綠色機(jī)床提出了一種全新理念：減輕機(jī)床的質(zhì)量，節(jié)省材料蝴乔，降低機(jī)床使用時(shí)的能源消耗。同時(shí)在機(jī)床設(shè)計(jì)中逐漸采用模塊化設(shè)計(jì)驮樊，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求薇正，易于產(chǎn)品維修、拆卸及回收囚衔，使資源得到最大限度的利用挖腰，節(jié)省資源。
　　1在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)減輕重量练湿、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)场时、優(yōu)化功能進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)采用類(lèi)比設(shè)計(jì)法谴疾，在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行變化或改進(jìn)强进，只要原有產(chǎn)品不出現(xiàn)問(wèn)題，就把某些結(jié)構(gòu)及尺寸照搬過(guò)來(lái)昭怕，或進(jìn)行按比例放大袱族，這樣做可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)尺寸的富余。因此機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很大裙都，在機(jī)床幾十年的生命周期內(nèi)渔舵，節(jié)能量相當(dāng)可觀。
　　在設(shè)計(jì)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)時(shí)咽皮，采用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單化原則劈遂，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少不必要的零件數(shù)痒渊。因?yàn)槊恳粋€(gè)零件的背后疮炼，都有一套完整的設(shè)計(jì)過(guò)程、從準(zhǔn)備毛坯到產(chǎn)品檢查合格后入庫(kù)的生產(chǎn)過(guò)程蝇裤、所有的管理過(guò)程趁尼、以及安裝時(shí)的調(diào)整過(guò)程。減少一個(gè)零件猖辫，就可以減少這一整套的過(guò)程酥泞，降低制造成本。在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)啃憎，盡量縮短傳動(dòng)鏈芝囤，不僅可以減少零件數(shù)目，減少空載功率損失辛萍，而且可以提高傳動(dòng)精度悯姊。在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣采用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單化原則贩毕。在機(jī)床基礎(chǔ)零件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析悯许，在滿(mǎn)足剛度前提下仆嗦，優(yōu)化改進(jìn)，減小某些尺寸先壕，讓機(jī)床重量達(dá)到最小瘩扼，節(jié)省材料。圖1為機(jī)床基礎(chǔ)大件有限元分析圖例熊赦。對(duì)一些運(yùn)動(dòng)部件农幢，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可以節(jié)省材料疆逸，又可以減輕重量肩容、降低空運(yùn)轉(zhuǎn)功率和機(jī)床使用時(shí)的能源消耗。
　　以我國(guó)航空航天業(yè)的大飛機(jī)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)巢段，大飛機(jī)的梁勘米、框、肋和壁板的毛坯所用的板材或鍛件疯忽，都是重量達(dá)到幾百公斤甚至幾噸繁莲，因此需要用重型甚至是超重型的多坐標(biāo)、高速吩伊、高剛性拢胆、大功率的數(shù)控龍門(mén)銑床、立式加工中心等數(shù)控加工設(shè)備便螟。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)猛计、優(yōu)化功能、減輕重量爆捞，能夠節(jié)省大量材料奉瘤，取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
　　2采用環(huán)保新技術(shù)煮甥，有效利用能源盗温，保護(hù)生態(tài)環(huán)境在機(jī)床新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中強(qiáng)調(diào)對(duì)資源、能源的有效利用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)成肘，盡量減少非再生資源的消耗卖局，節(jié)省原料。在實(shí)際中主要控制噪聲污染双霍、廢氣污染砚偶、切削液污染、潤(rùn)滑劑污染和有害物質(zhì)的使用洒闸。針對(duì)上述要求染坯，現(xiàn)在有很多環(huán)保新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。
　　例如，機(jī)床使用過(guò)程中的潤(rùn)滑冷卻液是有害排放物单鹿，特別是磨削時(shí)采用的乳化液對(duì)環(huán)境和工人健康危害非常大「握洌現(xiàn)在，出現(xiàn)了干切削和微量潤(rùn)滑（MinimizedQuantityLubricaion楚辆，MQL）技術(shù)芍司。提高刀具的性能，不使用冷卻液芒极，或者使用專(zhuān)門(mén)的裝置提供氣霧或低溫空氣（冷風(fēng)）忽愧，解決切削液污染的問(wèn)題崇已。圖2為微量潤(rùn)滑技術(shù)的示意圖户挟。
　　同時(shí)在機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用集中潤(rùn)滑或者自潤(rùn)滑方式可有效降低潤(rùn)滑油損耗與排放贱起，減少潤(rùn)滑油對(duì)環(huán)境的污染中痴。在現(xiàn)代航空航天業(yè)中，由于鎂合金密度小迫扫，比強(qiáng)度高疮窟，能達(dá)到減重的目的，因此得到廣泛的應(yīng)用诬絮。在飛機(jī)上鎂合金用于制造壁板鬼癣、翼肋、機(jī)輪輪轂啤贩、電機(jī)殼體等待秃，在航天工業(yè)中鎂合金用于制造火箭、人造衛(wèi)星等多個(gè)部件痹屹。鎂合金粉末遇水容易產(chǎn)生氫氣章郁，氫易于燃燒，具有爆炸性志衍，因此鎂合金的加工特別是采用大進(jìn)給量暖庄、高速切削時(shí)不能沖水排屑，只能采用礦物油楼肪，成本很高培廓。鎂合金具有不需研磨拋光、散熱快春叫、不用切削液也能得到較好的表面質(zhì)量的特點(diǎn)医舆，因此干切削和微量潤(rùn)滑等環(huán)保技術(shù)的出現(xiàn)，解決了航空航天行業(yè)中鎂合金材料加工的難題象缀，降低了加工成本彪饺。
　　進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，便于重組和綠色再制造
　　在機(jī)床新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求通冕，易于產(chǎn)品維修阱纷、拆卸及回收，使資源得到最大限度的利用创炉，節(jié)省資源辞唤。在模塊化設(shè)計(jì)及便于回收重組方面，組合機(jī)床是一個(gè)很好的例子尺那。組合機(jī)床是由大量的通用零部件和少量的專(zhuān)用部件組成的高效專(zhuān)用機(jī)床为巾，當(dāng)產(chǎn)品或工藝變化后，把原有的機(jī)床拆開(kāi)丹自，大量的通用零部件還可以重復(fù)利用到新的機(jī)床彰朴。在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，如果能夠?qū)σ恍┩ㄓ脵C(jī)床的主要零部件尺寸制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)弹值，將有利于機(jī)床的回收据智、改造或重組，大大節(jié)省機(jī)床再造成本[2].圖3與圖4分別是車(chē)削類(lèi)產(chǎn)品和鏜銑類(lèi)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)圖豫尽。
　　

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