綠色機床設計的新材料、新技術(shù)

制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，雖然為社會(huì )創(chuàng )造了豐富的物質(zhì)財富，但是要消耗大量的資源，還會(huì )造成環(huán)境污染。目前，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)日益成為影響社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，各國政府制定的環(huán)保法規越來(lái)越嚴格，消費者也對環(huán)境管理極大關(guān)注。因此，如何減少資源消耗和環(huán)境污染是21世紀制造業(yè)面臨的重大問(wèn)題。為此，在制造業(yè)實(shí)施綠色制造技術(shù)，貫徹可持續發(fā)展戰略已勢在必行。機械制造業(yè)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(yè)母機，一般機床的工作年限都在三、四十年以上，屬于長(cháng)壽命產(chǎn)品，在其生命周期內既要消耗能源，又要產(chǎn)生固體、液體和氣體的廢棄物，對工作環(huán)境和自然環(huán)境造成直接或間接的污染[1]。所以，節省能源、綠色環(huán)保的新型機床成為當前研究的熱點(diǎn)。

綠色機床設計的新材料

隨著(zhù)現代工程技術(shù)和科學(xué)技術(shù)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(fā)展，以復合材料為代表的新材料已經(jīng)廣泛地應用于國民經(jīng)濟各個(gè)領(lǐng)域。在機械工業(yè)中，新材料的出現和應用使一些傳統的加工工藝發(fā)生了重大變化?，F代航空航天業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(dòng)和促進(jìn)了數控機床與裝備制造業(yè)的發(fā)展。

由于航空航天工業(yè)產(chǎn)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(diǎn)，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(fā)展。如何充分地發(fā)揮新材料工藝性能等優(yōu)勢，把它應用于實(shí)際，成為新時(shí)期機床設計領(lǐng)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(huán)?；?，促進(jìn)了機床加工設備向高速、精密、復合、智能化方向發(fā)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(guò)程中需多次進(jìn)行的、耗時(shí)耗能的熱處理工序。

例如，在歐美等國家機床產(chǎn)業(yè)中，新型材料樹(shù)脂混凝土得到了很大的發(fā)展，特別是在高精度機床的床身應用方面，樹(shù)脂混凝土正逐漸替代傳統的鑄鐵。樹(shù)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(lái)源）和環(huán)氧樹(shù)脂（作為粘合劑）為主的混合物，相對于傳統的鑄鐵來(lái)說(shuō)具有很大的優(yōu)勢。目前，越來(lái)越多的國際機床制造商開(kāi)始設計使用樹(shù)脂混凝土的機床，但對于中國市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域還是空白。與傳統鑄鐵相比，樹(shù)脂混凝土具有以下4項優(yōu)勢：

（1）低能耗。相對于鑄鐵來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂混凝土能耗少，在制作過(guò)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(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，樹(shù)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(lái)越受重視，在高速切削時(shí)，工件和機器部件移動(dòng)得越來(lái)越快。提高轉速、進(jìn)給速度和增加零部件重量將會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，從而降低精度。樹(shù)脂混凝土能消除振動(dòng)，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(shù)脂混凝±45℃的澆鑄溫度是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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(jīng)過(guò)銑、磨加工以后再安裝線(xiàn)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(shù)脂混凝土能達到較高的精度。此外，通過(guò)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(shù)

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)應用于機床產(chǎn)品的設計領(lǐng)域。綠色機床提出了一種全新理念：減輕機床的質(zhì)量，節省材料，降低機床使用時(shí)的能源消耗。同時(shí)在機床設計中逐漸采用模塊化設計，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求，易于產(chǎn)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(shí)減輕重量、簡(jiǎn)化結構、優(yōu)化功能進(jìn)行機床設計時(shí)，多數采用類(lèi)比設計法，在原有產(chǎn)品基礎上進(jìn)行變化或改進(jìn)，只要原有產(chǎn)品不出現問(wèn)題，就把某些結構及尺寸照搬過(guò)來(lái)，或進(jìn)行按比例放大，這樣做可以產(chǎn)生結構尺寸的富余。因此機床結構優(yōu)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(guān)。

在設計機床的整體結構時(shí)，采用結構最簡(jiǎn)單化原則，盡量簡(jiǎn)化設計，減少不必要的零件數。因為每一個(gè)零件的背后，都有一套完整的設計過(guò)程、從準備毛坯到產(chǎn)品檢查合格后入庫的生產(chǎn)過(guò)程、所有的管理過(guò)程、以及安裝時(shí)的調整過(guò)程。減少一個(gè)零件，就可以減少這一整套的過(guò)程，降低制造成本。在設計機床的傳動(dòng)系統時(shí)，盡量縮短傳動(dòng)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(dòng)精度。在零件設計過(guò)程中，同樣采用結構最簡(jiǎn)單化原則。在機床基礎零件設計完成后進(jìn)行有限元結構分析，在滿(mǎn)足剛度前提下，優(yōu)化改進(jìn)，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(dòng)部件，進(jìn)行結構優(yōu)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(shí)的能源消耗。

以我國航空航天業(yè)的大飛機項目來(lái)說(shuō)，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(mén)銑床、立式加工中心等數控加工設備。在機床設計時(shí)簡(jiǎn)化結構、優(yōu)化功能、減輕重量，能夠節省大量材料，取得良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

2采用環(huán)保新技術(shù)，有效利用能源，保護生態(tài)環(huán)境在機床新產(chǎn)品設計過(guò)程當中強調對資源、能源的有效利用和對生態(tài)環(huán)境的保護，盡量減少非再生資源的消耗，節省原料。在實(shí)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(zhì)的使用。針對上述要求，現在有很多環(huán)保新技術(shù)應用于機床產(chǎn)品設計中。

例如，機床使用過(guò)程中的潤滑冷卻液是有害排放物，特別是磨削時(shí)采用的乳化液對環(huán)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(shù)。提高刀具的性能，不使用冷卻液，或者使用專(zhuān)門(mén)的裝置提供氣霧或低溫空氣（冷風(fēng)），解決切削液污染的問(wèn)題。圖2為微量潤滑技術(shù)的示意圖。

同時(shí)在機床潤滑系統設計時(shí)，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(huán)境的污染。在現代航空航天業(yè)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(yè)中鎂合金用于制造火箭、人造衛星等多個(gè)部件。鎂合金粉末遇水容易產(chǎn)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(jìn)給量、高速切削時(shí)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(zhì)量的特點(diǎn)，因此干切削和微量潤滑等環(huán)保技術(shù)的出現，解決了航空航天行業(yè)中鎂合金材料加工的難題，降低了加工成本。

進(jìn)行模塊化設計，便于重組和綠色再制造

在機床新產(chǎn)品設計中，采用模塊化設計可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求，易于產(chǎn)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(gè)很好的例子。組合機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)用機床，當產(chǎn)品或工藝變化后，把原有的機床拆開(kāi)，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(chē)削類(lèi)產(chǎn)品和鏜銑類(lèi)產(chǎn)品模塊化設計圖。

結束語(yǔ)

隨著(zhù)新材料和新技術(shù)研究的不斷深入，大大促進(jìn)了節省能源、綠色生態(tài)的新型機床的不斷發(fā)展。我國是制造業(yè)大國，提高行業(yè)自主創(chuàng )新能力，應用新材料、新技術(shù)開(kāi)發(fā)綠色機床，實(shí)現資源循環(huán)利用，實(shí)現企業(yè)經(jīng)濟效益和社會(huì )效益的整體優(yōu)化，對于振興我國機床行業(yè)具有重要戰略意義，對全社會(huì )節能減排具有重大的推動(dòng)作用。