綠色機(jī)床設(shè)計(jì)的新材料、新技術(shù)

制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，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，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(jì)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，各國(guó)政府制定的環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，消費(fèi)者也對(duì)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(jì)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已勢(shì)在必行。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，金屬切削機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，是工業(yè)母機(jī)，一般機(jī)床的工作年限都在三、四十年以上，屬于長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，在其生命周期內(nèi)既要消耗能源，又要產(chǎn)生固體、液體和氣體的廢棄物，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，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)。

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，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。在機(jī)械工業(yè)中，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、精度、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。

由于航空航天工業(yè)產(chǎn)品零件具有耐高溫、高強(qiáng)度、難加工、合金材料和復(fù)合材料多、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、超重型）、高速、精密、復(fù)合、智能化的趨勢(shì)發(fā)展。如何充分地發(fā)揮新材料工藝性能等優(yōu)勢(shì)，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。

包括碳素纖維、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，使機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)?；龠M(jìn)了機(jī)床加工設(shè)備向高速、精密、復(fù)合、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，或在鋼板焊接的框架內(nèi)填充混凝土，既可以節(jié)省金屬資源，又可以增加抗振性和熱穩(wěn)定性；對(duì)一些受力條件復(fù)雜的零、部件，使用像碳素纖維等新材料，不僅可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化，而且可以提高壽命；對(duì)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(jié)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(guó)家機(jī)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(jī)床的床身應(yīng)用方面，樹(shù)脂混凝土正逐漸替代傳統(tǒng)的鑄鐵。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、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(duì)于傳統(tǒng)的鑄鐵來(lái)說(shuō)具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前，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，但對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域還是空白。與傳統(tǒng)鑄鐵相比，樹(shù)脂混凝土具有以下4項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

（1）低能耗。相對(duì)于鑄鐵來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂混凝土能耗少，在制作過(guò)程中節(jié)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(shù)控機(jī)床越來(lái)越受重視，在高速切削時(shí)，工件和機(jī)器部件移動(dòng)得越來(lái)越快。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)，從而降低精度。樹(shù)脂混凝土能消除振動(dòng)，提高機(jī)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(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，如管道、電纜、傳感器、執(zhí)行器和盛液體的內(nèi)腔等。

（4）高精度。傳統(tǒng)制造床身的方式是經(jīng)過(guò)銑、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，脫模后的樹(shù)脂混凝土能達(dá)到較高的精度。此外，通過(guò)再次澆鑄還可以達(dá)到更高的精度水平。

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，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，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)，滿足不同用戶的需求，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(jié)省資源。

1在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)減輕重量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化功能進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)采用類比設(shè)計(jì)法，在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行變化或改進(jìn)，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)，或進(jìn)行按比例放大，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，在機(jī)床幾十年的生命周期內(nèi)，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)，采用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單化原則，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少不必要的零件數(shù)。因?yàn)槊恳粋€(gè)零件的背后，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、所有的管理過(guò)程、以及安裝時(shí)的調(diào)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(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，盡量縮短傳動(dòng)鏈，不僅可以減少零件數(shù)目，減少空載功率損失，而且可以提高傳動(dòng)精度。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。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，在滿足剛度前提下，優(yōu)化改進(jìn)，減小某些尺寸，讓機(jī)床重量達(dá)到最小，節(jié)省材料。圖1為機(jī)床基礎(chǔ)大件有限元分析圖例。對(duì)一些運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可以節(jié)省材料，又可以減輕重量、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)，大飛機(jī)的梁、框、肋和壁板的毛坯所用的板材或鍛件，都是重量達(dá)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(biāo)、高速、高剛性、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。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化功能、減輕重量，能夠節(jié)省大量材料，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)，有效利用能源，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)，盡量減少非再生資源的消耗，節(jié)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(rùn)滑劑污染和有害物質(zhì)的使用。針對(duì)上述要求，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，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?，F(xiàn)在，出現(xiàn)了干切削和微量潤(rùn)滑（MinimizedQuantityLubricaion,MQL）技術(shù)。提高刀具的性能，不使用冷卻液，或者使用專門(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(rùn)滑技術(shù)的示意圖。

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，減少潤(rùn)滑油對(duì)環(huán)境的污染。在現(xiàn)代航空航天業(yè)中，由于鎂合金密度小，比強(qiáng)度高，能達(dá)到減重的目的，因此得到廣泛的應(yīng)用。在飛機(jī)上鎂合金用于制造壁板、翼肋、機(jī)輪輪轂、電機(jī)殼體等，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。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(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，降低了加工成本。

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)可以滿足不同用戶的需求，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(jié)省資源。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。組合機(jī)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(jī)床，當(dāng)產(chǎn)品或工藝變化后，把原有的機(jī)床拆開(kāi)，大量的通用零部件還可以重復(fù)利用到新的機(jī)床。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)，將有利于機(jī)床的回收、改造或重組，大大節(jié)省機(jī)床再造成本[2]。圖3與圖4分別是車削類產(chǎn)品和鏜銑類產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)圖。

結(jié)束語(yǔ)

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。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，提高行業(yè)自主創(chuàng)新能力，應(yīng)用新材料、新技術(shù)開(kāi)發(fā)綠色機(jī)床，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，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，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。