綠色機床設計的新材料、新技術

制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，雖然為社會創(chuàng)造了豐富的物質(zhì)財富，但是要消耗大量的資源，還會造成環(huán)境污染。目前，環(huán)境問題已經(jīng)日益成為影響社會經(jīng)濟發(fā)展的一個關鍵因素，各國政府制定的環(huán)保法規(guī)越來越嚴格，消費者也對環(huán)境管理極大關注。因此，如何減少資源消耗和環(huán)境污染是21世紀制造業(yè)面臨的重大問題。為此，在制造業(yè)實施綠色制造技術，貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已勢在必行。機械制造業(yè)在我國的節(jié)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)保的新型機床成為當前研究的熱點。

綠色機床設計的新材料

隨著現(xiàn)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(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)濟各個領域。在機械工業(yè)中，新材料的出現(xiàn)和應用使一些傳統(tǒng)的加工工藝發(fā)生了重大變化?，F(xiàn)代航空航天業(yè)等高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)中的應用，使機床結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)?；?，促進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(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(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)業(yè)中，新型材料樹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，樹脂混凝土正逐漸替代傳統(tǒng)的鑄鐵。樹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、不同來源）和環(huán)氧樹脂（作為粘合劑）為主的混合物，相對于傳統(tǒng)的鑄鐵來說具有很大的優(yōu)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(tǒng)鑄鐵相比，樹脂混凝土具有以下4項優(yōu)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(jié)省大約30%的能量消耗。在面臨電力、天然氣、煤等能源短缺問題的今天，使用如樹脂混凝土之類造價低廉并能回收的環(huán)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(shù)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(zhuǎn)速、進給速度和增加零部件重量將會產(chǎn)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(yōu)點。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)過銑、磨加工以后再安裝線性導軌。因為傳統(tǒng)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(fā)展，越來越多的新技術應用于機床產(chǎn)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(zhì)量，節(jié)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(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)設計時減輕重量、簡化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化功能進行機床設計時，多數(shù)采用類比設計法，在原有產(chǎn)品基礎上進行變化或改進，只要原有產(chǎn)品不出現(xiàn)問題，就把某些結(jié)構(gòu)及尺寸照搬過來，或進行按比例放大，這樣做可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)尺寸的富余。因此機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很大，在機床幾十年的生命周期內(nèi)，節(jié)能量相當可觀。

在設計機床的整體結(jié)構(gòu)時，采用結(jié)構(gòu)最簡單化原則，盡量簡化設計，減少不必要的零件數(shù)。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(chǎn)品檢查合格后入庫的生產(chǎn)過程、所有的管理過程、以及安裝時的調(diào)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(tǒng)時，盡量縮短傳動鏈，不僅可以減少零件數(shù)目，減少空載功率損失，而且可以提高傳動精度。在零件設計過程中，同樣采用結(jié)構(gòu)最簡單化原則。在機床基礎零件設計完成后進行有限元結(jié)構(gòu)分析，在滿足剛度前提下，優(yōu)化改進，減小某些尺寸，讓機床重量達到最小，節(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，既可以節(jié)省材料，又可以減輕重量、降低空運轉(zhuǎn)功率和機床使用時的能源消耗。

以我國航空航天業(yè)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(shù)控龍門銑床、立式加工中心等數(shù)控加工設備。在機床設計時簡化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化功能、減輕重量，能夠節(jié)省大量材料，取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2采用環(huán)保新技術，有效利用能源，保護生態(tài)環(huán)境在機床新產(chǎn)品設計過程當中強調(diào)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(jié)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(zhì)的使用。針對上述要求，現(xiàn)在有很多環(huán)保新技術應用于機床產(chǎn)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(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(tǒng)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(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(wèi)星等多個部件。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(zhì)量的特點，因此干切削和微量潤滑等環(huán)保技術的出現(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(chǎn)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(xiàn)有標準的基礎上，如果能夠?qū)σ恍┩ㄓ脵C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(jié)省機床再造成本[2]。圖3與圖4分別是車削類產(chǎn)品和鏜銑類產(chǎn)品模塊化設計圖。

結(jié)束語

隨著新材料和新技術研究的不斷深入，大大促進了節(jié)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、新技術開發(fā)綠色機床，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的整體優(yōu)化，對于振興我國機床行業(yè)具有重要戰(zhàn)略意義，對全社會節(jié)能減排具有重大的推動作用。