面向绿色制造的数控车床设计技术研究

引 言

机械制造业在将制造资源转化为产品的过程中以及在产品的使用和回收处理过程中，产生了大量的工业污染。随着全社会环保意识的增强，以及国际上对进出口商品环保要求的不断提高，企业家和技术人员也都意识到，若继续采用粗放型的机械制造模式，将不利于整个社会和行业的可持续发展，因此急需在机械制造业中探索和实施符合环保要求的绿色制造模式。目前，美国、加拿大、德国等一些发达国家，对绿色制造及其相关问题进行了大量的研究，随着IS014000环境管理体系系列标准的颁布，企业环境管理和绿色制造的研究更加活跃，这也引起了我国众多企业的重视。越来越多的事实证明，谁进行绿色制造，谁生产绿色产品，谁就拥有市场。

数控车床是制造业进行生产加工的主要工作母机之一，近年来，随着制造业自动化的发展和数字化加工要求的提高，其市场需求量大幅度增加，因此，开发绿色环保的数控车床尤为重要。

1 绿色设计的内涵和原则

绿色设计 (Green Design，GD)又称生态设计、环境意识设计、生命周期设计等，虽然这些设计概念在提出的初期各有侧重，但随着近年来的发展，基本上都趋于同一概念，即设计目的是为了极小化产品全生命周期过程的资源消耗和环境影响，使得其经济效益和环境效益协调优化。区别于从功能上人手、在强度上保证、以满足人的需求和解决问题为出发点的传统设计，绿色设计着重考虑产品的环境属性，即自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等，并将其作为设计目标来进行产品设计，是现代设计方法中一种全新的设计理念。图1为产品绿色设计过程中应遵循的原则}3]。绿色制造(Green Manufacturing)是高效、清洁制造方法的开发及应用，以达到绿色设计目标的要求。绿色制造涉及三部分问题：一是制造问题，贯穿于产品生命周期全过程；二是环境保护间题；三是资源优化利用间题。

2 数控车床组件的绿色设计

2.1 主传动系统的简化

普通车床的主传动系统主要是变速机构的设计，传动链多、传动关系复杂、制造周期长。与之相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，可无级调速，使主轴箱的结构大大简化；同时，由于齿轮的减少，降低了噪声，也减少了功率或效率损耗。目前，在绿色设计规范下，为简化传动链，数控车床主轴驱动主要有三种形式可供选择：①采用变频电机，可实现多档内自动无级调速；②采用主轴伺服电机，实现无级调速；③由电动机直接驱动主轴旋转，其中，主轴电动机与主轴可通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。各传动形式见图2。

2.2 床身的绿色设计与制造

床身是数控车床的主要支承件，其设计与制造是数控车床绿色制造的重要方面。目前，采用钢板焊接床身结构代替传统的铸件是床身制造的一种新工艺。由于铸造过程环境污染严重、能耗高，因此采用铸件床身不利于改善机床的绿色性能。在合理的设计和工艺安排下，钢板焊接床身结构不但可提高机床的强度和刚性，而且由于减少了铸造工艺而大大减少了机床在制造过程中的环境污染和能源消耗，具有良好的绿色制造特性。同时，为了消减车床工作中的振动，可在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相对摩擦来耗散振动能量。

需要指出的是，铸造床身因其具有材料成本低廉、铸造性能优良、易于加工、耐磨性和吸振性好等优点，被广泛采用，所以必须大力推广绿色铸造工艺。

2.3 润滑油路的绿色设计

数控车床的润滑油路主要包括主轴箱油路和导轨润滑油路。一般主轴箱油路是封闭的，机油在循环使用，不会飞溅污染环境;而导轨润滑油路则是敞开式的，主要通过安装在床身尾侧的集中润滑器集中供油，没有进行回收，是造成机加工中工作环境污染的主要因素。根据绿色设计的可回收性设计思想，为达到机油完全回收，可以对导轨润滑油路进行改造或在导轨外加辅助回油槽。此外，从导轨回流的机油，可能含有杂质，需过滤干净方可重新使用。为达到此目的，需外加一个多层回油过滤器，使从导轨回流的机油经多层过滤后再回流到油箱，从而达到机油的反复利用。

3 数控车床的可拆卸性设计

可拆卸性设计(Design for Disassembly，DFD)又称面向拆卸的设计，是绿色设计的主要内容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将产品维修或废弃后的拆卸问题考虑在内，使设计的结构易于拆卸，便于回收，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。产品拆卸性能的好坏直接影响到产品的可回收性，因此，可拆卸性设计是实现数控车床绿色制造的重要条件。

3.1 可拆却性设计的准则

在可拆卸性设计过程中引人拆卸设计准则是改善产品拆卸性能的有效方法，如果能够很好地遵守设计准则，就会大大减少产品对环境的负面影响。目前，通用的DFD准则主要包括以下几个方面：

(1)减少拆卸的工作量。包括使产品模块化，减少连接件的数量，减少使用材料的种类，采用可兼容的材料，尽量合并需要拆卸的零件，使需要拆卸的零件易于获得。

(2)防止产品结构的改变。包括避免易腐蚀材料处于腐蚀环境、避免零部件被污染等。

(3)易于拆卸。包括保证产品拆卸过程中具有稳定性，废液易于排放，使用易拆卸或破坏的紧固件，减少紧固件数量，多数零件采用相同的紧固方式，易于到达拆卸或切割位置，避免零件复杂的拆卸路径，避免塑料件内嵌人金属，零部件表面易于抓取，避免非刚性零部件，对有毒物质进行密封。

(4)易于分离。包括避免二次处理(油漆、涂层、电镀等)，避免复合材料，对不同材料进行标识，不采用可能损害拆卸回收性能的零部件和材料。

(5)减少产品组件的多样性。包括采用标准件、通用件，尽量减少紧固件的种类。

数控车床绿色设计过程中，在满足功能要求的条件下，应以上述准则为依据进行设计。下面以数控车床导轨的可拆卸性设计为例作一说明。

3.2 导轨的可拆却性设计

导轨是数控车床的主要构件之一，它的精度直接影响加工工件的尺寸精度。传统的钢一镶钢导轨由于存在低速进给时爬行、易磨损等缺点，近年来已逐渐被贴塑导轨和滚珠导轨所取代。

贴塑就是在导轨滑动面上贴一种由聚四氟乙烯和添加青铜粉、二硫化钥及石墨等多种材料复合成的软带。它可使导轨的摩擦系数降低，稳定性、吸振性更好。根据绿色设计的可拆卸性设计思想，在数控车床中采用贴塑导轨，其耐磨性好，能有效地防止爬行，具有自润滑性，提高了导轨寿命，机床报废后贴塑层易分离，并且导轨和床身可重复使用，明显降低了制造和维护成本，具有良好的经济和生态效益。据验证，贴塑导轨的使用寿命为普通铸铁导轨的8倍一10倍，同时刮研修配容易、更换方便。

3.3 数控车床的模块化设计

产品的模块化设计可以减少拆卸的工作量，解决产品品种规格、设计制造周期和生产成本之间的矛盾，同时又可为提高产品质量、方便维修，增强产品竞争力提供必要条件。东京大学的研究人员提出了模块化的若干特征：技术成熟，功能可升级，寿命长，易于保证品质，易于清洗、修复等。数控车床的模块化设计主要包括床身、主轴箱、进给系统、床鞍、刀架、尾座等部分。

4 结 论

数控车床的绿色设计是综合考虑了产品质量、功能、寿命和环境的系统设计方法。本文对数控车床的绿色设计技术进行了部分讨论，表明其具有很大的应用前景。近年来绿色设计技术发展迅速，国外的绿色设计应用效果明显，我们应将绿色设计研究成果尽快付诸实施，以促进机床行业的可持续发展。