基于生命周期的机床绿色制造关键技术研究.pdf

精密制造与 自动化 2 0 1 4年第 1 期 ；o 报 道 与 评 述；o 基于生命周期的机床绿色制造关键技术研究 赵 中敏 淮海工学院工程训练 中心江苏连云港 2 2 2 0 0 5 摘要针对在机床行业中正在系统全面实施的绿色制造技术，围绕机床产品生命周期进行了研究。探讨了从机 床的绿色设计、 绿色加工工艺、 机床的再制造、机床的回收再处理以及机床的数控化和智能化等绿色制造的过程， 以期对我国机床行业绿色制造的发展具有一定的促进作用。 关键词机床绿色制造关键技术产品生命周期 绿色制造是综合考虑环境影响和 资源效率的现 代制造方式。其 目标是使产品在设计、制造、包装、 运输、使用到报废处理 的整个产 品生命周期中，对 环境的影响 负作用 最小、资源效率最高，并使企 业经济效益和社会效益协调优化 。 目前，机床的 节能环保、绿色制造技术已成为研究热点，已经出 现 了不少专门从事机床再制造业务的企业 ，美 国已 有2 0 0 多 家 专 门 从 事 机 床 再 制 造 的 公 司 如 Ma i n t e n a n c e S e r v i c e C o r p ．等 。此外许多机床制造 商 如德国吉特迈集团股份公司等著名机床企业 也 非常重视机床再制造业务“ 。 然而，绿色制造是面向产品全生命周期的，目 前对 于如何系统全面地在机床行业实施绿色制造这 个 问题 ，还缺乏深入、系统的研究。从这一视角出 发 ，围绕机床产 品生命周期对机床行业绿色制造关 键技术进行 了研究，以期对机床行业提供借鉴 。 1 机床的绿色设计 绿色设计是机床绿色制造 的首要环节。为 了适 应节能、低排放 的需求，应在机床设计阶段充分考 虑环境 问题 ，考虑机床产 品在使用 过程 中的能耗 和可维护性 ，如 除尘 、润滑 、液压和冷 却系统的 改进、废弃物的处理等 ，采用高新技术和先进适用 技术、少无切削技术、干式切削技术、油气液净化 技术及其它洁净技术等方面，建立面向能源和碳排 放模型的生态化设计的知识库和数据库及相关技术 规范和标准 ，提高资源利用率和减少废弃物 ，实现 节能、节材 、无污染，发展循环经济。为了适应对 废 旧机床产品回收、再制造的要求 ，在设计阶段就 要考虑产 品的易拆解、易回收和易修理 。应使用多 功能及模块化的部件来简化产品设计结构，应注意 产品的可扩展和升级 。此外，在设计完成后，应对 产品设计方案进行综合评价，尤其是应对资源消耗 和环境影响进 行评价 ，如果满 意则作 为最终 的绿 色 设计方案 ，否则需要重 新进 行设计 。 常用 的机床优化设计技术和方法 ，如减量化设 计、 机床热平衡结构优化设计、 环境友好型设计等。 1 减量化设计。 在同一性能情况下， 零件结构 越小，所用材料就越少 ，节约了资源 的使用量 ，使 零件的绿色性能得 以提高。因此 ，在零件 的设计过 程中需要提高机械零件计算载荷的准确度，降低安 全因数，尽量使结构简单而不降低功能、原材料消 耗最少而不影响使用寿命。 2 机床热平衡结构优化设计 。 机床热平衡结构 优化设计主要是各种基础件 如床身、立柱等 内部 腔室对称结构的设计与合理布局 ，使冷却液能在内 腔循环流动，有利于机床的热平衡，使在加工过程 中的冷却油与在 内腔中循环的冷却液达到一定的动 态平衡 ，并对控制整机的温度、保证热稳定性、降 低热能排放等功 能有较好 的效果。 3 环境友好型设计 。 保证在湿式加工过程中不 产生或产生较少的污染，如采用全密封护罩，可以防 止在加工过程中切削液飞溅的现象 ；冷却油和润滑 油采用独立不同的油路，以降低冷却油、润滑油相 互混油的可能性 ； 对冷却油进行强制冷却 主要措施 是通过油冷机 并进行过滤、循环冷却；采用油雾分 精密制造与 自动化 2 0 1 4 年第 1 期 离器对加 工过程 中产 出的雾化油烟进 行分离后进 行排放 ；应用磁力排屑器对切屑与冷却液进行分 离，既可利于冷却液的循环利用 ，又可减少冷却液 随切屑的排出量。 2 机床的绿色加工工艺 在机床制造过程中，绿色加工工艺指采用先进 制造或持续改进传统制造的工艺，以改善在产品制 造过程中的资源消耗和环境污染状况 ，节约原材料 和能源，减少废物的排放，保障生产人员的职业安 全与健康 。 在切削加工过程中通常需要使用切削液 冷却 润滑液 。切削液的采购、存贮、使用和废弃处置需 要 专门的技术和物流系统 ，费用很高，大约占加工 成本 的 1 0 ％～1 5 ％。切削液使用与处置不当会对环 境造成污染 ，甚至对人 的健康造成危害 。随着对 环保 的重视和处置切 削液等废弃物 的费用 不断上 升 ，采用高速干式切削技术是在使用具有很好 的热稳定性和高刚度机床 的前提下 ，选用 具有 良 好 的导热性 、耐高温和高硬度 的刀具，在切削加工 过程 中不使用任何切削液的一种切削加工技术，可 以消除切削液 的负面影 响，是一种 符合 生态要 求 的绿色 切削加工方式。要实现高速 干式切削 ，必 须开展 高速干式切 削机床的设计 。与传统机床相 比，高速干式切削机床的床身刚性好，在强力切削 时机床 的变形小和振动小，排屑系统通畅并具有高 的热平衡性能，通过将高温切屑迅速排出，可以避 免机床温度升高。 3 机床的再制造 机床再制造过程一般包括废 旧机床的回收、拆 卸 、清洗、检测分类、机床及零部件再设计、再制 造生产加工、整机再装配、调试 、检验和销售等过 程 。一般来讲，机床再制造可分为产品级再制造和 零部件级再制造两种形式 。 3 ． 1 产品级再制造 产品级再制造对机床整体性能进行提升 ，包括 机床功能化再造、数控化升级、节能化提升等。如 机床功能化再造是解决机床最容易出现的运动精度 及重复定位精度的超差 问题 ，其典型的措施有运动 间隙的重新调整 如垫片的调整 、零件的重新修复 或加 [ 等 。此外，为了方便这类 问题 的解决，在机 2 床设计时就 需要考虑其维修的方便性 ，如设置合理 的调整环节及精度补偿环节， 以便于机床在丧失精 度后的重新恢复； 又如将镶条设计成锥度 1 1 0 0 ， 压 板设计成可由安装面与调整面组成，以考虑导轨在发 生磨损后的精度修复， 将导轨设计成三角导轨型式等。 3 ． 2 零部件级再制造 根据零部件的不同可 以分为 4个层次，即再利 用、再修复、再资源化及废弃处理。床身、立柱、工 作台、箱体等大中型铸造件的时效性和稳定性好，其 再制造的技术难度及成本就低，如重用价值高，应力 求完全重用。鉴于机床中的主轴、导轨、蜗轮副、转 台等机床功能部件的精度要求 ，在再制造过程中应 对其零件进行探伤检测 及技术性检测 ，然 后运 用 先进 制造 技术和表面工程技术对 其进行修复后再 制造 ，达 到性能要 求之后再重用 。在废 旧机床 中 还有一部分淘汰件和易损件，如 电动机 、齿轮、轴 承等零件 ，一般采用更换新件的方式以保证再制造 机床的质量， 这些废 旧件 的重用一般 会通过 降低技 术级 别，然 后在其 他产品中进行再使用 ，以实现 资源 循环 的重用 。此外 密封件 、 电气 部分通常会 作报废弃用处理。 4 机床的回收再处理 产品的可拆卸易回收设计是进行产 品绿色设计 的一种重要方法。可拆卸易回收的设计侧重考虑在 产品使用期过后 ，便于拆卸并且可以无污染地进行 回收，并且能有效地利用原有设备的材料 。_ J 江 民 制定的一种数控车床可拆卸易回收设计准则具有一 定的参考意义。根据数控车床产品的特点，在材料 选择和结构设计两个方面上制定可拆卸易回收处理 准 则 。 4 ． 1 材料选择准则 把从机床中拆卸下来的零部件进行再利用、再制 造并便于回收，在设计机床时应对材料进行选择，其 选择准则为 1 在整台机床中所采用的材料种类要尽 量的少。在产品中所采用的材料种类越少、所需要的 拆卸及分类的工作量就越小，这将有利于机床的拆 卸与回收； 2 在满足机床功能和性能要求的基础上 尽可能地减少材料的使用量 ，以达到节约材料资源 的使用 ，并可 以减少回收量 ； 3 在机床中尽量使用 相容性好的材料，相同或者相容性好的材料容易被回 收和利用 ； 4 在机床 中尽量选择 容量小 的材 料 ， 赵 中敏基于生命周期的机床绿色制造关键技术研究 其 回收和 处理消耗 的能量较 小， 对环境造成 的污染 也 比较小； 5 在产 品中应尽量不用或少用有毒或对 人体有害的材料 。使用有 毒或有害材料 ，不符合绿 色制造 以及人类可持 续发展 的要求 。如果 目前 没 有替代 品 ，在 国内外 法规规定允许 的条件下尽 量 少用 ； 6 尽量选用供应量 比较丰富的材料，少用 日 益匮乏且昂贵的材料； 7 尽量使用可再生的材料， 有 利于节 省 自然原材料并 降低成本。 4 ． 2 产品结构相关的原则 产 品结构相关的原则如下 1 尽量减少产品所需的零件数量，这有利于 减少拆卸回收的工作量； 2 尽量采用易于拆卸的连 接方式，尽量减少如铆接 、焊接和黏结等不易拆卸 的连接方式 ； 3 应尽量统一紧固件 的类型，便于减 少拆卸工具的种类和简化拆卸工作； 4 减少电线和 电缆的数量及长度 ， 这有利于 降低拆卸 回收 电线和 电缆的难度 ； 5 对产 品尽可能采用模块化设计，这 便于对产品的维护、升级和重用； 6 尽量将高价值 的零部件布置在 易于拆卸的位置，先回收高价值的 零部件，有利于提高产品回收价值； 7 将包含有毒 有害材料的零部件布置在 易于分离的位置，避免其 与非有毒有害材料的零部件在拆卸回收时混合，防 止负价值零部件 的增加； 8 避免在塑料零件 中应用 金属嵌入件或金属加强件 ，以利于对材料的粉碎回 收，可 以提高材料回收的纯度和价值 。 5 机床的数控化和智能化 实现机床绿色制造需要借助信息技术 。在实现 机床的数控化和智能化的实践中，十分需要将信息 技术与机械制造技术进行结合并从深度上加以融合。 5 ． 1 加强机床数控化 在普通机床的传动系统中，机械变速机构的传 动关系十分复杂。相比之下，由于数控机床的主传 动系统采用了交流或直流调速电动机 ，电动机的调 速范围大 ，并可以进行无级调速 ，使主轴传动机构 中的零件大大减少，降低了传动中的噪声，提高 了 传动功率 。 5 ． 2 发展机床智能化 数控机床与基础制造装备的智能化，可以提高能 源和原材料的利用效率、降低污染排放水平，可 以提 升产品的性能、文化知识含量以及技术附加值，进 而增强企业 的市场响应能力 。发展智能制造装备需 要解决的关键技术是面向制造过程状况监控和装 备性能预测 的感知与分析技术 ，实现几何与物理约 束 的智能化工艺规划和数控编程技术、智能数控系 统与伺服控制技术及智能控制技术。 5 ． 3 车间／ 工厂的数字化 在实现机床绿色制造的同时，还应在数控化、智 能化的基础上实现机械加工车间或工厂的数字化。 数 字化的车间或工厂可以利用数字化技术，特别是网 络技术 包括互联网、物联网和无线网 实时获取工 厂内外相关数据和信息，集成相关人员知识智慧地 进行产品的设计、生产、管理、销售和服务，提高 供应链、工厂和加工单元的效率 ，减少对环境的不 良影响，提高员工和用户的满意程度 。 6 结语 机床 是制造机器的工作母机， 是高端制造装备 的重要组成部分，也是实现 “ 十二五”期间大力推 进信息化和工业化进度融合 的重要载体 ，不仅在 机床的设计 、生产过程 中应 当实现绿色制造 ，所 生产的机床工具产 品也应该做到高效率 、高精度 和低 能耗，并从设计阶段就应考虑使机床工具产品 具备 良好 的再制造性能。 随着绿色制造技术 的不断发展和推广 ，对机床 从设计到管理使用再到 回收全过程 的绿色制造研 究 ，最终制造 出绿色生态型机床 。 目前 国内对绿 色机床 的研究正处于初级阶段， 仅从全生命周期的 角度做了简单的探讨，大量的深入研究还有待在今 后的实践中去完成。 参考文献 [ 1 ] 刘飞， 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