“绿色化”数控机床的特征及实现途径

陈炯

（嘉兴技师学院，浙江嘉兴314000）

“绿色化”数控机床的特征及实现途径

陈炯

（嘉兴技师学院，浙江嘉兴314000）

日益加剧的资源危机和日趋严重的环境污染迫使数控机床必须在功能、性能上做出对应的发展，文中介绍了各大数控机床生产商践行绿色设计理念及采用新材料、新结构、新工艺，使机床在节能环保方面精彩纷呈。

材料；结构；能耗；部件；工艺；装置

0 引言

多年以来，机床产品的追求目标是精度、速度、功率等能力指标；随着日益加剧的资源危机和日趋严重的环境污染，数控机床必须将发展方向从片面提高能力指标转移到追求整体效益指标提升的轨道上来，从而以尽可能低的投入获得尽可能多的产出，并把数控机床产品整个生命周期内各种活动对环境、人员的负面影响降低到最低的程度。

从近十年的世界四大机床展览会中，我们可以发现各大数控机床生产商都在努力践行着“节约资源、减少排放、延伸回收”的理念，将“绿色化”贯穿于数控机床产品的设计、制造、运用、回收处理等各环节，所推出的数控加工设备表现出如下的一些特征。

1 采用新型材料、结构制造机床结构件、移动部件

在传统的机床设计理念中，机床的刚度是加工精度的基础，提高机床刚度就必须增加机床重量；由此，机床重量的80%用于“保证”机床的刚度，而只有20%用于满足机床运动学的需要。因而，机床结构优化的空间很大；在保证机床刚度的前提下，通过采用新结构、新材料，实现数控机床结构件、移动部件的轻量化，从而可大幅度地降低机床制造、使用过程中的能耗。

1.1 新型材料

新型材料包括树脂混凝土、矿物铸件、大理石、碳素纤维、泡沫金属、混合材料（在钢焊接结构内充填树脂混凝土）等。如利用泡沫金属轻质、高比强度的特点来制造机床的移动部件，可以显著减轻机床移动部件的重量。如瑞士GFAC公司的米克朗HPM 1850U龙门加工中心（如图1所示）的滑枕由泡沫金属复合板制造，整体重量减轻了300 kg，因而可以选配更小功率的伺服电机来驱动，显著降低了机床使用时的能源消耗。

1.2 新型结构

新型结构主要有“箱中箱”结构、焊接结构、桁架结构、重心驱动结构等。如德国EEWPROTEC公司的HSMModal高速五轴加工中心（如图2所示），横梁采用由碳素纤维型材组成的双桁架结构，大幅度降低了运动部件的质量，既提高了机床的进给速度，又降低了能耗。必须指出的是，新型材料、新型结构运用的前提条件是能大幅度地提高数控机床的性能，如采用树脂混凝土制造床身，能使机床的阻尼特性得到极大的提升，为精密、高速加工提供切实的保证。如果新型材料、新型结构不能满足这一前提条件，即使具有再好的环保特性，在机床制造领域也没有运用价值。

图2 HSM-Modal高速五轴加工中心

2 机床采用新型结构形式

图3 双主轴加工中心

2.1 多主轴结构

即一台数控机床具有两根乃至多根并列布置的主轴（如图3所示），目前市场上的多主轴机床多为立式或卧式加工中心。

由于多主轴加工中心的主轴在所有方向上都同步运动，工件的空间回转轨迹也完全同步，与单主轴加工中心相比，多主轴加工中心的单位时间产出量极高，而操作人员仍只需1人，冷却润滑系统、驱动系统、控制系统也只安装一套，因而节能减排效果显著。

2.2 并联结构

并联结构机床是运用多杆并联联接机构将机床的动平台和静平台连接起来，通过控制杆系中杆的长度，使杆系支持的平台（一般为主轴）获得相应的直线运动和转动。

与采用串联结构方式的机床相比，并联结构使机床的刚度更高，结构更简化，动态性能更优越；有利于取消大型结构件，显著降低机床制造过程中的能源消耗和环境污染；有利于采用高效率的电传动，有效降低使用中的能源消耗。

目前，并联机床通过减少杆数、自由度的数目，采用串并联结构等措施，较好地克服了有效加工空间小、加工精度易于受到杆件热变形影响等缺陷，在航空、航天、汽车等领域得到了较为广泛的运用（如图4所示）。

图4 采用混联结构的并联机床

2.3 模块化结构

即数控机床是由按模块化原则设计、制造出来的不同的功能模块组合、拼装而成的。如德国Spinner公司的U系列加工中心（如图5所示），模块化设计使其能使用相同的床身和直线进给驱动系统搭配出不同规格、型号的机床：基本3轴型号U3-620，带B轴的4轴型号U4-620，带台中台式转台的5轴型号U5-620，固定台面和转台并列的5轴型号U5-1520及U5-2520（U5-1520和U5-2520加长了X轴行程）等。

图5 Spinner公司的U系列加工中心

模块化结构确保了用户得到的机床产品既能满足加工要求，又尽可能做到简化、集约，从而降低了机床制造、使用时的能耗，有利于产品的升级、维修、拆卸及回收。

3 降低数控机床能耗的各种措施

据相关统计，数控机床在使用过程中对环境产生的不利影响，占机床从制造、使用到弃置的整个生命周期中对环境总影响量的94%～99%；与此对应的是，机床使用过程中切削所耗用的功率只占到总消耗功率的25%左右，各种损耗和辅助功能占去总消耗功率的大部分。由此可见，提高机床能源的利用率具有很大的实施空间。当前，降低数控机床能耗主要采取以下的一些措施与技术。

3.1 降低待机能耗

通过选用耗电更少的功能部件和在非待机时能够自动关闭电源的部件来降低待机能耗。如采用LED数控机床照明灯，使工作区域照明更好，照明灯使用寿命更长，维护费用更低，所需能耗也更低；又如当处于加工间歇时，数控系统控制机器进入睡眠模式，只保留CNC、NCU、伺服系统及位置检测装置的供电，从而既保证机床的可连续性工作，又大大降低了能源消耗和噪声/热排放；再如为数控机床的开关柜配置高效冷却装置，通过最佳的冷风循环，使开关柜达到理想的通风效果，并大幅度地降低能耗（如图6所示）。

图6 配置高效冷却装置的控制柜

3.2 降低空载能耗

对于主轴电动机加速和制动时的大额度耗电，通过采用基于IGBT晶体管技术的主轴变频模块和电能反馈技术（将电机制动时电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网）来达到降低能耗的目的。

改进换刀机构的结构，缩短换刀时间，也可节约可观的能源消耗。如德国Chiron公司的加工中心所配置的篮式刀库（如图7所示），备用刀具围绕主轴轴心圆周布置，换刀时，用平行四边形的栏杆原理，实现径向直接刀对刀交换，用时仅为0.9s。

图7 篮式刀库

3.3 降低加工能耗

采用高效率的驱动部件。如采用效率为95%～97%的永磁同步电动机作为数控机床电主轴的电机；采用直线电动机和力矩电动机实现数控机床的进给运动、回转运动。

对于滚珠丝杠、滚珠螺母组件，滚动导轨、滚动滑块等传动件，在满足刚度、强度的前提下，采用空心化、“减肥”等措施，可改善其动态特性并减小能耗。

采用变频技术，使液压泵和冷却液只提供与当前加工需要相匹配的能源使用量；为液压系统配置蓄能器，将部件不运动时的液压能储存起来，并在短时间满足提供大流量的需求。

采用轻型结构的夹具，如数控车床采用碳质轻型卡盘（如图8所示），实现主轴较快的加速、减速，从而缩短工件加工时间，降低加工能耗。

图8 碳质轻型卡盘

4 采用“绿色”加工工艺

在生产中，通过采用“绿色”加工工艺，尽可能地减少或不使用切削液；从而既避免切削液对环境的污染和危害工人健康，又解决了制备、利用、回收和处理困难、成本高的问题。目前，在生产实际中主要运用的有三种方式：

1）干切削。相对湿切削，干切削（如图9所示）完全不用冷却润滑液，不产生烟雾及油污排放；在数控加工中，采用干切削最多的是滚齿机。

图9 干式切削

需要指出的是，干切削也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削；如MAG公司开发的微量液氮低温切削技术，液氮从直接贯通主轴/刀具中心的冷却通道喷射到切削区域，从而保证了钛合金的高效切削加工（如图10所示）。

图10 液氮低温切削技术

2）准干式切削（MQL）。在实际应用中，对于某些加工方式和工件组合，很难实现完全不使用切削液；通常采用让极微量的润滑剂（通常是油，当然也有用乳化剂和水的）与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。准干式切削主要用于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床。

3）硬切削。硬切削是指对硬度大于54HRC的材料直接进行切削加工（如图11所示）。当前，不使用冷却液的硬车削是硬切削最主要的应用形式，以替代磨削完成淬硬后的轴类、盘类等零件的精加工。

图11 硬切削（以车代磨）

5 改进润滑方式，选用新型功能部件，以减少润滑用油量

5.1 改变润滑的实现方式

数控机床在普遍采用集中润滑方式的基础上，改变定时、定量向丝杠和线性导轨等供润滑油进行润滑的方式，由控制系统根据导轨、丝杠的实际运动的距离进行润滑，有效地降低润滑油的无谓损耗，减少润滑油对环境的污染。

对于高速主轴的轴承，摈弃油雾润滑法，采用油气润滑法、微量润滑法。油气润滑法既精确控制润滑油量，又解决了油雾润滑法污染环境、损害操作人员健康的缺陷，所能达到的dmN值为2.0×106左右。为了提高润滑的效果，油气润滑法普遍与环下润滑法相结合，其所能达到的dmN值为2.5× 106左右。

图12 微量油润滑系统（MDS）与机床主轴示意图

微量油润滑法即通过微量油润滑系统（MDS，如图12所示）将精确定量的微量润滑油以近乎连续的方式直接输送到高速轴承的运动表面，特别适合于dmN值高于2.0×106的高速轴承的润滑。与油气润滑法相比，微量油润滑法润滑油量控制更精确，流量更连续，且能够根据运行条件的变化来动态调整润滑量，还不需要压缩空气；因而运行成本更低，更环保。

需要指出的是，随着润滑脂性能的提升，对于dmN值在1.6×106以下的主轴轴承，已能采用油脂润滑的方式，其使用寿命与运转精度不受影响，且更环保。

5.2 优化、简化润滑用油

这方面的措施主要有：数控机床上使用润滑/冷却通用油，将油液润滑改为油脂润滑。如日本AMADA公司的DV7M磨床，一种润滑油同时供应丝杆润滑、冷却、切削润滑（如图13所示）；又如美国Haas公司的EC系列镗铣加工中心，滚珠丝杠、线性导轨由传统的稀油润滑改为油脂润滑，大大减少了油脂的使用量，同时也解决了润滑中过剩的稀油混入、污染切削液，造成切削液冷却性能降低的问题。

图13 日本AMADA公司的DV7M磨床

5.3 采用具有自润滑功能的新型功能部件

如日本IKO公司的C-Lube自润滑圆柱滚子直线导轨（如图14所示），通过在滑块内内置存储有润滑油的自润滑部件C-Lube，产品实现了5年或20 000 km以上无供油运行，从而帮助用户实现了长时间的免维护，降低了繁琐的润滑管理所需的人工成本，满足了要求高负载能力、行走精度的机床、半导体和液晶制造设备等的技术需要。与之相类似产品还有日本THK公司的LM系列滚动直线导轨副，日本NSK公司的RA系列滚子导轨。

图14 IKO公司的C-Lube自润滑圆柱滚子直线导轨

6 高效的防护、回收装置

为了避免切屑、切削液的外溅，降低噪音对车间造成的污染，中小型数控机床普遍将全封闭罩壳作为标准配置；即使是大型数控机床，也一改过去不设置或只在机床周围设置外壳、顶部依然洞开的情况，开始采用由多段拉门组成的全封闭的罩壳（如图15所示）。

图15 大型机床的全封闭式外壳

对于使用过的冷却润滑液，通过机床所配置的油水分离装置进行过滤、分离、灭菌等处理，使润滑油与冷却液分离，并分别得以回收；分离出来的切屑采用相应的设备进行粉碎、除油、分类、压块等后处理。为解决冷却润滑液处置成本高、切屑回收价值低且污染大的缺陷，现在多采用体积小、多功能、可移动的紧凑型设备来完成上述的处理任务，如美国PRAB公司的MiniSystem金属碎屑处理系统（如图16所示）、德国Handte公司的OEL/EM-Compact冷却液分离器等。

图16 MiniSystem金属碎屑处理系统

数控切削加工中的油雾、粉尘等，不但危害工人的身体健康，同时也给生产场所、加工设备带来很大的安全隐患。对于设备数量较少、产能不大的加工环境，目前主要采用为单台数控机床配置油雾净化装置的方式解决（如图17所示）；为了强化处理效果，有的机床生产商还采用强化机床全封闭罩壳的密封性能，将机床操作空间设置负压等方式。对于规模大，密度高的生产车间，将各机床排出的油雾通过管路收集到集中过滤系统中进行集中过滤处理（如图18所示），借助高效的过滤装置和变频控制达到更高的过滤精度和效率。

图17 数控机床油雾净化（单机）

图18 数控机加工车间油雾净化集中净化示意图

7 结语

制造业是经济发展的支柱产业，作为制造业的重要载体的数控机床在使用过程中必然有所消耗，并对环境产生不利的影响，因而在可再生能源取得普遍应用以前，提高数控机床对于能源和资源的使用效率是数控机床生产商必须完成的命题；这不仅关系到企业的生存，更关系到人类的可持续发展目标的实现。

［1］ 张曙，卫汉华，张炳生.机床的节能和生态设计［J］.制造技术与机床，2012（6）：9-12.

（编辑：启 迪）

Characteristics and Implementation Ways of the Green NC Machine Tools

CHEN Jiong
（Jiaxing Technician Institute,Jiaxing 314000,China）

Growing resource crisis and the increasingly serious environmental pollution promote the function and performance development of NC machine tools.Based on the aid of green design principle and the new materials, structure and components，the CNC machine tool manufacturers achieve success on the energy conservation and environmental protection of machine tools.

material;structure;energy;consumption;components;process;device

TG 5

E

1002－2333（2014）04－0077－04

陈炯（1970—），男，实验师，主要从事数控编程、加工方面的理论、实践教学工作。

2014-02-07