基于生命周期的机床绿色制造关键技术研究

赵中敏



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 222005)

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。

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[1]。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 200多家专门从事机床再制造的公司(如Maintenance Service Corp. 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[2]。

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[3]。

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10%～15%。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[4]，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工等。此外，为了方便这类问题的解决，在机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︰100，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。丁江民[5]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，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。

[1] 刘飞,曹华军,张华,等.绿色制造的理论与技术[M].北京:科学出版社,2004.

[2] 孙玉华,张曙.德国机床数控化改造的实践与研究[J].制造业自动化,2000,22(11):50-53.

[3] 邵迪骏,孙丽萍.机床的绿色制造[J].精密制造与自动化,2011(2):2-4.

[4] 潘培道,韩江.高速干切削技术分析[J].组合机床与自动化加工技术,2007(4):79-82.

[5] 丁江民.数控车床可拆卸易回收设计模型及分析[J].大连交通大学学报,2007,28(4):26-29.