基于生命周期的機床綠色制造關(guān)鍵技術(shù)研究

趙中敏

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基于生命周期的機床綠色制造關(guān)鍵技術(shù)研究

趙中敏

(淮海工學(xué)院工程訓(xùn)練中心 江蘇連云港 222005)

針對在機床行業(yè)中正在系統(tǒng)全面實施的綠色制造技術(shù)，圍繞機床產(chǎn)品生命周期進(jìn)行了研究。探討了從機床的綠色設(shè)計、綠色加工工藝、機床的再制造、機床的回收再處理以及機床的數(shù)控化和智能化等綠色制造的過程，以期對我國機床行業(yè)綠色制造的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

機床 綠色制造 關(guān)鍵技術(shù) 產(chǎn)品生命周期

綠色制造是綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造方式。其目標(biāo)是使產(chǎn)品在設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響(負(fù)作用)最小、資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。目前，機床的節(jié)能環(huán)保、綠色制造技術(shù)已成為研究熱點，已經(jīng)出現(xiàn)了不少專門從事機床再制造業(yè)務(wù)的企業(yè)，美國已有 200多家專門從事機床再制造的公司(如Maintenance Service Corp. 等)。此外許多機床制造商(如德國吉特邁集團(tuán)股份公司等著名機床企業(yè))也非常重視機床再制造業(yè)務(wù)[2]。

然而，綠色制造是面向產(chǎn)品全生命周期的，目前對于如何系統(tǒng)全面地在機床行業(yè)實施綠色制造這個問題，還缺乏深入、系統(tǒng)的研究。從這一視角出發(fā)，圍繞機床產(chǎn)品生命周期對機床行業(yè)綠色制造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以期對機床行業(yè)提供借鑒。

1 機床的綠色設(shè)計

綠色設(shè)計是機床綠色制造的首要環(huán)節(jié)。為了適應(yīng)節(jié)能、低排放的需求，應(yīng)在機床設(shè)計階段充分考慮環(huán)境問題，考慮機床產(chǎn)品在使用過程中的能耗和可維護(hù)性，如除塵、潤滑、液壓和冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)、廢棄物的處理等，采用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)、少無切削技術(shù)、干式切削技術(shù)、油氣液凈化技術(shù)及其它潔凈技術(shù)等方面，建立面向能源和碳排放模型的生態(tài)化設(shè)計的知識庫和數(shù)據(jù)庫及相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提高資源利用率和減少廢棄物，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材、無污染，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。為了適應(yīng)對廢舊機床產(chǎn)品回收、再制造的要求，在設(shè)計階段就要考慮產(chǎn)品的易拆解、易回收和易修理。應(yīng)使用多功能及模塊化的部件來簡化產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意產(chǎn)品的可擴展和升級。此外，在設(shè)計完成后，應(yīng)對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行綜合評價，尤其是應(yīng)對資源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行評價，如果滿意則作為最終的綠色設(shè)計方案，否則需要重新進(jìn)行設(shè)計[3]。

常用的機床優(yōu)化設(shè)計技術(shù)和方法，如減量化設(shè)計、機床熱平衡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、環(huán)境友好型設(shè)計等。

(1)減量化設(shè)計。在同一性能情況下，零件結(jié)構(gòu)越小，所用材料就越少，節(jié)約了資源的使用量，使零件的綠色性能得以提高。因此，在零件的設(shè)計過程中需要提高機械零件計算載荷的準(zhǔn)確度，降低安全因數(shù)，盡量使結(jié)構(gòu)簡單而不降低功能、原材料消耗最少而不影響使用壽命。

(2)機床熱平衡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。機床熱平衡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是各種基礎(chǔ)件(如床身、立柱等)內(nèi)部腔室對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與合理布局，使冷卻液能在內(nèi)腔循環(huán)流動，有利于機床的熱平衡，使在加工過程中的冷卻油與在內(nèi)腔中循環(huán)的冷卻液達(dá)到一定的動態(tài)平衡，并對控制整機的溫度、保證熱穩(wěn)定性、降低熱能排放等功能有較好的效果。

(3)環(huán)境友好型設(shè)計。保證在濕式加工過程中不產(chǎn)生或產(chǎn)生較少的污染，如采用全密封護(hù)罩，可以防止在加工過程中切削液飛濺的現(xiàn)象；冷卻油和潤滑油采用獨立不同的油路，以降低冷卻油、潤滑油相互混油的可能性；對冷卻油進(jìn)行強制冷卻(主要措施是通過油冷機)并進(jìn)行過濾、循環(huán)冷卻；采用油霧分離器對加工過程中產(chǎn)出的霧化油煙進(jìn)行分離后進(jìn)行排放；應(yīng)用磁力排屑器對切屑與冷卻液進(jìn)行分離，既可利于冷卻液的循環(huán)利用，又可減少冷卻液隨切屑的排出量。

2 機床的綠色加工工藝

在機床制造過程中，綠色加工工藝指采用先進(jìn)制造或持續(xù)改進(jìn)傳統(tǒng)制造的工藝，以改善在產(chǎn)品制造過程中的資源消耗和環(huán)境污染狀況，節(jié)約原材料和能源，減少廢物的排放，保障生產(chǎn)人員的職業(yè)安全與健康。

在切削加工過程中通常需要使用切削液(冷卻潤滑液)。切削液的采購、存貯、使用和廢棄處置需要專門的技術(shù)和物流系統(tǒng)，費用很高，大約占加工成本的10%～15%。切削液使用與處置不當(dāng)會對環(huán)境造成污染，甚至對人的健康造成危害。隨著對環(huán)保的重視和處置切削液等廢棄物的費用不斷上升[4]，采用高速干式切削技術(shù)是在使用具有很好的熱穩(wěn)定性和高剛度機床的前提下，選用具有良好的導(dǎo)熱性、耐高溫和高硬度的刀具，在切削加工過程中不使用任何切削液的一種切削加工技術(shù)，可以消除切削液的負(fù)面影響，是一種符合生態(tài)要求的綠色切削加工方式。要實現(xiàn)高速干式切削，必須開展高速干式切削機床的設(shè)計。與傳統(tǒng)機床相比，高速干式切削機床的床身剛性好，在強力切削時機床的變形小和振動小，排屑系統(tǒng)通暢并具有高的熱平衡性能，通過將高溫切屑迅速排出，可以避免機床溫度升高。

3 機床的再制造

機床再制造過程一般包括廢舊機床的回收、拆卸、清洗、檢測分類、機床及零部件再設(shè)計、再制造生產(chǎn)加工、整機再裝配、調(diào)試、檢驗和銷售等過程。一般來講，機床再制造可分為產(chǎn)品級再制造和零部件級再制造兩種形式。

3.1 產(chǎn)品級再制造

產(chǎn)品級再制造對機床整體性能進(jìn)行提升，包括機床功能化再造、數(shù)控化升級、節(jié)能化提升等。如機床功能化再造是解決機床最容易出現(xiàn)的運動精度及重復(fù)定位精度的超差問題，其典型的措施有運動間隙的重新調(diào)整(如墊片的調(diào)整)、零件的重新修復(fù)或加工等。此外，為了方便這類問題的解決，在機床設(shè)計時就需要考慮其維修的方便性，如設(shè)置合理的調(diào)整環(huán)節(jié)及精度補償環(huán)節(jié), 以便于機床在喪失精度后的重新恢復(fù)；又如將鑲條設(shè)計成錐度1︰100，壓板設(shè)計成可由安裝面與調(diào)整面組成，以考慮導(dǎo)軌在發(fā)生磨損后的精度修復(fù)，將導(dǎo)軌設(shè)計成三角導(dǎo)軌型式等。

3.2 零部件級再制造

根據(jù)零部件的不同可以分為4個層次，即再利用、再修復(fù)、再資源化及廢棄處理。床身、立柱、工作臺、箱體等大中型鑄造件的時效性和穩(wěn)定性好，其再制造的技術(shù)難度及成本就低，如重用價值高，應(yīng)力求完全重用。鑒于機床中的主軸、導(dǎo)軌、蝸輪副、轉(zhuǎn)臺等機床功能部件的精度要求，在再制造過程中應(yīng)對其零件進(jìn)行探傷檢測及技術(shù)性檢測，然后運用先進(jìn)制造技術(shù)和表面工程技術(shù)對其進(jìn)行修復(fù)后再制造，達(dá)到性能要求之后再重用。在廢舊機床中還有一部分淘汰件和易損件，如電動機、齒輪、軸承等零件，一般采用更換新件的方式以保證再制造機床的質(zhì)量，這些廢舊件的重用一般會通過降低技術(shù)級別，然后在其他產(chǎn)品中進(jìn)行再使用，以實現(xiàn)資源循環(huán)的重用。此外密封件、電氣部分通常會作報廢棄用處理。

4 機床的回收再處理

產(chǎn)品的可拆卸易回收設(shè)計是進(jìn)行產(chǎn)品綠色設(shè)計的一種重要方法?？刹鹦兑谆厥盏脑O(shè)計側(cè)重考慮在產(chǎn)品使用期過后，便于拆卸并且可以無污染地進(jìn)行回收，并且能有效地利用原有設(shè)備的材料。丁江民[5]制定的一種數(shù)控車床可拆卸易回收設(shè)計準(zhǔn)則具有一定的參考意義。根據(jù)數(shù)控車床產(chǎn)品的特點，在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面上制定可拆卸易回收處理準(zhǔn)則。

4.1 材料選擇準(zhǔn)則

把從機床中拆卸下來的零部件進(jìn)行再利用、再制造并便于回收，在設(shè)計機床時應(yīng)對材料進(jìn)行選擇，其選擇準(zhǔn)則為：(1)在整臺機床中所采用的材料種類要盡量的少。在產(chǎn)品中所采用的材料種類越少、所需要的拆卸及分類的工作量就越小，這將有利于機床的拆卸與回收；(2)在滿足機床功能和性能要求的基礎(chǔ)上盡可能地減少材料的使用量，以達(dá)到節(jié)約材料資源的使用，并可以減少回收量；(3)在機床中盡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)在機床中盡量選擇容量小的材料，其回收和處理消耗的能量較小，對環(huán)境造成的污染也比較??；(5)在產(chǎn)品中應(yīng)盡量不用或少用有毒或?qū)θ梭w有害的材料。使用有毒或有害材料，不符合綠色制造以及人類可持續(xù)發(fā)展的要求。如果目前沒有替代品，在國內(nèi)外法規(guī)規(guī)定允許的條件下盡量少用；(6)盡量選用供應(yīng)量比較豐富的材料, 少用日益匱乏且昂貴的材料；(7)盡量使用可再生的材料,有利于節(jié)省自然原材料并降低成本。

4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)的原則

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)的原則如下：

(1)盡量減少產(chǎn)品所需的零件數(shù)量, 這有利于減少拆卸回收的工作量；(2)盡量采用易于拆卸的連接方式, 盡量減少如鉚接、焊接和黏結(jié)等不易拆卸的連接方式；(3)應(yīng)盡量統(tǒng)一緊固件的類型, 便于減少拆卸工具的種類和簡化拆卸工作；(4)減少電線和電纜的數(shù)量及長度,這有利于降低拆卸回收電線和電纜的難度；(5)對產(chǎn)品盡可能采用模塊化設(shè)計, 這便于對產(chǎn)品的維護(hù)、升級和重用；(6)盡量將高價值的零部件布置在易于拆卸的位置, 先回收高價值的零部件, 有利于提高產(chǎn)品回收價值；(7)將包含有毒有害材料的零部件布置在易于分離的位置, 避免其與非有毒有害材料的零部件在拆卸回收時混合, 防止負(fù)價值零部件的增加；(8)避免在塑料零件中應(yīng)用金屬嵌入件或金屬加強件，以利于對材料的粉碎回收，可以提高材料回收的純度和價值。

5 機床的數(shù)控化和智能化

實現(xiàn)機床綠色制造需要借助信息技術(shù)。在實現(xiàn)機床的數(shù)控化和智能化的實踐中，十分需要將信息技術(shù)與機械制造技術(shù)進(jìn)行結(jié)合并從深度上加以融合。

5.1 加強機床數(shù)控化

在普通機床的傳動系統(tǒng)中，機械變速機構(gòu)的傳動關(guān)系十分復(fù)雜。相比之下，由于數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)采用了交流或直流調(diào)速電動機，電動機的調(diào)速范圍大，并可以進(jìn)行無級調(diào)速，使主軸傳動機構(gòu)中的零件大大減少，降低了傳動中的噪聲，提高了傳動功率。

5.2 發(fā)展機床智能化

數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備的智能化，可以提高能源和原材料的利用效率、降低污染排放水平，可以提升產(chǎn)品的性能、文化知識含量以及技術(shù)附加值，進(jìn)而增強企業(yè)的市場響應(yīng)能力。發(fā)展智能制造裝備需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是：面向制造過程狀況監(jiān)控和裝備性能預(yù)測的感知與分析技術(shù)，實現(xiàn)幾何與物理約束的智能化工藝規(guī)劃和數(shù)控編程技術(shù)、智能數(shù)控系統(tǒng)與伺服控制技術(shù)及智能控制技術(shù)。

5.3 車間/工廠的數(shù)字化

在實現(xiàn)機床綠色制造的同時，還應(yīng)在數(shù)控化、智能化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)機械加工車間或工廠的數(shù)字化。數(shù)字化的車間或工廠可以利用數(shù)字化技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng))實時獲取工廠內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，集成相關(guān)人員知識智慧地進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、管理、銷售和服務(wù)，提高供應(yīng)鏈、工廠和加工單元的效率，減少對環(huán)境的不良影響，提高員工和用戶的滿意程度。

6 結(jié)語

機床是制造機器的工作母機,是高端制造裝備的重要組成部分，也是實現(xiàn)“十二五”期間大力推進(jìn)信息化和工業(yè)化進(jìn)度融合的重要載體，不僅在機床的設(shè)計、生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)綠色制造，所生產(chǎn)的機床工具產(chǎn)品也應(yīng)該做到高效率、高精度和低能耗，并從設(shè)計階段就應(yīng)考慮使機床工具產(chǎn)品具備良好的再制造性能。

隨著綠色制造技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，對機床從設(shè)計到管理使用再到回收全過程的綠色制造研究，最終制造出綠色生態(tài)型機床。目前國內(nèi)對綠色機床的研究正處于初級階段,僅從全生命周期的角度做了簡單的探討, 大量的深入研究還有待在今后的實踐中去完成。

[1] 劉飛,曹華軍,張華,等.綠色制造的理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[2] 孫玉華,張曙.德國機床數(shù)控化改造的實踐與研究[J].制造業(yè)自動化,2000,22(11):50-53.

[3] 邵迪駿,孫麗萍.機床的綠色制造[J].精密制造與自動化,2011(2):2-4.

[4] 潘培道,韓江.高速干切削技術(shù)分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2007(4):79-82.

[5] 丁江民.數(shù)控車床可拆卸易回收設(shè)計模型及分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2007,28(4):26-29.