引 言
機(jī)械制造業(yè)在將制造資源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程中以及在產(chǎn)品的使用和回收處理過程中，產(chǎn)生了大量的工業(yè)污染。隨著全社會環(huán)保意識的增強(qiáng)，以及國際上對進(jìn)出口商品環(huán)保要求的不斷提高，企業(yè)家和技術(shù)人員也都意識到，若繼續(xù)采用粗放型的機(jī)械制造模式，將不利于整個(gè)社會和行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此急需在機(jī)械制造業(yè)中探索和實(shí)施符合環(huán)保要求的綠色制造模式。目前，美國、加拿大、德國等一些發(fā)達(dá)國家，對綠色制造及其相關(guān)問題進(jìn)行了大量的研究，隨著IS014000環(huán)境管理體系系列標(biāo)準(zhǔn)的頒布，企業(yè)環(huán)境管理和綠色制造的研究更加活躍，這也引起了我國眾多企業(yè)的重視。越來越多的事實(shí)證明，誰進(jìn)行綠色制造，誰生產(chǎn)綠色產(chǎn)品，誰就擁有市場。
數(shù)控車床是制造業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)加工的主要工作母機(jī)之一，近年來，隨著制造業(yè)自動化的發(fā)展和數(shù)字化加工要求的提高，其市場需求量大幅度增加，因此，開發(fā)綠色環(huán)保的數(shù)控車床尤為重要。
1 綠色設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和原則
綠色設(shè)計(jì) (Green Design，GD)又稱生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境意識設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)等，雖然這些設(shè)計(jì)概念在提出的初期各有側(cè)重，但隨著近年來的發(fā)展，基本上都趨于同一概念，即設(shè)計(jì)目的是為了極小化產(chǎn)品全生命周期過程的資源消耗和環(huán)境影響，使得其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。區(qū)別于從功能上人手、在強(qiáng)度上保證、以滿足人的需求和解決問題為出發(fā)點(diǎn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，即自然資源的利用、環(huán)境影響及可拆卸性、可回收性、可重復(fù)利用性等，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中一種全新的設(shè)計(jì)理念。圖1為產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的原則}3]。綠色制造(Green Manufacturing)是高效、清潔制造方法的開發(fā)及應(yīng)用，以達(dá)到綠色設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。綠色制造涉及三部分問題：一是制造問題，貫穿于產(chǎn)品生命周期全過程；二是環(huán)境保護(hù)間題；三是資源優(yōu)化利用間題。
2 數(shù)控車床組件的綠色設(shè)計(jì)
2.1 主傳動系統(tǒng)的簡化
普通車床的主傳動系統(tǒng)主要是變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，傳動鏈多、傳動關(guān)系復(fù)雜、制造周期長。與之相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，可無級調(diào)速，使主軸箱的結(jié)構(gòu)大大簡化；同時(shí)，由于齒輪的減少，降低了噪聲，也減少了功率或效率損耗。目前，在綠色設(shè)計(jì)規(guī)范下，為簡化傳動鏈，數(shù)控車床主軸驅(qū)動主要有三種形式可供選擇：①采用變頻電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多檔內(nèi)自動無級調(diào)速；②采用主軸伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；③由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，其中，主軸電動機(jī)與主軸可通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)直接驅(qū)動。各傳動形式見圖2。
2.2 床身的綠色設(shè)計(jì)與制造
床身是數(shù)控車床的主要支承件，其設(shè)計(jì)與制造是數(shù)控車床綠色制造的重要方面。目前，采用鋼板焊接床身結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄件是床身制造的一種新工藝。由于鑄造過程環(huán)境污染嚴(yán)重、能耗高，因此采用鑄件床身不利于改善機(jī)床的綠色性能。在合理的設(shè)計(jì)和工藝安排下，鋼板焊接床身結(jié)構(gòu)不但可提高機(jī)床的強(qiáng)度和剛性，而且由于減少了鑄造工藝而大大減少了機(jī)床在制造過程中的環(huán)境污染和能源消耗，具有良好的綠色制造特性。同時(shí)，為了消減車床工作中的振動，可在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)振動時(shí)，利用相對摩擦來耗散振動能量。
需要指出的是，鑄造床身因其具有材料成本低廉、鑄造性能優(yōu)良、易于加工、耐磨性和吸振性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，所以必須大力推廣綠色鑄造工藝。
2.3 潤滑油路的綠色設(shè)計(jì)
數(shù)控車床的潤滑油路主要包括主軸箱油路和導(dǎo)軌潤滑油路。一般主軸箱油路是封閉的，機(jī)油在循環(huán)使用，不會飛濺污染環(huán)境;而導(dǎo)軌潤滑油路則是敞開式的，主要通過安裝在床身尾側(cè)的集中潤滑器集中供油，沒有進(jìn)行回收，是造成機(jī)加工中工作環(huán)境污染的主要因素。根據(jù)綠色設(shè)計(jì)的可回收性設(shè)計(jì)思想，為達(dá)到機(jī)油完全回收，可以對導(dǎo)軌潤滑油路進(jìn)行改造或在導(dǎo)軌外加輔助回油槽。此外，從導(dǎo)軌回流的機(jī)油，可能含有雜質(zhì)，需過濾干凈方可重新使用。為達(dá)到此目的，需外加一個(gè)多層回油過濾器，使從導(dǎo)軌回流的機(jī)油經(jīng)多層過濾后再回流到油箱，從而達(dá)到機(jī)油的反復(fù)利用。
3 數(shù)控車床的可拆卸性設(shè)計(jì)
可拆卸性設(shè)計(jì)(Design for Disassembly，DFD)又稱面向拆卸的設(shè)計(jì)，是綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級階段就將產(chǎn)品維修或廢棄后的拆卸問題考慮在內(nèi)，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)易于拆卸，便于回收，以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護(hù)環(huán)境的目的。產(chǎn)品拆卸性能的好壞直接影響到產(chǎn)品的可回收性，因此，可拆卸性設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床綠色制造的重要條件。
3.1 可拆卻性設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則
在可拆卸性設(shè)計(jì)過程中引人拆卸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是改善產(chǎn)品拆卸性能的有效方法，如果能夠很好地遵守設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，就會大大減少產(chǎn)品對環(huán)境的負(fù)面影響。目前，通用的DFD準(zhǔn)則主要包括以下幾個(gè)方面：
(1)減少拆卸的工作量。包括使產(chǎn)品模塊化，減少連接件的數(shù)量，減少使用材料的種類，采用可兼容的材料，盡量合并需要拆卸的零件，使需要拆卸的零件易于獲得。
(2)防止產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變。包括避免易腐蝕材料處于腐蝕環(huán)境、避免零部件被污染等。
(3)易于拆卸。包括保證產(chǎn)品拆卸過程中具有穩(wěn)定性，廢液易于排放，使用易拆卸或破壞的緊固件，減少緊固件數(shù)量，多數(shù)零件采用相同的緊固方式，易于到達(dá)拆卸或切割位置，避免零件復(fù)雜的拆卸路徑，避免塑料件內(nèi)嵌人金屬，零部件表面易于抓取，避免非剛性零部件，對有毒物質(zhì)進(jìn)行密封。
(4)易于分離。包括避免二次處理(油漆、涂層、電鍍等)，避免復(fù)合材料，對不同材料進(jìn)行標(biāo)識，不采用可能損害拆卸回收性能的零部件和材料。
(5)減少產(chǎn)品組件的多樣性。包括采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，盡量減少緊固件的種類。
數(shù)控車床綠色設(shè)計(jì)過程中，在滿足功能要求的條件下，應(yīng)以上述準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面以數(shù)控車床導(dǎo)軌的可拆卸性設(shè)計(jì)為例作一說明。
3.2 導(dǎo)軌的可拆卻性設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌是數(shù)控車床的主要構(gòu)件之一，它的精度直接影響加工工件的尺寸精度。傳統(tǒng)的鋼一鑲鋼導(dǎo)軌由于存在低速進(jìn)給時(shí)爬行、易磨損等缺點(diǎn)，近年來已逐漸被貼塑導(dǎo)軌和滾珠導(dǎo)軌所取代。
貼塑就是在導(dǎo)軌滑動面上貼一種由聚四氟乙烯和添加青銅粉、二硫化鑰及石墨等多種材料復(fù)合成的軟帶。它可使導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低，穩(wěn)定性、吸振性更好。根據(jù)綠色設(shè)計(jì)的可拆卸性設(shè)計(jì)思想，在數(shù)控車床中采用貼塑導(dǎo)軌，其耐磨性好，能有效地防止爬行，具有自潤滑性，提高了導(dǎo)軌壽命，機(jī)床報(bào)廢后貼塑層易分離，并且導(dǎo)軌和床身可重復(fù)使用，明顯降低了制造和維護(hù)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。據(jù)驗(yàn)證，貼塑導(dǎo)軌的使用壽命為普通鑄鐵導(dǎo)軌的8倍一10倍，同時(shí)刮研修配容易、更換方便。
3.3 數(shù)控車床的模塊化設(shè)計(jì)
產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)可以減少拆卸的工作量，解決產(chǎn)品品種規(guī)格、設(shè)計(jì)制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾，同時(shí)又可為提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力提供必要條件。東京大學(xué)的研究人員提出了模塊化的若干特征：技術(shù)成熟，功能可升級，壽命長，易于保證品質(zhì)，易于清洗、修復(fù)等。數(shù)控車床的模塊化設(shè)計(jì)主要包括床身、主軸箱、進(jìn)給系統(tǒng)、床鞍、刀架、尾座等部分。
4 結(jié) 論
數(shù)控車床的綠色設(shè)計(jì)是綜合考慮了產(chǎn)品質(zhì)量、功能、壽命和環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本文對數(shù)控車床的綠色設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了部分討論，表明其具有很大的應(yīng)用前景。近年來綠色設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展迅速，國外的綠色設(shè)計(jì)應(yīng)用效果明顯，我們應(yīng)將綠色設(shè)計(jì)研究成果盡快付諸實(shí)施，以促進(jìn)機(jī)床行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
