齿轮加工机床的绿色设计与制造技术.pdf

机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 45卷第 11 期 2009 年 11 月 Vol.45No.11 Nov.20 09 DOI10.3901/JME.2009.11.140 齿 轮 加 工 机 床 的 绿 色 设 计 与 制 造 技 术 * 李先广 1, 2 刘飞 1 曹华军 1 1. 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400030； 2. 重庆机床集团有限责任公司重庆400055 摘要在对传统齿轮加工机床技术特征及其资源环境影响状况进行分析的基础上， 总结提出齿轮加工机床的绿色设计和制造 技术框架，对干式切削技术、少无切屑加工技术、数控化技术、模块化及结构优化设计技术、再制造重用等技术及策略进行 详细论述分析，指出齿轮高速干式切削技术及成套装备的开发是未来绿色齿轮加工机床发展的重点领域及主要趋势。 关键词绿色制造齿轮机床干式切削发展趋势 中图分类号TG61 Green Design and Manufacturing Technology of Gear Cutting Machine LI Xianguang1, 2LIUFei1CAO Huajun1 1. The State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030； 2. Chongqing Machine Tool Group Co., Ltd., Chongqing 400055 AbstractBased on the analysis of the technology characteristics, resources consumption and environmental impact of traditional gear cutting machine, the framework of green design and manufacturing technology for gear cutting machine is established, and the technologies and strategies of dry cutting, less or non-cutting processing, NC, modular design and structural optimization, and remanufacturing are analyzed. It is indicated that the development of high-speed dry-cutting and completion set of equipment is the key field and main trend of future developmentof green gear cutting machine. Key wordsGreen manufacturingGear cutting machineDry cuttingDevelopment trend 0前言* 机床是制造业进行生产加工的主体。目前绿色 机床加工系统的研究已经成为绿色制造领域的一个 新的热点[1-2]，主要体现为 4 个技术途径① 研制 新型的加工工艺及装备替代传统的加工机床，如净 成型工艺、生长型工艺、粉末冶金等；② 设计和开 发出具有绿色环保特性的新型机床设备，如高速干 式切削机床、 低温冷风切削机床等； ③ 对现有大量 的生产机床进行再制造与技术提升，如通过数控化 简化机床结构，增加全密封护罩和油雾处理系统， 减少对车间环境的污染； ④ 通过对机床加工中的加 工要素刀具、切削液等、加工参数进行优化，降 低能耗，减少加工过程环境污染排放，提高机床加 * 国家科技支撑计划6B F和国家自然科学基金5 6 5 66资 助项目。收到初稿，3收到修改稿 工过程的绿色性[3-6]。 齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂 的装备，已成为汽车、摩托车、工程机械、风力发 电和船舶等行业的关键设备。特别是，随着汽车工 业和风力发电行业的高速发展，对齿轮的需求量日 益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要 求愈来愈高，使齿轮加工机床在汽车、风力发电等 行业中占有越来越重要的地位。传统齿轮加工机床 在加工过程中有以下特点 ① 切削钢齿轮时， 应用 切削液可提高刀具寿命，改善加工表面质量，有利 于排出切削热而不致引起机床的热变形；但是，高 速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环 境和人类特别有害，变质切削液的排放也会严重污 染环境；② 机床漏油、混油现象严重；③ 由于机 床的材料用量、能耗、油耗及附加费用偏高，导致 齿轮加工成本高，据日本三菱重工资料报道，湿式 齿轮加工中消耗的切削液及切削液附加装置的费用 200A 02A010 0 0 2008112720090 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 月 2009 年 11 月李先广等齿轮加工机床的绿色设计与制造技术 141 占加工成本的 20左右；④ 齿轮加工生产效率低 下，加工质量差，难以满足现代企业生产的要求。 在提高生产效率、降低制造成本的同时，做到 环境保护、清洁加工，这是当前国外先进发达国家 对机床研究的最前端技术要求。目前国际上知名的 齿轮加工机床制造商，如美国的 GLEASON 公司， 德国的 LIEBHERR 公司，日本的三菱重工公司 Mitsubishi Heavy Industry, MHI等近年来将具有绿 色特性的齿轮加工机床作为产品研发的重要方向， 并形成了一种新的竞争优势，其产品特点主要表现 为全数控、高速高效、绿色净化及防护等，特别是 高速干式齿轮加工机床将逐步成为主流[7-8]。 在对齿轮加工机床设计与制造中的绿色特性 及资源环境属性进行分析的基础上，基于全生命周 期工程理论，提出齿轮加工机床绿色设计与制造的 技术框架，并对齿轮加工机床的绿色设计与制造策 略进行研究，指出齿轮高速干式切削技术及成套装 备的开发是未来绿色齿轮加工机床发展的主要 趋势。 1齿轮加工机床的绿色特性分析 齿轮加工机床的生命周期过程包括齿轮加工 机床设计制造过程、齿轮加工生产过程以及机床淘 汰或报废过程三个主要阶段。这三个阶段均不断地 消耗物料、能量并产生环境排放，如图 1 所示。 图 1齿轮加工机床资源环境交换过程 传统齿轮加工机床的绿色特性总结如表 1 所 示。相比于其他机床，如车床、加工中心、镗床等， 齿轮加工机床如滚齿机、插齿机、铣齿机等传动链 较长、结构更加复杂、加工过程中切削油消耗大、 油雾和油污污染严重、漏油混油现象严重以及切屑 多，这是导致齿轮加工机床绿色性相对差的重要 原因。 表 1传统齿轮加工机床绿色特性 阶段技术特征资源环境影响 设计开 发及建 模分析 传动链长 结构复杂 零件复杂多样 功能单一 能效低 机床笨重，材料消耗大 零件通用性及重用性差 制造 材料消耗大 制造工艺复杂 工艺过程多 场地占用大 能耗大，材料及刀具、工 装等辅助物料消耗大 劳动力密集 使用 精度低 生产效率低 柔性差 安全风险大 在使用过程中，油雾、 漏油、混油等现象严重 可调整维护性差 单位产能能耗大 工作环境油雾、油污污染 大，导致生产安全性差 废油排放污染车间环境 报废处理没有考虑回收重用问题造成资源循环重用率低下 2齿轮加工机床绿色设计与制造技术 及策略 基于齿轮加工机床的绿色特性及资源环境影 响状况分析，提出一种齿轮加工机床绿色设计与制 造技术框架，如图 2 所示。 齿 轮 加 工 机 床 绿 色 设 计 与 制 造 技 术 框 架 干式切削技术 再制造技术 模块化及结构优化设计技术 数控化技术 少无切屑加工技术 其他技术 图 2齿轮加工机床绿色设计与制造技术框架 2.1 干式切削技术 冷却液在使用过程中的成本一般包括使用成 本、购置成本、管理成本、工件清洁成本、铁屑与 污油的分离成本、废液排放处理成本。德国大众公 司V在一份统计分析报告中抱怨，他们 冷却液的使用成本甚至超过了刀具及其维护成本。 olkswagen 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 45 卷第 11期期 142 此外，冷却液的使用还是造成切削加工生态和车间 环境污染以及操作者健康伤害的主要源头，随着人 们环保意识的不断增强以及相关法规的日益严格， 减少甚至消除冷却液的使用已成为必然趋势。目前 干切削新技术已成为绿色加工技术中的热点，并出 现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。 当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的冷 却液去掉，降低切削效率，而是进行传统切削工艺 的重大变革，为新世纪提供一种清洁、安全、高效 的新工艺。在国外齿轮加工机床中，干式滚切技术 得到了比较完善的发展，典型产品有日本 MHI 的 GE150A 系列滚齿机， 德国里伯海尔Liebherr的 LC 180 系列滚齿机，美国格里森Gleason公司的 Gleason 210H 系列滚齿机等。干式滚切加工机床的 切削速度可达传统加工的 5 倍，生产效率可提高 4 倍左右。与湿式加工相比，干式滚切加工机床加工 成本可降低 45，其中，刀具费降低 40，切削油 费降低 100，电力费降低 33；加工的零件质量 更高，而且干净清洁；无油雾、干切屑，工作环境 得到改善，更加清洁、安全。 实现干式切齿技术需要解决的关键技术包括 以下几项。 1 高滚切速度。一般地，在干式滚切加工中， 对于涂层TiAlN的高速钢滚刀线速度要求达到 180 m/min 甚至更高；对于硬质合金钢滚刀线速度要求 达到 300 m/min。为了实现这种高速滚切加工，对 于刀具主轴一般可以采用电主轴的方式实现；对于 工作台，采用新型设计的具有自动消除间隙的齿轮 传动系统驱动，替代传统的蜗杆蜗轮传动系统， LIEBHERR、GLEASON 等公司的中小规格高速滚 齿机工作台已采用力矩伺服电动机技术，工作台转 速达 800r/min 以上。 2 切屑的快速分离。由于温度高，切屑若不 能快速脱离刀具、工件和机床，容易引起热变形， 影响加工精度，因此必须快速有效地排除铁屑。在 干式滚切加工中，一般通过滚刀的高速滚切使铁屑 快速离开刀具及工件。很多公司针对排屑问题，还 提出了一些机床结构改进方案，如借助重力加快铁 屑的去除，并避免铁屑直接落在工作台上，再辅助 高压冷风，可以达到快速有效去除切屑的效果。有 些公司还采用了不锈钢隔热罩，一方面不锈钢表面 光滑，便于铁屑排除，另一方面不锈钢的热传导系 数小，减少了铁屑热量向工作台和床身的传递。 3 高速滚刀。干式滚切用的滚刀材料发展初 期采用硬质合金钢，但由于硬质合金钢滚刀成本昂 贵，近几年发展的粉末冶金高速钢滚刀以及 TN 涂层高速钢滚刀具有取代硬质合金钢滚刀用于干滚 切加工的趋势。里伯海尔公司在一份研究报告对硬 质合金滚刀Carbide干滚切、粉末冶金高速钢滚刀 HSS-PM干滚切以及常规高速刚滚刀Conv.HSS 滚切加工时间和加工成本进行了比较。对比分析结 果表明，干式滚切相对于常规加工而言，加工时间 短，成本更低；采用粉末冶金高速钢滚刀甚至比采 用硬质合金钢滚刀具有更好的干式滚切加工效果。 2.2少无切屑加工技术 机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺， 称少无切屑加工。齿轮冷轧机是一种无切屑的齿轮 加工机床，属绿色加工技术。但由于受冷成形加工 特性的限制，虽然节约了原材料消耗，但加工过程 中存在加工能耗高、噪声大以及加工能力有限等问 题，仍有待大力推进其技术的发展。图 3 所示即为 为无屑加工的齿轮冷轧机。 图 3一种可进行无屑加工的齿轮冷轧机 2.3数控化技术 齿轮加工机床的数控化改造有利于其设计与 制造的绿色化，主要表现在以下几个方面。 1 齿轮加工机床数控化改造有利于简化机床 机械结构， 从而减少机床原材料及其制造所需能源、 辅料的消耗，节约资源，减少环境污染。 2 采用数控程序，提高了机床的自动程度， 大大缩短了机床调整时间，提高了生产率。 3 切削速度、进给量等切削参数任意可调， 提高了加工柔性，便于切削参数的优化。 4 人机交互式界面，操作方便，而且通常采 用密封加工方式，大大降低操作者的劳动强度，提 高了操作的安全性，有利于劳动保护。 2.4模块化及结构优化设计技术 齿轮加工机床的模块化设计是根据客户要求， 在功能分析的基础上，设计出一系列具有不同用途 或性能、结构，而功能相同的、可互换的共有功 能模块包括组件、部件、装置或系统等和一些专 用独立部件，然后通过模块的选择和组合来组装成 不同性能和规格的齿轮加工机床的设计方法。采用 模块化设计，可以缩短交货期，快速响应市场，而 iAl 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 月 2009 年 11 月李先广等齿轮加工机床的绿色设计与制造技术 143 且可提高产品质量，成本更低，性能更加稳定，有 利于机床的再制造及维护，便于废弃后拆卸[9]。重 庆机床集团在产品开发设计过程中，发现滚齿机、 插齿机和磨齿机的切削运动特点，从而发明了“先 建立三种机床的共同模块，再建立任意两种机床间 的共有模块，最后再建立各自的独有模块”的齿轮 加工机床模块化可重构设计与制造新方法。 另外，在齿轮加工机床的设计过程中，还可采 用各种结构优化技术，以改善机床的绿色性能[10]。 如用钢板焊接机床结构部分代替传统的机床铸件 结构。由于铸造过程环境污染严重，能耗高，因此 采用铸件床身或立柱结构不利于改善齿轮加工机床 的绿色性能。采用钢板焊接机床结构一方面提高了 机床强度和刚性，而且由于减少了铸造工艺而大大 减少了机床制造过程中的环境污染和能源消耗，具 有良好的绿色制造特性。重庆机床集团在开发的 YS3116CNC 系列数控高速滚齿机中成功地采用了 钢板焊接立柱、 传动箱等结构， 取得了良好的效果， 如图 4 所示。 图 4YS3116CNC7数控高速滚齿机 大立柱、传动箱的焊接件 2.5再制造技术 齿轮加工机床设计开发过程中，应从全生命周 期角度出发，充分考虑机床资源的循环重用，采用 可拆卸回收性设计以及模块化设计等方法，便于机 床报废后进行再制造及技术提升。 齿轮加工机床具有较高的回收利用价值，可重 用部件资源回收利用率较高， 而且再制造成本较低， 如再制造滚齿机成本仅为同种技术水平的新滚齿机 的 50～60。通过再制造，机床大量零部件得以 重用，避免制造这些零部件的过程铸造、焊接、切 削加工和热处理等中的环境污染及资源、能源消 耗，也避免了对这些零部件进行回收处理过程的资 源消耗与环境污染。对齿轮加工机床进行综合性能 提升后，实现了高质量、高精度、自动化加工，减 少调整、加工和检验时间，加工精度稳定，废品率 降低，生产成本减少，并实现加工过程的节能、降 噪。滚齿机床再制造前后对比如图 5、6 所示。 图 5再制造前废旧滚齿机 图 6再制造后新滚齿机 2.6其他技术 采用油雾处理装置净化油雾。在高速切削条件 下，齿轮加工会产生大量的油雾，对生产车间造成 严重的环境污染。采用油雾分离器可以对所排出的 油雾进行净化，大大减少油雾对车间环境的污染， 可以达到良好的效果，如图 7 所示。 图 7采用油雾分离器的 YKS3112 数控滚齿机 采用有效的切屑回收系统，分离铁屑与油污。 大量的油污被粘附在工件和铁屑中带走，由于铁屑 体积小，数量大，总的表面积很大，而且通常铁屑 形状不规则，有利于油污的吸附，因此铁屑带走的 油污量很大。但在一般情况下，这个问题并没有得 到重视，大量油污混在铁屑中带走，最终造成环境 污染，因此需要对铁屑和油雾进行分离。具体的实 施过程可以考虑增加先进的切屑回收系统，用于分 离铁屑与油污，一方面有利于铁屑的回收，另一方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 45 卷第 11期期 144 面又可以减少铁屑中废液的环境污染问题。如图 8 是 YKS3120 系列六轴数控滚齿机的排屑装置， 具有 铁屑和污油分离功能。 图 8YKS3120 系列六轴数控滚齿机的排屑装置 3绿色齿轮加工机床的发展趋势 从环保生态学和技术经济角度出发，有效控制 或废除切削油的大量使用是绿色齿轮加工机床发展 的大势所趋。 湿式切削法需要配置油箱及油路系统，还须采 取措施防止油变质， 以及进行废油处理， 工件清洗， 切削油排除处理等。而切削油中含有对人体有害的 硫化物、氯化物等。在湿式切削条件下，采用全密 封护罩加油雾分离器的方式有效控制切削油产生的 环境和健康危害并实现切削油的清洁循环使用是一 种有效措施。由于该种方式没有对机床结构、刚性 及刀具等提出新的技术要求，因而实现成本较低， 技术跨度相对较小，因此目前这种环保型湿式切削 滚齿机在发展中国家存在着大量需求。该方法的缺 点在于并没有真正摆脱切削油的使用，其环境与健 康的潜在危害仍然存在。 而干式齿轮加工方式是一种真正意义上消除 切削油使用的先进加工方式，是未来齿轮加工机床 绿色化、高速、高效发展的必然趋势。干式齿轮加 工分为低温冷风干式和高速干式切削两种方式。 低温冷风切削是在现有高效滚齿机和插齿机 等的基础上增加低温冷风装置并采用极少量的切削 润滑油，这种方式的干式切削在现有高效滚齿机的 绿色化改造中具有较大价值。 近年来，随着刀具材料、涂层技术等的发展， 现在的滚刀线速度可达到 600 m/min，这就为高速 干式切削滚齿机的应用提供了技术保障。干式切削 与湿式切削相比，高速干式切齿机床由于完全不需 要切削油及不需要增加低温冷风装置，不但极大地 提高了机床的生产效率、降低了工件的加工成本， 而且有利于保护环境、节约自然资源。随着环境保 护意识的日益提高和人们越来越重视各种各样的节 能技术，高速干式切齿机床将成为齿轮制造商新购 加工设备的目标，近几年国际上各大切齿机床制造 商都在集中精力开发高速干式切齿机。所以面向绿 色制造的高速干式切齿机床将是绿色齿轮加工机床 发展的主要趋势。 4结论 1 面向绿色制造的齿轮加工机床有利于减少 齿轮加工的油雾污染、清洁生产环境和保护操作者 的安全与健康，同时通过减少切削液的使用可以降 低加工成本，目前受到国内外切齿机床生产厂家和 用户的青睐。 2 面向绿色制造的切齿机主要包括带有全密 封护罩和油雾分离器的湿式切齿机、低温冷风切削 切齿机、高速干式切齿机床等类别。其中高速干式 切齿机床以其高速、高效、不使用切削液、单件生 产成本低、环保等优势，将成为绿色齿轮加工机床 今后发展的主要方向。 参考文献 [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，2005. 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Machine Tool Hydraulics, 2002630-32. 作者简介李先广，男，1966 年出生，教授级高级工程师。主要研究方 向为机床绿色设计与制造技术。 E-mailleweit 刘飞，男，1948 年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向 为绿色制造及制造业信息化。 E-mailfliu 曹华军， 男，1978 年出生，副教授。主要研究方向为绿色制造及制造业 信息化。 E-mailhjcao 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m