齿轮加工机床的绿色设计数控技术

【编者按】在对传统齿轮加工机床技术特征及其资游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。对于式切削技术、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，指出齿轮高速下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土要趋势。

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己经成为绿色制造领域的一个新的热点，主要体现为4个技术途径:①研制新型的加工生艺及装备替代传统的加工机床，如净成型工艺、生长型_止艺、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)、加土参数进行优化，降低能耗，减少加工过程环境污染排放，提高机床加工过程的绿色性。

齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的装备，己成为汽车、摩托车、工程机械、风力发电和船舶等行业的关键设备口特别是，随着汽车土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、质量及加工成木的要求愈来愈.荡，使齿轮加土机床在汽车、风力发电等行业中占有越来越重要的地位口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，改善加工表而质量，有利于排出一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匕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乖污染环境;②机床漏油、混油现象严重;③由于机床的材料用景能耗、油耗及附加费用偏高，导致齿轮加生成木高，据日木三菱重_上_资料报道，湿式齿轮加生中消耗的切削液及切削液附加装置的费用占加工成木的}00ro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、降低制造成木的同时，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，日木的三菱重工公司(Mitsubishi Heavy Industry, MHI)-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，并形成了一种新的竟争优势，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。

在对齿轮加土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拙上，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__仁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、齿轮加土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，。

传统齿轮加工机床的绿色特性总结如表t所不。相比于其他机床，如车床、加工中心、键床等，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人、汕雾和汕污污染严重、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。

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。

2.1 干式切削技术

冷却液在使用过程中的成木一般包括使用成木、购置成木、管理成木工件清洁成木、铁屑与污油的分离成木、废液排放处理成木口德国大众公司(volkswagen)在一份统计分析报告中抱怨，他们冷却液的使用成木甚至超过了刀具及其维护成木口此外，冷却液的使用还是造成切削加_厂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口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人变革，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，典型产品有日木MHI的GE 150A系列滚齿机，德国里伯海尔(Liebherr)的LC18。系列滚齿机，美国格里森(Gleason)公司的Gleason 210H系列滚齿机等口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木可降低45%，其中，刀具费降低40%，一叨削油费降低100%，电力费降低33%;加_上的零件质量更高，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)高滚切速度口一般地，在干式滚切加工中，对于涂层(TiA1N)的高速钢滚刀线速度要求达到180m/min甚至更高;对十硬质合金钢滚刀线速度要求达到3 00 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;对十工作台，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，LIEHHERR. GLEASOIV等公司的中小规格高速滚齿机工作台己采用力矩伺服电动机技术，工作台转速达800 rlrnin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_肖接落在工作台上，再辅助高压冷风，可以达到快速有效去除切屑的效果口有些公司还采用了不锈钢隔热罩，一方而不锈钢表而光滑，便十铁屑排除，另一方而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)高速滚刀口干式滚切用的滚刀材料发展初期采用硬质合余钢，但由于硬质合金钢滚刀成木昂贵，近儿年发展的粉末冶金高速钢滚刀以及TiA1N涂层高速钢滚刀具有取代硬质合金钢滚刀用于干滚切加匕的趋势。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归SS-PM)千滚切以及常规高速刚滚刀(Canv.HSS)滚切加工时间和加工成木进行了比较。对比分析纬果表明，于式滚切相对于常规加工而言，加工时间短，成木更低;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土能耗、噪声人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即为为无屑加土的齿轮冷轧机。

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而。

(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，人人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，提高了加生几柔性，便切削参数的优化。

(4)人机交互式界而，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口采用模块化设计，可以缩短交货期，快速响应市场，而且可提高产品质量，成木更低，性能更加稳定，有利于机床的再制造及维护，便十废弃后拆卸。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。如:用钢板焊接机床结构部分代替传统的机床铸件结构口由十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十改善齿轮加工机床的绿色性能口采用钢板焊接机床结构一方而提高了机床强度和刚性，而且由于减少了铸造工艺而人人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YS3 t 16 CNC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。

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。

齿轮加土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，而且再制造成木较低，如再制造滚齿机成木仅为同种技术水平的新滚齿机的50%~60%口通过再制造，机床人量零部件得以重用，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、加土和检验时间，加工精度稳定，废品率降低，生产成木减少，井实现加工过程的节能、降噪。

2.6 其他技术

采用油雾处理装置净化油雾。在高速一叨削条件下，齿轮加g2会产生大星的油雾，对生产车间造成严重的环境污染二采用油雾分离器可以对所排出的油雾进行净化，人大减少油雾对车间环境的污染，可以达到良好的效果。

采用有效的切屑回收系统，分离铁屑与油污口人量的油污被粘附在工件和铁屑中带走，由十铁屑体积小，数量大，总的表而积很人，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人。但在一般情况一下，这个问题并没有得到熏视，大量油污棍在铁屑中带走，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，另一方而义可以减少铁屑中废液的环境污染问题口如图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。

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人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。在干式切削条件下，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，因而实现成木较低，技术跨度相对较小，因此目筋这种环保型湿式切削滚齿机在发展中国家存在着人量需求。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.儿方式，是米来齿轮加工机床绿色化、高速、高效发展的必然趋势。千式齿轮加几一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井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人价值。

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十完全不需要切削汕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_工成木，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，搞速干式切齿机床将成为齿轮制造商新购加工设备的目标，近儿年国际上各大一切齿机床制造商都在集中精力开发高速干式切齿机。所以而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)而向绿色制造的齿轮加i_机床有利十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)而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、高速于式切齿机床等类别。其中高速干式切齿机床以其高速、高效、不使用切削液、单件生产成木低、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。

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