齿轮加工机床的绿色设计与制造技术

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，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，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。

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加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

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。

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(Volkswagen)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。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GEl50A系列滚齿机，德国里伯海尔(Liebherr)的LC180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(TiAIN)的高速钢滚刀线速度要求达到180m／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800 r／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TiAIN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。