毕业设计（论文）-面向绿色制造的数控车床设计技术.doc

网络教育学院网络教育学院 专科毕业大作业专科毕业大作业 学习中心： 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 评定成绩： 评阅教师： 成绩评定表成绩评定表 学生姓名：学生姓名： 专专 业：机械与电子工程业：机械与电子工程 学号：学号： 指导教师评语： 该论文形式完全合格，格式标准统一，结构完善,语言较为简洁准确， 字数基本符合规定。内容基本完整，体现出一定的设计目的，展现了一些 科学方法。论证比较充分，结论合理，基本达到任务书的要求。 指导成绩： 指导教师签字： 年 月 日 评阅教师评语： 评阅成绩： 评阅教师签字： 年 月 日 面向绿色制造的数控车床设计技术面向绿色制造的数控车床设计技术 内容提要：内容提要：随着 IS014000 环境管理体系系列标准的颁布，企业环境管理和绿色制造的研究更加活 跃，这也引起了我国众多企业的重视。越来越多的事实证明，谁进行绿色制造生产绿色产品，谁就拥有 市场。 关键词关键词：绿色机床； 绿色设计；智能机床 目 录 引 言 .1 第一章 绿色设计的内涵和原则 .2 1.1 绿色设计概念 .2 1.2 绿色设计原则 .2 第二章 什么是绿色机床 .3 2.1 减重节能 .3 2.2 MQL 减排.3 2.3 刀具增效 .4 2.4 变废为宝增值再用 .4 第三章 数控车床组件的绿色设计 .5 3.1 主传动系统的简化 .5 3.2 床身的绿色设计与制造 .5 3.3 润滑油路的绿色设计 .5 第四章 数控车床的可拆卸性设计 .6 4.1 可拆却性设计的准则 .6 4.2 导轨的可拆却性设计 .6 4.3 数控车床的模块化设计 .6 第五章 智能机床致力于“用户友好” .8 5.1 智能主轴 .8 5.2 热变形补偿 .9 结 论 .10 致 谢 .11 第 1 页 引 言 机械制造业在将制造资源转化为产品的过程中以及在产品的使用和回收处理过程中， 产生了大量的工业污染。随着全社会环保意识的增强，以及国际上对进出口商品环保要 求的不断提高，企业家和技术人员也都意识到，若继续采用粗放型的机械制造模式，将 不利于整个社会和行业的可持续发展，因此急需在机械制造业中探索和实施符合环保要 求的绿色制造模式。目前，美国、加拿大、德国等一些发达国家，对绿色制造及其相关 问题进行了大量的研究，随着 IS014000 环境管理体系系列标准的颁布，企业环境管理和 绿色制造的研究更加活跃，这也引起了我国众多企业的重视。越来越多的事实证明，谁 进行绿色制造生产绿色产品，谁就拥有市场。 数控车床是制造业进行生产加工的主要工 作母机之一，近年来，随着制造业自动化的发展和数字化加工要求的提高，其市场需求 量大幅增加，因此，开发绿色环保的数控车床为重要。 第 2 页 第一章 绿色设计的内涵和原则 1.1 绿色设计概念 绿色设计 (Green Design，GD)又称生态设计、环境意识设计、生命周期设计等，虽 然这些设计概念在提出的初期各有侧重，但随着近年来的发展，基本上都趋于同一概念， 即设计目的是为了极小化产品全生命周期过程的资源消耗和环境影响，使得其经济效益 和环境效益协调优化。区别于从功能上人手、在强度上保证、以满足人的需求和解决问 题为出发点的传统设计，绿色设计着重考虑产品的环境属性，即自然资源的利用、环境 影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等，并将其作为设计目标来进行产品设计， 是现代设计方法中一种全新的设计理念。 1.2 绿色设计原则 图 1-1 为产品绿色设计过程中应遵循的原则3。绿色制造(Green Manufacturing) 是高效、清洁制造方法的开发及应用，以达到绿色设计目标的要求。绿色制造涉及三部 分问题：一是制造问题，贯穿于产品生命周期全过程；二是环境保护间题；三是资源优 化利用间题。 图 1-1 绿色设计原则 第 3 页 第二章 什么是绿色机床 绿色机床应该具有以下特点： 1) 机床主要零部件由再生材料制造。 2) 机床的重量和体积减少 50%以上。 3) 通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少 3040%。 4) 使用过程中产生的各种废弃物减少 5060%，保证基本没有污染的工作环境。 5) 报废后机床的材料 100%可回收。 2.1 减重节能 据统计，机床使用过程中用于切除金属的功率只占到 25%左右，各种损耗和辅助功能 占去大部分。 机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具 有生态效益的机床（Eco-efficient Machine tool）。绿色机床提出一种全新的概念：大 幅减少机床重量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。 传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机 床重量”。因此，现有机床重量的 80%用于“保证”机床的刚度，而只有 20%用于满足机 床运动学的需要。 绿色机床就是在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量，达到省材、节 能的目的。实现这个目标的途径有两个：通过采用新结构或新的复合材料来实现轻量化。 2.2 MQL 减排 机床使用过程中的润滑冷却液是有害排放物，特别是磨削时采用的乳化液对环境和工 人健康都非常有害。因此，大幅度减少冷却液的使用和排放是绿色机床的基本特徵。实现 这个目标的途径有以下两方面： 1) 干切削，不使用冷却液。这需要机床具有足够的刚性和锋利的刀具，仅适用于某 些加工形状比较简单的铣削和车削工序。 2) 微量润滑（Minimized Quantity Lubrication, MQL）。MQL 适用范围较广，可用 于各种加工方法，但需要专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），并使用专门的润滑剂。 第 4 页 2.3 刀具增效 机床的生产效率出至刀尖上。采用先进的刀具，选择合理的刀具几何角度和切削参数， 可以有效提升切削加工的效率，降低切削过程所需的功率，延长刀具的寿命，从而达到以 较少的资源消耗获得较大产出的目的。 2.4 变废为宝增值再用 金属切削加工切屑是机床使用过程中主要的固体废弃物。传统的方法是将它作为废品 出售给废品回收单位，进入社会废品循环。 江苏省扬力集团在该企业内部将每年数千吨的铁屑和钢屑经过分拣、压块、配料、熔 化浇铸出高质量的球墨铸铁件，变废为宝，制成诸如压力机曲轴等关键零件。 第 5 页 第三章 数控车床组件的绿色设计 3.1 主传动系统的简化 普通车床的主传动系统主要是变速机构的设计，传动链多、传动关系复杂、制造周期 长。与之相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，可 无级调速，使主轴箱的结构大大简化；同时，由于齿轮的减少，降低了噪声，也减少了功 率或效率损耗。目前，在绿色设计规范下，为简化传动链，数控车床主轴驱动主要有三种 形式可供选择：采用变频电机，可实现多档内自动无级调速；采用主轴伺服电机，实 现无级调速；由电动机直接驱动主轴旋转，其中，主轴电动机与主轴可通过联轴器直接 连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。 3.23.2 床身的绿色设计与制造 床身是数控车床的主要支承件，其设计与制造是数控车床绿色制造的重要方面。目前， 采用钢板焊接床身结构代替传统的铸件是床身制造的一种新工艺。由于铸造过程环境污染 严重、能耗高，因此采用铸件床身不利于改善机床的绿色性能。在合理的设计和工艺安排 下，钢板焊接床身结构不但可提高机床的强度和刚性，而且由于减少了铸造工艺而大大减 少了机床在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。同时，为了消 减车床工作中的振动，可在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相对 摩擦来耗散振动能量。需要指出的是，铸造床身因其具有材料成本低廉、铸造性能优良、 易于加工、耐磨性和吸振性好等优点，被广泛采用，所以必须大力推广绿色铸造工艺。 3.3 润滑油路的绿色设计 数控车床的润滑油路主要包括主轴箱油路和导轨润滑油路。一般主轴箱油路是封闭的， 机油在循环使用，不会飞溅污染环境;而导轨润滑油路则是敞开式的，主要通过安装在床 身尾侧的集中润滑器集中供油，没有进行回收，是造成机加工中工作环境污染的主要因素。 根据绿色设计的可回收性设计思想，为达到机油完全回收，可以对导轨润滑油路进行改造 或在导轨外加辅助回油槽。此外，从导轨回流的机油，可能含有杂质，需过滤干净方可重 新使用。为达到此目的，需外加一个多层回油过滤器，使从导轨回流的机油经多层过滤后 再回流到油箱，从而达到机油的反复利用。 第 6 页 第四章 数控车床的可拆卸性设计 4.1 可拆却性设计的准则 在可拆卸性设计过程中引人拆卸设计准则是改善产品拆卸性能的有效方法，如果能够 很好地遵守设计准则，就会大大减少产品对环境的负面影响。目前，通用的 DFD 准则主要 包括以下几个方面： 1) 减少拆卸的工作量。包括使产品模块化，减少连接件的数量，减少使用材料的种 类，采用可兼容的材料，尽量合并需要拆卸的零件，使需要拆卸的零件易于获得。 2) 防止产品结构的改变。包括避免易腐蚀材料处于腐蚀环境、避免零部件被污染等。 3) 易于拆卸。包括保证产品拆卸过程中具有稳定性，废液易于排放，使用易拆卸或 破坏的紧固件，减少紧固件数量，多数零件采用相同的紧固方式，易于到达拆卸或切割位 置，避免零件复杂的拆卸路径，避免塑料件内嵌人金属，零部件表面易于抓取，避免非刚 性零部件，对有毒物质进行密封。 4) 易于分离。包括避免二次处理(油漆、涂层、电镀等)，避免复合材料，对不同材 料进行标识，不采用可能损害拆卸回收性能的零部件和材料。 5) 减少产品组件的多样性。包括采用标准件、通用件，尽量减少紧固件的种类。 4.2 导轨的可拆却性设计 导轨是数控车床的主要构件之一，它的精度直接影响加工工件的尺寸精度。传统的钢 一镶钢导轨由于存在低速进给时爬行、易磨损等缺点，近年来已逐渐被贴塑导轨和滚珠导 轨所取代。 贴塑就是在导轨滑动面上贴一种由聚四氟乙烯和添加青铜粉、二硫化钥及石墨等多种 材料复合成的软带。它可使导轨的摩擦系数降低，稳定性、吸振性更好。根据绿色设计的 可拆卸性设计思想，在数控车床中采用贴塑导轨，其耐磨性好，能有效地防止爬行，具有 自润滑性，提高了导轨寿命，机床报废后贴塑层易分离，并且导轨和床身可重复使用，明 显降低了制造和维护成本，具有良好的经济和生态效益。据验证，贴塑导轨的使用寿命为 普通铸铁导轨的 8 倍一 10 倍，同时刮研修配容易、更换方便。 4.3 数控车床的模块化设计 产品的模块化设计可以减少拆卸的工作量，解决产品品种规格、设计制造周期和生产 第 7 页 成本之间的矛盾，同时又可为提高产品质量、方便维修，增强产品竞争力提供必要条件。 东京大学的研究人员提出了模块化的若干特征：技术成熟，功能可升级，寿命长，易于保 证品质，易于清洗、修复等。数控车床的模块化设计主要包括床身、主轴箱、进给系统、 床鞍、刀架、尾座等部分。 第 8 页 第五章 智能机床致力于“用户友好” 如果说绿色机床的愿景是环境友好，那么智能机床的目标就是用户友好。 “用户友好” 的含义在于大幅提升工作效率和确保工作更加舒适且安全。这就要求机床能够自主管理自 己，自动识别加工任务和加工状态，无需或很少需要人工干预，同时还能够及时与操作者 沟通，变得“聪明”起来，开拓数控机床的新纪元。 机床在加工过程中不可避免地会产生各种误差，需要采用现代监控和补偿技术，从而 进一步提高机床的性能和通信能力。2005 年，美国国家标准与技术研究所提出“聪明加 工系统”(Smart Machining System ) 的研究计划。聪明加工系统的实质是制造系统的智 能化和网络化。 聪明加工系统的四大目标是： 1) 系统动态优化。将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动 态性优化。 2) 设备自适应化。开发新的测量方法、模型和标准，在运行状态下对机床状态监控， 借助在线测量、传感和实时分析进行自我诊断和误差补偿，提高机床的工作性能。 3) 采用新一代数控系统。与 STEP-NC 兼容的接口和数据格式，使基于 CAD 模型的机 器控制能够无缝运行。 4) 在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。 5.1 智能主轴 主轴是机床的心脏，它的状态直接关系到加工精度和加工效率。德国阿亨工业大学与 西班牙技术中心合作对主动磁浮轴承的主轴进行研究，借助磁浮轴承中的力、电流和位置 传感器，来测量切削力、以及刀尖点的位置、速度、加速度的变化，并基于此开发出高速、 高精度的主轴。瑞士 GF 阿奇夏米尔集团生产的 MIKRON HSM 系列高速铣削加工中心可配置 聪明加工系统，其功能之一就是加工过程监控，以便用户观察铣削过程是否正常。其原理 是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动能够以加 速度 “g 载荷”值的形式显示 具有振动监控的高速主轴振动大小在 010g 范围内分为 10 级。其中，03g 表示加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态；37g 表示加工过程需要调 整，否则将导致主轴和刀具寿命的降低；710g 表示危险状态，如果继续工作，将造成主 轴、机床、刀具和工件的损坏。而且，控制系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多 第 9 页 长时间，即主轴寿命还有多长。在过程监控系统中也可由用户设定一个 g 极限值，当振动 超过此值时，系统报警并自动停机。系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分 析，记录的数据包括：日期、时间、g 值、g 极限、主轴转速、刀具号、进给率、数控程 序块号和程序名。可记录程序块的容量达 18,000 个，如果取时间间隔为 2.5 秒，可记录 过程状态长达 12.5 小时之久。 5.2 热变形补偿 机床热变形是影响加工精度的主要因素之一。产生热变形的因素很多，主要是来自机 床的工作环境和机床内部的热影响： 1) 环境影响。例如，车间的温度分布和温度变化以及空气对流；日光、暖气和邻近 机床等热源的影响；以及来自机床基础的热传导。 2) 机床内部的影响。例如，机床零部件的发热（轴承、丝杆、导轨、电动机、液压 系统等） ，切削过程产生的热量以及冷却系统的发热。 上述热影响对机床结构来说是一种复杂的热输入，它随时间和机床工作状态而变化， 是不可预测的，而最终造成机床热变形的大小和部位还取决于机床结构材料的热性能，即 材料的热胀系数、导热率和热容量以及机床的结构设计，即部件形状、质量和热源的分布。 因此，机床结构的热场分布是不均匀且不稳定的，呈现为一种动态的三维梯度的热场。为 了对机床在工作状态下的热变形进行补偿，还需要考虑切削和运动载荷所造成的变形。这 就需要在机床的关键部位