（机械工程专业论文）面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计与评价技术研究.pdf

中文摘要 摘要 制造业已成为创造人类财富的支柱产业，是人类社会物质文明和精神文明的 基础；但是，另一方面，制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中以及在产 品的使用和处理过程中，消耗掉了大量人类社会有限的资源并对环境造成严重污 染。有鉴于此，如何使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是当前制 造业面临的重大课题。为此，制造业实施绿色制造己势在必行。机床设备是零部 件加工的主体，对零件的生产率、加工质量、生产成本以及能量消耗、辅助物料( 如 刀具、切削液等) 的消耗、噪声、安全卫生、切屑的回收、废液的产生等的影响很 大。同时机床设备作为一种复杂产品，其设计、制造过程也是一个消耗资源和造 成环境污染较重的过程。目前，绿色机床加工系统已经成为绿色制造领域的一个 重要研究领域。其中齿轮加工机床的绿色化发展比较快，受到国际多家著名厂商 的关注，特别是高速干式滚切机床，以其高效、高刚性、不需要切削液、绿色环 保的特点而成为热点。重庆机床厂在国家8 6 3 高科技项目“面向绿色制造的工艺 规划关键使能技术及应用支持系统研究”和2 0 0 1 年国家人事部回国留学人员a 类 资助项目的支持下，开发了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机y k s 3 1 1 2 系 列机床。本论文将围绕该机床的研发工作展开研究，对面向绿色制造的高速干式 切削滚齿机的共性关键设计技术及其绿色评价技术进行总结、讨论，其主要的研 究内容如下： 1 、在论述滚齿加工基本原理、特点及用途的基础上，对传统滚齿机的结构、 性能以及绿色特性进行分析，提出了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机的设计 要求和涉及目标，并对美国、德国、日本等几家著名公司开发的高速干式切削滚 齿机的绿色特性进行了分析和比较。 2 、对面向绿色制造的高速干式切削滚齿机的若干项关键技术进行了研究，包 括：总体布局设计技术、传动系统设计技术、床身及排屑系统设计、刀具主轴及 工作台主轴高速旋转的设计、滚刀安装部位及工件接触部位的设计技术、安全防 护设计等。 3 、对面向绿色制造的高速干式滚齿机的干式切削加工技术进行研究。分析和 比较了涂层硬质合金滚刀和涂层高速钢滚刀干式切削的机理及特点；分析了干式 切削加工中窜刀、刀具磨损和加工质量等方面的问题。 4 、对面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计的评价方法进行了研究。首先 对绿色性评价的思想进行了介绍，然后从制造和加工特性两个方面，建立起面向 绿色制造的高速干式切削滚齿机的评价指标体系，引入评价指标的参考评价标准， 重庆大学硕士学位论文 从而建立其评价模型，最后采用模糊综合评价法进行模型求解，即可得到反映高 速干式切削滚齿机绿色特性的综合评价值，综合评价值越大滚齿机的绿色性越好。 5 、结合y k s 3 1 1 2 数控高速干式切削滚齿机进行了案例分析。对y k s 3 1 1 2 数 控高速干式切削滚齿机的设计实践及特点进行了分析。最后对y k s 3 1 1 2 、 y b s 3 1 1 2 、l c l 2 2 三种滚齿机进行了综合的绿色性评价，对所提出的评价模型与 方法进行了验证。 关键词：绿色制造，高速干切，滚齿机设计，滚齿机评价 英文摘要 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m eo n eo ft h ep i l l a ri n d u s t r i e sf o rc r e a t i n go fh u m a n w e a l t h ，a n di ti sa l s ot h eb a s i so nw h i c ht h ec u l t u r a la n di d e o l o g i c a lp r o g r e s so fo u r h u m a ns o c i e t yc a nb em a d e h o w e v e r , i tc o n s u m e st r e m e n d o u sa m o u n to fo u rl i m i t e d n a t u r a lr e s o u r c ea n dp r o d u c e sp o l l u t i o nd u r i n gt h ep r o c e s sw h i l ei tt r a n s f o r m i n gt h er a w m a t e r i a l si n t oac e r t a i nk i n do f p r o d u c t sa n dt h es u b s e q u e n tp r a c t i c a lu s ea n dd i s p o s a lo f t h e m i nv i e wo ft h i s i th a sb e c o m ea nv e r yp o p u l a rs u b j e c tf o r t h em a n u f a c t u r i n g 幻 r e d u c et h ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c ea n dm i n i m i z et h ep o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t s o ， i ti s i m p e r a t i v et h a tt h em a n u f a c t u r i n gm u s te v o l v ei n t oac l e a na n dg r e e ni n d u s t r y m a c h i n et o o l s ，a st h eb a s i cm e a n sf o rc u r i n go rs h a p i n gm a c h i n ep a r t s ，h a v ep r o f o u n d i n f l u e n c eo nas e r i e so ff a c t o r si n v o l v i n gi nt h em a n u f a c t u r i n g ，s u c ha sw o r ke f f i c i e n c y a n dp r o d u c tq u a l i t y , c o s t sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，m a c h i n et o o l i n g ，o i la n dc o o l a n t ， n o i s el e v e l ，w o r ks a f e t y , a n dt h ed i s p o s a lo fc u t t i n gc h i p sa n dw a s t ef l u i d s ，e t c i nt h e m e a n t i m e ，t h ed e s i g na n db u i l d i n go fam a c h i n et o o li sa l s oap r o c e s st h a tw i l lc o s ta g r e a ta m o u n to fr e s o u r c ea n dc a u s ep o l l u t i o n st ot h ee n v i r o n m e n t a tt h ep r e s e n t ，t h e s t u d i e so fg r e e nm a c h i n et o o la n dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t b r a n c ho ft h eg e n e r a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a m o n gt h e m ，p e o p l eh a v ea t t a c h e dg r e a t i m p o r t a n c ei nd e v e l o p i n gg r e e ng e a rp r o d u c i n gm a c h i n et o o l s e s p e c i n l gt h ed r y c u t g e a rh o b b i n gm a c h i n e sh a v ea t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sh i g hw o r ke f f i c i e n c ya n d s t r u c t u r a lr i g i d i t y , g r e e np e r f o r m a n c eb e c a u s eo fc u t t i n go i ln e e d e d t h ec h o n g q i n g m a c h i n et o o lw o r k sh a sd e v e l o p e ds u c ham a c h i n e - - t h em o d e ly k s 3 1 1 2 g e a r h o b b e r , a n dt h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m ，t h en a t i o n a ls u p p o a i n g p r o g r a mc l a s s a f o rt h ep r o j c o t si n i t i a t e db yt h er e t u r n e ds t u d e n t s i nt h i sa r t i c l e ，a s t u d yi se l a b o r a t e da r o u n dt h ed e v e l o p i n go ft h i sm a c h i n e i ts t u d i e dt h eg l nf e a t u r e s f o rad r y - c u tg e a rh o b b e ri ng e n e r a l ，a n di t sd e s i g ns k i l li np a r t i c u l a r , a sw e l la st h e t e c h n o l o g yf o ra s s e s s m e n to fi t sg r e e np e r f o r m a n c e ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e n d r a w nb a s e do nt h ed i s c u s s i o n sm e n t i o n e da b o v e t h em a j o rp o i n t so ft h i s a r t i c l e c o n s i s to f f 1 a f t e rad i s c u s s i o no ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eg e a rh o b b i n gp r o c e s s ，a n di t s f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n s ，a na n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h ec o n s t r u c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so fat r a d i t i o n a lg e a rh o b b e r a f t e r w a r d s ，t h ea u t h o rp r o c e e d e dt op r e s e n t a h i g h s p e e dd r y c u t t i n gg e a rh o b b i n gm a c h i n ef o rt h eg r e e nm a n u f a c t u r i n g ，a n d e x p l a i n e dt h et a r g e t si ni t sd e s i g n a l s o ，ad e s c r i p t i o na n dc o m p a r i s o no fg r e e nf e a t u r e s 重庆大学硕士学位论文 o fs o m ef o r e i g nm a d eh i g h s p e e dd r y c u t t i n gg e a rh o b b e r s 2 s t u d i e sh a v eb e e nm a d eo nt h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rd e v e l o p i n gah i 曲一s p e e d d r y - c u t t i n gg e a r h o b b e rf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g ，i tc o v e r i n gs u c ha r e a sa st h e m a c h i n e sg e n e r a ll a y o u t ，t h et r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n ，t h em a c h i n ef r a m ea n dt h e c h i pe v a c u a t i o ns y s t e m ，b o t ht o o la n dw o r ks p i n d l e sd e s i g n ，t o o l i n gs y s t e m s ，a n dt h e s a f e t ym e a s u r e s 3 t h es t u d yo ft h ew o r k i n gt e c h n n o g yo fah i 曲- s p e e dd r y c u t t i n gg e a rh o b b e r w i t hg r e e np e r f o r m a n c e t h i si n v o l v e si nas t u d yo ft h ec o a t e dc a r b i d es a n dh s sb o b s b yc o m p a r i n gt h e i rr e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc u t t i n gm e c h a n i s m so b s e r v e di nt h e p r o c e s so fd r yc u t t i n g t h ea u t h o rf n l t h e re x p o u n d e dt h eh o bs h i f t i n g ，t o o lw e a r , a n d w o r k i n ga c c u r a c yi nt h ed r y c u t t i n gp r o c e s s 4 t h ea u t h o rp r e s e n t e daw a yf o ra p p r a i s i n go fah i 曲一s p e e dd r y c u t t i n gg e a r h o b b e rw i t hg r e e np e r f o r m a n c e ap r i n c i p l eo ft h ea p p r a i s e m e n ti sf i r s ti n t r o d u c e d ，a n d t h e ne s t a b l i s h e da na p p r a i s i n gs y s t e mw h i c hc o v e r st w oa s p e c t s - - t h em a c h i n e s w o r k i n gp e r f o r m a n c ea n di t sg r e e nc h a r a c t e r i s t i c s h e r e ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e ds o m e c r i t e r i a ，f r o mw h i c ha na p p r a i s e m e n tm o d e li sb u i l tu p f i n a l l yas o l u t i o ni sf o u n db y u s i n gac o m p r e h e n s i v ev a g u ea p p r a i s i n gs y s t e m ，w h i c hr e f l e c t st h eg e n e r a lv a l u ei n t e r m so fg r e e np e r f o r m a n c e - - t h eg r e a t e rt h ea p p r a i s i n gv a l u ei s ，t h eb e t t e rg r e e n p e r f o r m a n c et h em a c h i n eh a s 5 t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ep r a c t i c eo fi nd e s i g n i n gad r y c u t t i n gg e a rh o b b e r f i n a l l y , ac o m p r e h e n s i v ec o m m e n th a sb e e nm a d eo nt h eg r e e np e r f o r m a n c eo ft h r e e g e a rh o b b e r s ，m o d e ly k s 3 1 1 2 ，y b s 3 1 1 2a n dl c l 2 2 ，a n dt h em e t h o da n dm o d e lu s e d f o ra p p r a i s i n ga r ev e r i f i e d k e yw o r k s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，h i g h s p e e dd r y - c u t t i n g ， g e a rh o b b i n gm a c h i n ed e s i g n ，a s s e s s m e n to fg e a rh o b b i n gm a c h i n e s v f 绪论 1 绪论 l ，l 课题的研究意义及来源 1 1 1 课题的研究意义 制造业已成为创造人类财富的支柱产业，是人类社会物质文明和精神文明的 基础；但是，另一方面，制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中以及在产 品的使用和处理过程中，消耗掉了大量人类社会有限的资源并对环境造成严重污 染。有鉴于此，如何使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是当前制 造业面临的重大课题。为此，制造业实施绿色制造已势在必行。 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使 得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对 环境的负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。 机床设备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，主要体现为四个技术途径：1 ) 研制新型的加工 工艺及工艺设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适当的绿色性改造，如通过数控化简 化机床结构，增加全密封护罩和油雾分离器减少油雾对车间环境的污染；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，减少加工过程中能 耗和废液排放，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机床系统，由于齿轮使用的量 大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。 特别是，随着汽车工业的高速发展，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、摩托车等行业中 占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种，其占齿轮加工机床拥 有量的4 0 - 5 0 ，它主要用来加工哑柱齿轮和蜗轮等。传统滚齿机在加工过程中有 以下特点：( 1 ) 滚削钢齿轮时，应用切削液可提高刀具寿命，改善加工表面质量和 利于排出切创热而不致引起机床的热变形。但是，在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、混油严重。( 3 ) 加工成本高。机床的材料用量、能耗、油耗及附加 费大，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2 0 左右。( 4 ) 生产效率低下，加工质量差，难以满足现代企业生产的要隶。在这种背 景下，重庆机床厂在2 0 0 0 年提出了开发系列新型绿色环保滚齿机的战略目标具 重庆大学硕士学位论文 体产品包括y k s 3 1 2 0 、y k s 3 1 3 2 、y k a 3 1 2 0 、y k x 3 1 3 2 等数控滚齿机。 由于产品的研制成功，工厂取得了巨大的经济效益和社会效益。在2 0 0 1 年由 于技术的不断成熟和市场需求，我们又进一步提出了研究“面向绿色制造的高速 干式切削滚齿机y k s 3 1 1 2 及y e 3 1 1 2 c n c 7 系列数控高速干式切削滚齿机”。 本产品的开发成功将使重庆机床厂制造的滚齿机拥有更大的市场份额，创造更好 的经济效益和社会效益，同时在技术上达到当代国际先进水平。 1 1 2 课题的来源 本课题研究内容的来源： 1 ) 国家8 6 3 项目“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研 究( 2 0 0 1 a a 4 1 2 2 0 0 ) ”； 2 ) 2 0 0 1 年国家人事部回国留学人员a 类资助项目一y k s 3 1 8 ，y k s 3 1 1 2 环保 型数控高速滚齿机的开发； 3 ) 2 0 0 2 年重庆市技术创新重点实施项目一y k s 3 1 1 2 六轴四联动数控高速滚 齿机的开发。 1 2 课题国内外研究现状分析及发展趋势 1 2 1 绿色制造的国内外研究现状分析 t 1 绿色制造的国夕 研究现状 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u s m a n u f a c t u r i n g ) 、面向环境的制造( m f e ) 等。近年来的研究非常活跃，如：1 9 9 6 年， 美国制造工程师学会( s m e ) 发表了关于绿色制造的蓝皮书( g r e e nm a n u f a c t u r i n g f 2 】，提出绿色制造的概念，并对其内涵和作用等问题进行了较系统的介绍，1 9 9 8 年s m e 又在国际互联网上发表了“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告【3 j 。国 际电子电器工程师协会( i e e e ) 和日本生态设计( e c o d e s i g n ) 协会联合发起。在松下、 s o n y 、i b m 、丰田等多家跨国公司赞助下，i n t e r n m i o n a ls y m p o s i u m o n e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sd e s i g na n di n v e r s em a n u f a c t u r i n g 国际研讨会迄今已成功 举办了3 届，对环境意识制造和逆向制造技术展开了讨论。美国的一些国家重点 实验室和国家标准技术研究院，以及麻省理工学院、b e r k e l e y 加州大学等著名高等 学校，均纷纷开展了这方面的研究。欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国公 司都制定了绿色制造实施目标和措施，开展节能、降耗、产品生命周期评估( l c a ) 【4 】 5 1 6 1 、环境审核、绿色产品开发等具体工作，如日本本田公司2 0 0 1 年曾提出“到 2 0 0 3 年将全面实施绿色制造”的口号。特别是，近年来随着i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体 系系列标准【7 1 、o h s a s l 8 0 0 0 职业健康与安全卫生标准系列、绿色产品标志认证等 的颁布，企业环境管理和绿色制造的研究更加活跃。截至2 0 0 2 年底，已有1 1 8 个 1 绪论 国家4 9 4 6 2 家企业已经获得i s 0 1 4 0 0 1 环境管理体系认证【8 】o2 0 0 2 年度，由于中国 政府和企业的积极参与有1 7 1 8 家企业获得认证，列全球第2 位，仅次于日本。 2 ) 绿色制造的国内研究现状 绿色制造自提出以来受到了国内各单位的高度重视，并展开了大量的研究。 目前包括重庆大学、清华大学、中国工程院、上海交通大学、合肥工业大学、北 京理工大学、山东大学等在内的许多单位都进行了这方面的研究。国家8 6 3 和国 家自然科学基金也支持了大量绿色制造方面的课题，有力的推动了该领域的研究 工作。在近年来的研究工作中，已形成了一批专门从事绿色制造研究的科研队伍， 发表了大量的研究论文，出版了多本绿色制造方面的专著，有关技术手册也收录 了绿色设计与制造方面的技术。国家8 6 3 现代集成制造系统网络c i m s n e t 已将绿 色制造列为技术专题之一，跟踪报道绿色制造的研究动态。 重庆大学的刘飞教授一直从事与面向绿色制造工艺方面直接相关的机械加工 能量特性、制造系统物能资源节约，工艺要素规划、工艺过程规划以及工艺评价 与决策等方面的研究【9 1 1 0 1t 2 9 。在1 9 9 9 年国家8 6 3 c i m s 资助的课题“绿色制造工 艺规划方法及实用技术研究”中，对九个工艺大类中的若干典型工艺的资源环境特 性进行了研究，并初步建立了绿色制造工艺数据库知识库的原型系统，目前正在开 展的8 6 3 c i m s 项目“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研 究”，在对工艺规划的关键使能技术进行研究的基础上，开发了一套面向绿色制造 的工艺规划应用支持系统，用于辅助工艺人员进行绿色工艺的决策和评价。 清华大学于2 0 0 1 年在国家、学校和企业多方资助下，建立了清华至卓绿色制 造研发中心，主要从机电产品绿色设计，线路板的回收，产品全生命周期评估 ( l c a ) ，以及机电产品的拆卸回收处理等方面进行绿色制造的研究，并开发了一个 绿色网站用于介绍国内外的研究成果，最新动态，提供绿色制造技术咨询，开 展绿色制造技术应用，从而提高全民的绿色环保意识。 中国工程院早在2 0 0 0 年提出了设立绿色再制造工程及其在我国应用的前景 的咨询项目的报告，报告中指出再制造是一项系统工程，它对国家经济的可持续 发展、产生的社会和经济效益以及就业等问题都将会做出重大贡献，这一项目的 提出受到国务院有关领导的重视，“再制造”被列入了有关部门“十五”期间前瞻、优 先发展的技术领域。 上海交通大学对产品的绿色设计，绿色回收方面进行了研究，包括面向产品 回收的绿色设计，废旧回收及关键技术的研究，并建立了中国绿色设计数据库； 合肥大学的刘光复教授主要的研究对象是面向可拆卸性设计和产品的绿色设计； 北京理工大学对零件生产的绿色制造进行研究；山东大学也相应地开展了绿色制 造技术及其评价体系等方面的研究。 重庆大学硕士学位论文 1 2 2 滚齿机的国内外研究现状分析 1 ) 滚齿机国内研究现状1 3 0 j 1 3 3 f 3 4 j 【3 5 】 近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要内容经历了从传统机械式滚 齿机通过数控改造发展为2 3 轴( 直线运动轴) 实用型数控高效滚齿机，到全新的六 轴四联动数控高速滚齿机的开发。滚齿机加工( 钢件) 全部采用湿式滚齿方式，由于 滚刀线速度在大于7 0 m m i n 后，会产生大量油雾，目前油雾的处理是采用全密封 护罩加油雾分离器的方式将油和雾分开，将不含油的雾排向车间，冷凝后的油回 到机床内循环使用；夹着油污的铁屑则通过磁力排屑器将铁屑和大部分油污分离。 目前，国内主要滚齿机制造商重庆机床厂及南京二机床有限责任公司生产的系列 数控高效滚齿机己采取全密封护罩加油雾分离器和磁力排屑器的方式部分地解决 环保问题。世界上滚齿机产量最大的制造商一重庆机床厂从2 0 0 1 年开始研究面向 绿色制造的高速干切滚齿技术，2 0 0 2 年初研制成功既能干切又能湿切的y k s 3 1 1 2 六轴四联动数控高速滚齿机，2 0 0 3 年初又开始研制面向绿色制造的纯高速干式切 削滚齿机，现即将进入商品化阶段。国内还没有其它有关对此进行研究的报道， 重庆机床厂在数控高速干切滚齿加工技术方面处于国内领先的技术水平。 2 1 滚齿机的国外研究现状1 2 9 j 3 0 1 p 】f 3 2 】 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。 在国外发达国家，由于在工业发展过程中大量掠夺性使用资源及只注重生产 效率，使其工业已发展到较高的水平，人们的物质生活水平也得到了提高。此时 他们己感到早期的掠夺性使用资源及生产过程中不重视对环境的保护造成了对地 球环境的极大破坏。因此，目前发达的工业国家如美国、德国及日本等都极其重 视对环境的保护，在制造业领域绿色制造的要求提出得较早。 目前国际上生产滚齿机的强国一美国、德国和日本，也是世界政治大国、经 济强国和汽车生产大国。美国的g l e a s o n - p f a u t e r 公司【3 6 】，德国的l i e b h e r r 公司【3 ”， 日本的三菱重工公司( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r y ) 口8 1 、坚藤( k a s h i f u j i ) p ”、 清河( s e i w a ) 公司和意大利的s u 公司是国外最具实力的滚齿机制造商。这些公司目 前生产的滚齿枫都是全数控式的，对于中小规格滚齿机都在朝着高速方面发展， 所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决 环保问题。近年来，为更好地满足滚齿加工中的绿色制造，德国l i e b h e r r 公司早 在十几年前就开始研究高速干式切削滚齿机，日本三菱重工则是最早将高速干式 切削滚齿机商品化的制造商，它们的成功还得益于滚刀制造技术的提高。目前， l i e b h e r t 、g l e a s o n p f a u l e r ，三菱重工、s u 、坚腾和清河均开发了适用于高速干式 4 1 绪论 切削的滚齿机产品。在特别重视环保的世界著名齿轮制造商，如德国z f 公司、美 国f o r d 汽车公司等使用高速干式滚齿已成为主流，在我国上海汽车齿轮公司及陕 西发士特公司也已开始采购三菱重工公司生产的干式切削滚齿机。 表1 1 为目前国外最先进干式切削滚齿机的制造商及代表性产品的主要技术 规格参数表。其中g l e a s o n - p f a u t e r 的g p l 3 0 系列可以达到不用切削液、液压油和 润滑油。 表1 1 目前国外最先进干切削滚齿机的主要技术规格参数表 t a b l e1 1m a i nt e c h n i c a ld a t ao f s o m ef o r e i g n m a d em o s ta d v a n c e d d r y - c u t t i n gg e a rh o b b i n gm a c h i n e s g l a s o nl i e b h e r r 三菱重工坚藤 s u 序 项目 g p l 3 0l c 8 0 g e l 5 a k n l 5 1 c n c s 1 0 0 号 立式且武 立式立式 立式 1最大加工直径m m 1 3 08 01 5 01 5 01 0 0 2 最大加工模数m m 32 4 d 3 3 滑板行程 m m2 5 02 5 0 2 5 0 4 0 0 2 0 0 4滚刀最高转速m i n 13 0 0 09 0 0 0 3 0 0 0 1 3 3 0 3 5 0 0 5 工作台最高转速m i n 。 1 0 0 08 0 05 0 01 0 0 0 滚刀最大直径长度 68 0 1 7 09 0 x 2 0 01 1 0 1 8 0 1 3 0 1 8 08 0 2 4 0 m m 7 滚刀窜刀量 m i l l1 4 01 8 01 5 01 5 02 0 0 8 主电机功率 k w1 41 0 - - 2 2l l5 51 5 9 机床重量 k g 9 5 0 05 5 0 07 5 0 06 5 0 0 高速干式切削滚齿机是滚齿机朝着全数控化一数控高速化后更进一步发展的 结果，它的实现还得益于滚刀制造技术的提高和数控技术、电主轴及力矩电机等 技术的发展。 1 2 3 绿色滚齿机的发展趋势【1 1 1 【2 2 】1 2 3 】 2 9 1 1 3 7 】 从环保生态学和技术经济角度出发，废除切削油采用干式切削是大势所趋。 干式滚齿分为高速干式滚齿和低温冷风干式滚齿两种方式。 湿式切削法需要配置油箱及油路系统，还需采取措施防止油变质，以及进行 重庆大学硕士学位论文 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。湿式切削只能通过全密封护罩加油雾分离器的方式部分地达到绿色制 造的要求，目前这种环保型湿式切削滚齿机在发展中国家还会有大量需求。 低温冷风切削是在现有高效滚齿机的基础上增加低温冷风装置并采用极少量 的切削润滑油，滚刀线速度在7 0 - - - 1 5 0 r e r a i n 均可，这种方式的干式切削在现有高 效滚齿机的绿色化改造中会大有前途。 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 6 0 0 r a m i n ，这就为高速干式切削滚齿机的应用提供了保障。干式切削与湿式切削 相比，高速干式切削滚齿机由于完全不需要切削油及不需要增加低温冷风装置， 不但极大的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，高速干式切削滚齿机将成为齿轮制造商新购加工设备的舀标，近几年 国际上各大滚齿机制造商都在集中精力开发高速干式切削滚齿机。所以面向绿色 制造的高速干式切削滚齿机将是绿色滚齿机发展的趋势。 1 3 课题研究的主要内容 实施绿色制造是制造业发展的必然趋势，滚齿机是制造业中不可缺少的加工 设备之一。通过对绿色制造和滚齿机的国内外研究现状的分析，提出了滚齿机的 未来发展趋势面向绿色制造的高速干式切自u 滚齿机。本文对面向绿色制造的 高速干式切削滚齿机的设计技术进行了研究，对设计的目标，关键技术。设计后 的评价模型等内容进行了详细的研究，并基于上述理论开发了一台y k s 3 1 1 2 高速 干式切削滚齿机，通过评价模型对该滚齿机的绿色性进行了综合评价。本文的内 容结构如图1 1 所示。 论文各个章节的主要内容如下： 第一章绪论，首先论述了课题的研究意义和来源，然后对绿色制造和滚齿机 国内外的研究现状进行了分析，提出面向绿色制造的高速干式切削滚齿机将成为 滚齿机的未来发展趋势，最后对论文的结构和研究内容进行了简要的介绍； 第二章面向绿色制造的高速干式切削滚齿机及其设计目标，在论述了滚齿加 工基本原理、特点及用途的基础上，对传统的滚齿机的结构、性能以及绿色特性 进行了分析，提出了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机，介绍了这种滚齿机的 特点、设计目标，最后对国外几家著名公司开发的高速干式切削滚齿机进行了分 析： 第三章面向绿色制造的高速干式切削滚齿机关键设计技术研究，是在第二章 的理论基础上，对设计面向绿色制造的高速干式切削滚齿机的几项关键技术进行 6 1 绪论 了详细的研究，分别包括：总体布局设计、传动系统设计、床身及排屑系统设计、 刀具主轴及工作台主轴高速旋转机构的设计、滚刀安装部位及工件接触部位的设 计、安全防护设计等关键技术的研究； 第四章面向绿色制造的高速干式滚齿加工技术研究，分析了湿式加工在各个 方面存在的不足，采用涂层硬质合金滚刀和涂层高速钢滚刀实现了干式切削加工， 克服了湿式加工的不足。在此基础上，对采用硬质合金滚刀的干式切削和采用高 速钢滚刀的千式切削，包括切削加工中的窜刀、磨损和加工质量等方面的问题进 行了详细的研究。 第五章面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计的评价模型及方法的研究， 给设计后的高速干式切削滚齿机提供了进行绿色性分析和评价的理论和方法。首 先对绿色性评价的思想进行了介绍，然后从制造机床和使用机床加工零件两个方 面，建立了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机的评价指标体系，引入评价指标 的参考评价标准，从而建立其评价模型，最后采用模糊综合评价法进行模型求解， 即可得到反映高速干式切削滚齿机绿色特性的综合评价值； 第六章y k s 31 1 2 数控高速干式切削滚齿机的设计实践及绿色评价，首先是根 据第二章的总体设计思想，以及第三章的关键技术的研究，设计了一台面向绿色 制造的y k s 3 1 1 2 数控高速干式切削滚齿机，对该滚齿机的部分关键技术进行了详 细的论述，然后根据第五章的绿色评价理论和方法，对y k s 3 1 1 2 、b s 3 1 1 2 、l c l 2 2 三种滚齿机进行了综合的绿色性评价。 重庆大学硕士学位论文 图1 i 研究内容结构图 f i g 1 1 s t r u c t u r ea n dc o n t e n to f t h et h e s i s 8 2 面向绿色制造的高速干式切削滚齿机及其设计目标 2 面向绿色制造的高速干式切削滚齿机及其设计目标 2 1 传统滚齿机及其绿色特性分析 2 1 1 滚齿加工的基本原理、特点及用途 2 5 】1 2 6 根据尺寸、材料和用途的不同，齿轮可用不同的方法制造。滚齿法已被证明 是通过切削方法在齿圈上产生齿形最经济的方法，实际上蜗轮只能用滚齿的方法 加工。 滚齿法的高生产率在于它所应用的刀具的形式，滚刀的形状像支蜗杆，经 绕着它的多霞螺旋面被一些容屑槽截断，然后铲背形成滚刀刀齿。切削过程中， 滚刀和工件的轴线相互交叉，滚刀和齿坯都回转，同时滚刀进入连续的切削过程( 如 图2 1 所示) 。这种对滚的关系与一对蜗轮副相同，而齿廓是靠连续的展成切削来 形成的。切除金属的进给运动是相对于工件径向、轴向或切向的直线运动，它取 决于为适应具体要求所采用的工作循环。这种相互配合的运动由于没有空转的返 回行程而能达到很高的金属切除效率，这是高生产率的先决条件。 滚齿的特点是连续切削，但在加工过程中切削力是不断变化的。 通过滚齿法可加工渐开线齿廓和非渐开线齿廓。 滚齿机是齿轮加工机床中市场需求数量最大的一种，约占齿轮加工机床的 4 0 - 5 0 ，它主要用来加工圆柱类齿轮及蜗轮。 图2 1 展成滚齿原理 f i g 2 i t h eg e n e r a t i n gp r i n c i p l eo f g e a rh o b b i n gp r o c e s s 重庆大学硕士学位论文 2 1 2 滚齿机系统结构及性能 传统机械滚齿机包括一些相互连接的传动链以完成各机械部件所需要的单独 的或组合的运动，这些传动链中有调整工作参数所用的各种交换齿轮传动。根据 被加工工件的齿数及螺旋角的不同需要计算并更换相应的交换齿轮，要改变进给 运动的进给量及主运动转速也是通过更换交换齿轮的方法实现，对于刀架转角、 窜刀、拉紧刀具等都靠手工完成。所有这些调整工作都需要知识和经验，并要花 费大量时间。 六轴四轴联动数控滚齿机是将传统机械滚齿机的滚刀主轴回转运动、工作台 回转运动、刀架旋转运动、径向进给运动、轴向进给运动及切向进给运动六个运 动均由独立的交流伺服电机或交流主轴电机驱动。机床用“电子齿轮箱”实现分 度运动、差动补偿，采用展成法加工各种齿类零件。 滚齿机系统包括祝械部分及控制部分，由刀架( 滚刃箱) 、刀架滑板、立柱、 床身、工作台、小立柱( 外支架) 、护罩、冷却系统( 湿式切削用) 、排屑系统、润滑 系统、电箱、电气控制、液压控制及附件等部件组成。 数控滚齿机具有多种加工循环： ( 1 ) 轴向加工循环； ( 2 ) 径向加工循环； ( 3 ) 一次框方框循环； f 4 ) z 次方框循环 ( 5 ) l 循环； f 6 ) 顺、逆铣选择等。 数控滚齿机的加工对象： ( 1 ) 圆柱直齿轮、斜齿轮( 轴齿轮、盘齿轮) ； ( 2 ) 蜗轮； ( 3 ) 小锥度齿轮； ( 4 ) 鼓形齿轮； ( 5 ) 花键； f 6 ) 链轮； 不同模数、不同齿数、不同螺旋角大小及方向的双联和多联齿轮。 2 1 - 3 滚齿机的绿色特性分析 滚齿机制造业是将原材料等资源通过机械加工及装配形成可供人们利用其加 工出齿轮的滚齿机产业。在将原材料转变为滚齿机的制造过程中以及在滚齿机的 使用过程中。都会产生废弃物i 嘲( 如；油污、油雾及制造资源中末被刹用的部分。) ， 这些废弃物是滚齿机制造业及滚齿加工业对环境污染的主要根源。图2 2 是滚齿 0 2 面向绿