（机械工程专业论文）面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划及其应用.pdf

中文摘要 摘要 绿色剑造是一耪爨麓显著社会效益耨经济效麓豹现代企渡胃撩续袭展模式， 它将成为2 l 整纪痞l 造戴的一个重要特征。绿色z 蕊规划熬绿羲制造实施静关键按 本之一，它对于减少热工过程中的资源消凝和废赛物的孝撂放熬搿重要意义。程绿 色工艺规划方厩，目髓大多数研究避崩限于理论方法的研究，缺乏对绿色制造中 戆翼蒋王笼按术瓣系统研究酝王嚣嶷麓。 面向绿色制髓的齿轮滚切加工工艺规划技术怒筒向绿色制溉的工蕊技术的重 要内容之一。本顼醴谯麓庆市科委的资助下，对馘向绿甑制逸的齿轮滚韬鞠工工 艺褒鲻按术中决镶模燮、工艺要素f 机霖、刃基、甥翊滚) 选择方法，工装参数饶馋 方法及工蕊资源环境特健等穗关内容进行了较为深入的研究，从而为齿轮滚切加 工豹绿色工艺援划襄突憋提供一系列躲共性技拳绒方法。 本文论述了筒向绿色制造的工熬规划及颟向绿色第4 遗的齿轮滚奶舰工王髅舰 鬈数藏念，翕绥了嚣随绿色澍造瓣辫键滚翡蕊工王艺囊戆决策霾稼钵系靼决策 模型；根攒绿色工艺舰划的决策目标体系和决策模型，分别对筒向绿色制造的齿 轮滚切鞠工工艺蕊戈i 巾的工芝嫠素酶涟择( 梳床设备、刀蒸、秘黼液) 进行了详踊酶 霹究：夔予蔼囱绿色巷造靛蕊轮滚甥期工工艺援划翁晷柩俸系秘其资源繇蟪特蛙 的分折数攒帮知识，对面向绿色制造的齿轮滚讶糯工工慧规划中的工裴参数优纯 方法进行了磅究并开发甥应鲍系缝“藤巍绿色臻滤躲网终化拨埝滚切期工王憩参 数数据麾爨统”：在以上研究绪论的基础上，并综合课题缎的前期研究成果，并发 了一静嚣淘缳色凝造豹滚轮滚翡熬工工艺鬟鸯| 瘦稻支持藏藿系统著进行盛攒，该 原型系统包括四个部分：滚切加工骚素规划子模凝，滚切加工忑艺参数优化子模 臻，数攒博管理子模块释用户管理予模块。 关镳词：绿色蒂8 造，滚协掬工，工藏瓣鲻，工艺疑綮，应用炎持系统 英义摘要 a 嚣s 墨瓤鼍c t g r e e nm a n u f a c t u r i n g ( g m ) i sas u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm o d eo fm o d e m e n t e r p r i s e ，i tc a l lr e d u c et h er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nt h e w h o l ep r o d u c tl i f ec y c l e ，c a r lt a k eo nn o t a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s ，a n dw i l l b e c o m ea ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e si nt h e2 1 “c e n t u r y g r e e nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n g ( g m p p ) i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so f g m ，a n di t sg o a li st or e d u c et h er e s o u r c ec o n s u m p f i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni n t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sb yt h eo p t i m i z a t i o nd e c i s i o na n dp l a no fp r o c e s se l e m e n t p l a n n i n g p r o c e s sc o u r s ep l a n n i n ga n d t h ea s s e s s m e n to ft h em u l t i p r o c e s sp r o j e c t s t b e r e s o u r c ec o n s u m p t i o ni n c l u d e ss u c hc o n s m n p f i o na st h er a w m a t e r i a l ，e n e r g y , t o o l ，f l u i d a n dt h es e c o n d a r yr a wm a t e r i a l ，e t c ；w h i l et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ti n c l u d e se c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，w o r k s h o pe n v i r o n m e n t a li m p a c t ，a n dp e r s o n sh e a l t h ， p r o d u c t i o ns a f e t y , e t c t h eh o b b i n gp r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n gi so n ek e yt e c h n o l o g yo f p r o c e s sp h u m i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g n l i 8p a p e rr e s e a r c h e s i nd e p t ht h e d e c i s i o n - m a k i n gf r a m em o d e lo fh o b b i n gp r o c e s sp l a n n i n g , t h es e l e c t i o nm e t h o do f p r o c e s se l e m e n t ( b o b b i n gm a c h i n e ，t o o l ，f l u i d ) a n dt h eo p t i m u md e c i s i o no fb o b b i n g p r o c e s sp a r a m e t e r , w h i c hr e l yo nt h en a t i o n a l8 6 3p l a np f o j e c t _ 。t h es t u d yo nt h e k e ye n a b l i n gt e c h n o l o g yo fp r o c e s sp l a n n i n g f o rg r e e nm a n u f a c t u r i n ga n d a p p l i c a t i o ns u p p o r t i n gs y s t e m a n dc h o n g q i n gn a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t i nt h i sp a p e r , t h eh n b b i n gp r o c e s s p l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n gi sr e g a r d e da s as e r i a ld e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e m f i r s t l y , t h ec o n c e p to fp r o c e s sp l a n n i n ga n dh o b b i n g p r o c e s sp l a n n i n g f o rg r e e nm a n u f a c t u r i n gi sd i s c u s s e d , a n dt h ed e c i s i o n - m a k i n g o b j e c t i v e sa n df r a m em o d e lo ft h eh o b b i n gp r o c e s sp l a n n i n ga r ei n 拄o d u c e d a c c o r d i n g t ot h a t ，t h ee l e m e n ts e l e c t i o ns u c ha sh o b b i n gm a c h i n e ，t o o l ，a n df l u i do ft h eb o b b i n g p r o c e s sf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n gi ss t u d i e di nd e t m l b a s e do nt h eo b j e c t i v e sa n dt h ed a t u ma n dk n o w l e d g eo fr e s o u r c ec o n s u m p t i o n , t h eo p t i m u md e c i s i o no fp r o c e s sp a r a m e t e ri nt h eh o b b i n gp r o c e s si ss t u d i e d b y a p p l i c a t i o no fa b o v et h e o r i e sa n dp r o j e c tt e a mm e m b e r sr e s e a r c hf i n d i n g s ，as u p p o r t i n g s y s t e mo fh o b b i n gp r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n gi sd e v e l o p e d t h es y s t e m i sa p p l i e di nc h o n g q i n gm a c h i n et o o lw o r k s ，w h i c hc a r lm a k ea no p t i m u md e c i s i o no f t h e p r o c e s se l e m e n t ( h o b b i n gm a c h i n e ，b o b b i n g t o o la n df l u i d ) a n do p t i m u m i l l 重庆大学颈士学位论文 d e c i s i o n m a k i n go ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r i nt h eh o b b i n gm a c h i n i n gp r o c e s s 。 k e y w o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，h o b b i n gp r o c e s s ，p r o c e s sp l a n n i n g ， p r o c e s se l e m e n t ，a p p l i c a t i o ns u p p o r t i n gs y s t e m 1 绪论 1 绪论 1 。1 课题的研究意义及来源 1 ，1 1 课题的研究意义 在过去的2 0 世纪，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，另方面，制造业截将制造资源转交为产品的制 造过程中以及产晶的使用和处理过程中，消耗簿了大量人类衽会有限静资源劳对 环境造成严鬟污染。有鉴予魏，麴帮使涮遣韭减少聚源消耗鞠尽霹麓少毙产生环 境污染楚2 l 世纪裁逡韭瑟旗解凌豹重大翊题。为戴2 l 燧纪熬刳造业舞戆绿色制 造已势套必行”j 。 绿也制造是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 环境的影响( 负作用) 为零或者极小，资源消耗尽弼能小，并使企业经济效益和辛士会 效益协调优化。各国专家的研究普遍认为，绿色制造是解决制造业资源消耗和环 境污染阔题豹有效方法，是实施环境污染源头控制静关键途径，怒2 l 毽纪制造、芷 实现霹持续发展之爨。对于企业来说，实施绿色豢l 遗可塔毅豢金妲繇境污染姨汉， 有剃于达到i s 0 1 4 0 0 0 环境管理钵系标准，从两提骞企业参与蹦际赢场的竟争能力。 绿饿制造及其相关技术的研究具有重要的意义： ( 1 ) 绿色制造的研究属国际技术前沿 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 ) 、面向环境的帝0 造( m a n u f a c t u r i n gf o r e n v i r o n m e n t ) 等。近年来的研究 菲常活跃。妊：1 9 9 6 年，美躅镧造工程筛学会( s m e ) 发表了关予绿色涮遗静兰皮 誊g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ) ，掇出绿色涮造豹概念，辫霹其走涵帮律爆等羁寇逡行 了拔系绞约分缨吲，1 9 9 8 年s m e 又在魍踩互联嬲上发表了“缘色制造憋发攫趋势” 的网上生题报告【3 】。美国的一些国家重点实验室和国家标准技术研究所，以及麻省 理工学院、b e r k e l e y 加州大学簿著名高等学校，均纷纷开展了这方面的研究。美国 a t & t 和许多企业以企业行为投入大量的研究 5 1 。特别是近年来，国际标准化级织 i s o 提出了关于环境管理的i s o l 4 0 0 0 系列标准，如i s 0 1 4 0 0 1 ，i s 0 1 4 0 4 0 后，推 动着绿色帝造的研究歪加活跃1 6 - 7 j 。各戮政府特蒯是美国、英国、加拿大、德萄等 发达国家政府纷纷投资支持绿色制造的研究。w 鞋不夸张蟪诞，绿卺制造研究形 残弱强大绿色浪潮，正在全球港起。 ( 2 ) 绿色铡逸是人类社会可持续发展匏必然爨求，具有重大社会效益 可持续发展的思想具有极为丰富的内涵，它将生态环境与经济发展联结为一 霾庚大学鞭士学位论文 个纛必嚣莱懿鸯糗整搭，认努经济发溪要考崽受窘然生态繇浚魏长期承鼗蕤力， 镶臻境帮爨繇甄鼹瀵是经漭发嶷豹嚣簧，又缓其露为太类生存懿要素之一嚣纛接 满照人类长远生襻的需婺，从而形成了一种综合性的发展战略。绿色制造是人类 挂会可持续发厦救一个缀成部分，瑟爨是个极其爨要熊组成部分，濯覆绿魏铡 遥簸磷究爨霄藿大蕊社会效藏。 ( 3 ) 绿鬯涮逐也将楚2 l 傲纪企监取褥照著经济效益盼褪遥 实施绿饿制造，最大限度的提高资源利用率，减少资源消糕，从而直接降低 成本：窝嚣，实麓绿夔潮遥壤少或遒豫琢壤污染，搿减少或避惫溺嚣凌麓瑟孳| 超 麴鹗获；势嚣，绿色割遥繇凌涛全嚣敬善袋美证鑫簸爨王戆工露繇壤，有魏予提 高员工的主观能锄性和工作效益。特别是未来的市场是绿色产晶的市场，实腌绿 瞧制造，秀发绿瞧产品，怒藏每霉市场爨争豹有效手段。灏憩绿骰铡遮对企业蹩一 静搬遇。 f 钔邕黼环浚管理标穗的擒出，瑟璃添了企韭辩绿畿翻造的需求 i s 0 1 4 0 0 1 秘i s 0 1 4 0 4 0 分别予1 9 9 6 颦和1 9 9 7 年撼出了，夜国际上引起了很 大瓣麓动。实薅缭羲馥逢基燕大努联戆。零猱遂豹轿究霹菇今菇大熬袅盘实藏绿 色澍遣在z 惹技术方瑟薅势黧簧技零囊撵，嚣瑟爨蠢，“蠲应蕉蘩爨。 ( 5 ) 绿识制撩的实施将为我国企业消除豳际绿色贸赫蹙垒提供有力支撑 遥年来，诲雾国家要求避翻产品癸避嚣绿色毪议定，要鸯“绿霞糠悫”。特剐是 鸯黧发这攀鬻默璨护奉黼环壤为由，铡宠7 援鸯莺裁熬产品爹| ：凌籀撩激疆翻黧际 产黼特剐蹩发展中国家产晶谶入本雷帮璐，帮设置“绿霞贸易壁垒”。零谋题邋溅支 撑产品制造过稷的清涪化，将为我国众业撼商产品绿包憔提供支撑筝段。 f 6 ) m 惫露l 瀵戆实藏褥拯动一大懿颟兴产遵熬形藏 绿色翻德鹣实麓穗鼯蘩一大援掰兴产激形成。涂了嚣藏太豢蠢液慧羽貔繇搽 装备制造产般和废弃物阐收娥理的服务声嫩外，另商两大类产业值褥特别注意： 绿魏产赫露4 造产渡 麓逢藏不瑟磷究、浚诗黎舞发善耱绿彀产嚣疆取钱健绕翡爨深消耗窝臻麓影 响较大的产晶，将使这方丽的产韭持缕* 簸发展。 实摭绿憩制造的软馋产业 金蹙实麓燎惫割遣，嚣簧大量实魏工蒸彝较转产菇，磐诗露疆瓣辫绿毽浚计 系统、绿毯王芑烧划鬃鲮、缭色露遗鹣决策支撑系绫、i s 0 1 4 0 0 0 强舔谈证瓣囊撑 系统等，将会报勘一类新洪软件产业的形成。 因筵缘夔囊遗是其蠢重要槛会效蕊耱经济效豢褥鬻曝技术赘沿，襄膏裴鬻熏 要魏繇竞意义翻寝廷羲爨。缀瞧裁造稳礤究内容搭系涉及产鑫整个象余震絮茨掰 肖问题，主骠最“五绿”问藤的集成，帮绿截设计、绿琶材料、绿锻工兹、绿色包装、 2 1 缝论 绿色处理问腻的集成。因此绿色工艺技术是绿色制造研究和实施的藿要内容之一。 锌慰国蠹终绿色铡遗镁域瑗毒磅变豹不是蠢实藏绿氇裁造急篱，本论文森“覆 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”及“面向绿色制造的嘲 络化齿轮滚切加工工艺参数数据库系统”研究课题的旗础上，以“面向绿色制造齿轮 滚切搬工工慧嫂划方法研究”为砭究课鼷，塞在对藤岗绿色制造盏轮滚切加工工笔 蕊划中的决蒙模型、工艺黉索( 视床、刀鬟、切蕺液) 选择方法，工麓参数往仡方法 及工艺资源环境特性等进行研究，并程前期工作已建立的可支撑面向绿色制遗工 艺规划的工慧绿色特性数据库和工艺规划模型库的熬础上，开发套面向绿饿制 造夔弱终纯滚轮滚凌熬工工艺参数数援滗系统麸瑟必凌轮滚落熬王豹绿色工艺熬 规划和实施撼供一系列的熬性技术或方法。 1 1 2 课题来源 本文的主要磺究内容泉源于国家8 6 3 项强“葱囱绿色毫造的工麓媲划关键傻辘 技术及应瘸支持系统研究”( 谋题编号：2 0 0 1 a a 4 1 2 2 0 0 ) 、重庆祝臻厂同重庆大攀制 造工程研究所合作在重庆市科学技术委员会所申请项目“面向绿色制造的网络化 齿轮滚切加工工艺参数数据库系统”( 课题编号：0 6 3 1 0 7 ) 该项目设计在2 0 0 3 年5 隽完成验嫒，舞获愆专家戆荮译，本人凌漾题缓孛稳受责入。 1 2 国内外绿色制造及齿轮滚切加工现状分析 1 2 1 绿色制造国内夕| 、研究现状 绿色制造是一个综会考虑环境影响秘资源效率静现代制造模式，其鑫标馁褥 产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中对环境的影 响( 负作用) 娥小，资源效率最高，经济效益和社会效蓣协调优化。绿色加工技术是 摇霹夫生态弼凌秘套热量瑷场都无毒麴缛震或蘩 鐾溺爱夸，麓工过程孛产生瓣三 废( 废气、威液和废渣) 在链条末端可回收或自然降解，达到无公害的环保要求，对 人及环境无害化的绿色环保加工。作为现代制造业麓要而广泛的加工方法，绿色 秀羹工技本成为2 l 毽纪制造技术发震鲍蘧要趋势之一酾实现经济麓环境协调发燧缒 重要手段。 1 ) 绿偬制造的国外研究现状 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 t v l a n u f a c t u r i n g ) 、蟊彝嚣臻靛裁遥( m f e ) 等。近年素瓣臻究 鬻活跃。懿：1 9 9 6 冬， 美国制造王程师学会( s m e ) 发表了关予绿色制造的菔皮书( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ) ， 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 2 j ，1 9 9 8 年 s m e 又在溪嚣互联网上发表了“绿色铡造的发展趋势”鹣网上主题擐告。国际电 子电器工穰师协会( i e e e ) 和开本生态设计( e c o d e s i g n ) 协会联合发起，在桧下、 整庆犬攀碛士学位论文 s o n y 、i b m 、丰粥等多家跨霆公霞赞魏下，i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ne 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 毽鼯磷讨会迄今已成臻举办了3 属，对环境意识带4 造和逆向制造技术臌歼了讨论。荧国的一些国家黧点实验黧和 嚣塞括准技术磺究陵，以及疯餐理工学院、b e r k e l e y 宓鞋蛾大学等麓名藏莓学校，均 纷纷牙曩了这方溪豹臻巍l 秘”l 。鼗溺、疆奉、美莺等袋送灏家嚣诲多跨灌公司都铡 定了绿色制遮实施目标帮播穗，开展带隧、降耗、产鼯擞命周期评估( l c a ) 、琊壤 审檄、绿色产品歼发等具体工佟，如日本零酗公司2 0 0 1 零曾提出“到年将全蕊 矣藏绿色魏遥”翁弱号淄。特裂瓷，遥举来戆誊i s 0 1 钧嚣凌警壤髂聚系爱称缕、 o h s a s l 8 0 0 0 歌娩键袋冬炭全墨生耩黢系瓣、绿色产鑫耘恚谈迸等豹鼷毒，众照 环蟪管理和绿色制造的研究黧加活跃睁”。截至2 0 0 2 年底，已有1 1 8 个国家4 9 4 6 2 寒爱、监已经获褥i s 0 1 4 0 0 1 器撬管理髂系沃涟。2 0 睨年震，由于中霹敢癌窝企披瓣 积羧参与蠢1 7 1 8 家金监获褥谈 菱，秘念球繁六霞。 2 1 绿色制遗的国内研究现状 绿色制造自提出以来受到了国融嚣犟像的高度爨襁，并展开了大量的研究。 嚣藏毽螽耋获丈拳、渍蘩大攀、中嚣王箨藤、上海交逶太擎、合耱互渡大学、j 寮壤工大学、由客大学等褒两靛许多零经都遴行了遨方甏熬簿 炎。嚣窳8 6 3 秘霾 窳自然科学旗愈也支持了大嚣绿色制造方磷的课题，有力盼推动了该领域的研究 王露。在遥每柬懿霹究工终审，已形成了援专 j 驮搴琢经割造磺究鹃辩磷驮凭， 发袭了丈嚣靛磷究论文，趣敝了多奉缀色秘造方甏熬专萋，鸯美技米譬麓也牧最 了绿色设计麓稍逡方面的技术泌2 懿。豳家8 6 3 现代祭戚话造系绞网络c i m s n e t 己将绿色常4 遗列为技术专题之，跟踪报邀绿色制造的研究动态。 重庆大学懿麓飞毂援一蠢驮事与瑟袅绦氇裁透工琶方瑟壹麓裙美翡辍城麓工 麓爨特往、秘逢系统饕簸黉深节约，互敬簧素藏矧、王慧过程簸麓、淡及工慧译 价岛决策等方丽的研究。猩国家8 6 3 c i m s 于1 9 9 9 筇资助下，在漾髓“绿色制造工 芑蠖翔方法歉安麓技本骥究”审，黠丸个工慧大类孛熬蓉予典型工艺的炎源嚣竣姆 瞧遴簿了磷究，势裙多建立了缀龟素l 逡工芝数器瘁黧镶露麴霖型系统，嚣裁歪程开 展的8 6 3 c l m s 项留“面向绿色制造的工慧规划关键使能技术及威用支持系统研 究”，在对工装援划的关键使能技术遴行礤巍斡基础上，鼯发了一套磷向绿色锘4 造 静王芝筑黧疲麓囊簿系臻，耱粒工艺人爨送行绿琶互蕊瓣决策嚣浮徐。 清华大学予2 0 0 1 举液謇家、学校籁企救多方交棱下，建立潦肇歪辜绿憩潮 逑研发中心，主蟹从机电产鼹绿色设计，线路板的回收，产品全生命周期谱估 ( l c a ) ，瑷及穰壤产品豹爨簿鼙l 芟楚溪簿方凝避行了绿邀案逢戆耱变，蒡开发了一 个缘色囊游，瘸子套筵鬻两羚熬琴 究残暴，最瑟动恣，撬蕻绿彀割逡援术咨谗， 开鼹绿色制造技术应用，从而提高全氐的绿色环保慧识： 4 1 绪论 孛邋工程凌摹程2 0 年鬟塞了设立绿色群制造工纛及蒺程我器瘦爱豁裁景 的咨询项嗣的报告，报告中指出再制造是项系统工程，它对国家经济的可持续 茇蕊、产生盼校会籁缀济效益良及就韭等闲题都将会骰邂重大黉献，这竣匿懿 握爨受到露务院鹰美镀导翁冀褪，“瓣裁造”装列入了鸯关部门“十五”期闼嚣滚、往 先笈震瀚技术领域； 上海燮运大学对产鹣驰绿毡设圣 ，绿色强牧方嚣进撂了掰寒，包揍遴逡产熬回 收的绿龟设计，废旧嘲收及关键技术的研究，并建立了中国燎色设计数据霹；台 蕤大学靛刘党蓑教爰主器懿磺究对象是蠹离可瓢秘淫设计帮产晶魏绿色浚计；蔻 京理工大学对零件生产的绿色制造溅行研究；山东大学也相威地开展了绿色制造 技术及蕻评价体系等方面的研究。 。2 。2 绿色韵王技术及霞岛缘夔制造鳇王艺怒划技术璐究现状 1 2 2 1 绿色船工摄术 绿魏掬工技术包禽热下方嚣：减少貔料炎源瀵耗懿鼓拳；减少熊源消糕鞠使 用清洁& 潦的按术；减少有拳废弃物和摊放物的技术；废弃物的再生利粥技术， 戳主爨惫技术褒零搏剿造豹蚤粪王慈技术孛戆熟髂运藤，鼓褥影或零佟静缭垂蠡 工技术体系，( 这个技术体系应该包宙4 个方面的技术群：绿饿成形_ i 艺技术、绿 色材料敬往技术群、零件荐生加工技术群和零件绿色热工工麓过程援术群。 整痰大学萄l 士学位论文 绿 色 加 工 技 寒 绿色残形工艺技术 绿色材料潋性技术 再生加工技术 绿色加工工艺过程技术 绿色铸造工艺技术 绿色锻压工艺技术 粉末冶金工艺技术 缭色舜接工艺技零 燎色切削工艺技术 绦涟蘸形翻造技术 绿色热处理技术 缴色表垂袭魏技拳 表面工程技米 基予“去除材辩”的绿色 工艺过程 基予“增加材料”的绿色 工艺过程 鬻1 1 绿色擞工按拳体系 f i g 1 1 t h ea r c h i t e c t u r eo f g r e e np r o c e s s , t e c h n o l o g y 1 2 。2 。2 嚣囱绿色素l 造熬工艺援剡技零黧内岁 磅究现状 绿色工艺蕊划是绿色制造实施中的羹黉环节。绿色工艺规划是一种充分考虑 制造加工过程的环境影响和资源消耗问躐的现代工艺规划方法，通过对制造加工 工芑方法和过瑕的优让选择嗣煺划设计，制定出绿色工艺方案，从筒提高原材料 耨源静蠢焉率，藏多废弃镌豹产生。绿包工艺巍魏潮蘧实震上裁怒一类决策阚 题。因此绿色工艺规划技术怒解决产品制造加工过程资源消耗和环境问题的专门 方法。 嚣自绿色翱造豹工艺援潮游题，鄂产茹麓工过程巾戆壤魏浚及茭影蟪翅题是 绿色制造中急需解决的关键技术之一，强豳际上受到了研究机构、离校以及政府 部门的高度重视。 美国n s f a r p a 辊庶敏捷制造研究掰( m t a m r i ) 该研究所曾予1 9 9 5 年设立 了t c 环境意识嘏霖系统”静重大研究溧题，联合密瓠寝鼓术大学( 鹾j ) 、搬翻疆尼旺 6 1 缝论 大学b e r k e l e y 分校( u c b ) 、内布拉斯加州立大学( u n ) 、伊剥诺期州立大学( u i u c ) 等著名毫校嚣矮该方蟊豹磷突，蒡裁定了长羯瓣磅变瓣耩秘各夔致瓣短蘩嚣椽。渡 谍题将机床系统看成一个输入输出系统，系统的输入为切削速度、进给速度、切 削深度以及其他可控参数；目标约束为成本、时间、利润、工件精度等；输出为 瘗损刃具、甥剃疲液、甥剿热帮摄褒熬撬疼等。并瓣与环境意识规床插工系统蠢 关的切削液系统、切屑静形态学、运翁学及动力学辊毽、切割热的生成和传递梳 理、机床寿命性能、刀具磨损、健康毒性评价以及非传统加工系统( 立口电化学加工1 的废物流特性等进行了研究 9 - 1 1 】。“切削液评价软件原型( c f e s t ) ”怒其中的研究成 蘩之一。瘸户遂遂i n t e r n e t 蹩蘧本较馋箨嚣，在褰嚣中浚久有关参数，包括落潮滚 的类型、应用方法、加工参数、现场因索等，确认尉向c f e s t 提交。c f e s t 系统 将以超文本和或图形的方式向用户返阐处理结果。输出结果包括切削液的工靛性 能、强境影嗡、毽康与安全毒性打分、采赡窝傻鼹成本等款量化数援。c f e s t 是 一个分布而又集成的软传原垄。它包撅m 下u 开发瓣工艺性能模块、u i u c 开发的 切削液处理影晌模块、以及u c b 的健康与安全毒性评价模块。由u i u c 开发的数 据傣输机制负责通过i n t e r n e t 在处于不周地理位置的软件模块之阈传输数据。该软 俘嚣蘸只对车潮浸泡式秘喷袈式、镫戮浸瀣式、袭黧等霾静麓工方式静蘩蘩滚滋 行评价。 美国国家清洁工业和处理技术中，t = - , ( c e n c l t t ) 1 2 - 1 4 该中心设立了环境意识 剿造鲍按术专越，长絮支持环境意识翻造方嚣课题的磺究，其中骞不少课题与本 谍题的礤究肉容相关，如j w s u t h e r l a n d 等人承撵的项目“环壤意识制造：离散产 品加工过程中的废物流分析”。该课题融标是通过研究产品制造过程中的废物流特 性，利用决策工具对工艺的废物流进行预测，并提出废物流更小的工艺方法。 b e r k e l e y 麴两大学绿色设诗与裁途联显：该联麓长鬟鼠饔缀色是l 遥方瑟鹣磷 究工作，在绿色工艺方磷也做了不少的研究。主要包括建立了一种面向绿色制造 的切削加工分析模型、搬出了一种基于特征的绿色正艺规划方法和对切削液的健 康毒蛙评徐镰进行了深入磷究h ”j 。 国内邈辩面向绿色制造的工艺问题进行了跟踪鞠裙步的研究工作，并取褥了 定的成果。 重庆大学制造工程研究所该研究所直从事与面向绿色制造工艺方面囊接 相关鲍撬械麓工蕤羹幸等穗、裁遥系统獍熊资源节约等方瑟翡研究，黪弱是1 9 9 9 零 2 0 0 0 年期间在国家8 6 3 c i m s 于1 9 9 9 年资助下，在课题“绿色制造工艺规划方法及 实用技术研究”中，我们澍铸造、压力加工、焊接、切削加工、特种加工、热处理、 覆盖爱、装糕与包装等九个工艺大类中豹若于典型王艺夔资源酃境特性进行了磺 究，并初步建立了绿色制造工艺数据席知识库的原型系统；还对瑟向绿色制造静工 重庆大学硕士学位论文 艺规划中的部分关键技术，如工艺种类选择、工艺参数优化、单工件多机床的节 能调度等进行了初步的研究【1 8 2 3 1 。 国内其他单位国内其他单位也开展了一些与面向绿色制造工艺相关的研究 工作，如清华大学、合肥工业大学、机械科学研究院、上海交通大学、华中理工 大学、同济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【”。9 1 。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。中国机械工程杂志 曾于2 0 0 0 年第9 期出版了绿色制造专辑论文。 综观国内外的研究现状，可以看出绿色制造属国际学术前沿，引起了广泛的重 视，国内外在这方面开展了大量的研究。国际上，特别是美国在这方面的研究已 经比较深入，主要研究范围包括环境意识机床系统及其关键技术、废物流的评价、 工艺规划方法以及低温加工、干切削等先进的绿色工艺技术等。部分研究结论已 经被开发成软件原型系统。迄今为止，在国内，绿色制造的概念、内涵以及理论 体系框架和主要研究内容已逐步形成，已有的研究成果为进一步深入研究奠定了 良好的理论基础，对面向绿色制造的工艺种类规划、工艺参数优化、工艺评价与 决策以及干切削技术等进行了初步的研究。 综上所述，面向绿色制造工艺规划方面的研究将呈以下发展趋势： 1 1 对绿色制造中的工艺规划共性技术的进行系统分析，而对具体工艺规划 的实用工艺规划技术研究较薄弱，比如面向绿色制造的齿轮加工工艺规划技术；面 向绿色制造的热处理工艺技术、铸造工艺技术、焊接工艺技术等。 2 、需开发可以支持面向绿色制造工艺规划的软件工具，实现面向绿色制造 工艺规划方法和数据以软件a g e n t 或插件的形式与现有c a d 、c a m 系统的集成； 3 1 研发先进的绿色切削加工工艺，如干切削加工技术、低温切削加工技术 等。 1 3 课题研究的主要内容 长期以来，齿轮的加工制造也同我国其它制造业一样，对原材料和能源的浪费 现象非常严重，废弃物也得不到有效的处理而造成环境污染，工人生产环境的安 全和健康保护措施也得不到较好保障。随着生产力的发展和人们对环保的重视， 以上问题越来越受到各企业的关注和重视，为此十分有必要对面向绿色制造的齿 轮加工工艺规划进行研究。 8 l 绪论 嚣囱缘色铡造静蓉轮加王_ i 艺揽翅霹激认隽跫充分考虑巍轮割逑熬工避程兹 环境影响和资源消耗问题的现代工鬣规划有效方法之一，通过对齿轮加工工艺方 法稻过程豹优纯选择和筑翔设计，锱定密绿色工艺方寨，放丽提高舔专于群稻键添 的刹用率，减少废弃物的产生。面向绿色制造的齿轮加工工艺规划实质上是一系 列的决策问题，本文主要针对面向绿色制造的齿轮加工工艺规划的燕要内容，包 括钒疼设冬选撵、滚刀选择、切削波选择及加工工艺参数优化等问题进行了研究 和相应的应用，主要内容包括： 1 ) 甏淘绿惫裁逶豹蕴轮滚韬热王工艺艇蚓豹体系续孛鼋及决策模黧疆究 阐述了齿轮滚切加工工艺基本原理，分析了齿轮滚切加工过程的资源消耗 和环境影响袄况，提蹬了集辩闻、溪量、成本、资源、环境等离题的面向绿色裁 造的巍轮滚切加工工艺规划的体系络构，并建立了相应的决策模型和其求解方法； 2 ) 面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划的工艺要素选择 论述了工艺要素黔概念，并且详细论述了工装要素中枧床选择、刃具选择、 切削液的选择的目标体系、决策模烈和应用情况： 3 ) 甏蠢绿爨制造懿齿轮滚甥热互工艺拣翻数工艺参数优化 工艺参数选择是影响齿轮滚切加工工芑资源消耗和环境影响的重要因素， 对工艺参数迸行优化爱改善王艺方法的资源环境特往的重要途径。论文献绿色隶l 造的角度，以实际加工的齿轮为例，解决齿轮滚切加工工艺参数优化的问题并进 行了应用。 4 ) 嚣舄绿色割造黪齿轮滚切加工工艺嫂划系统的开发及痰用研究 介绍了系统的功能，体系结构及开发的关键技术，并基于上述理论知识开发 了“嚣翔绿色铡逑我潮终证滚甥热z _ i 艺参数数攒痒系统”。 4 本耄小缩 本章内容论述了课题的米源、历史背景和研究意义，然厩结合课题组成果及 其他研究结论论述了相关课题绿色制造、绿色工艺规划以及滚切加工工艺的概念 和臻交袋状，最压震示了论文疆究敬主要内窖：、嚣向绿色剑逡滚切期工工装溉划 决策技术研究、面向绿色制造的滚切加工工艺要素选择技术研究、灏向绿色制造 黪滚窃热工工麓参数挽纯鼓零磺究、覆自绿色露l 造滚懿挺工王艺爨矧支持系统开 发。 9 2 瓣南绿色翻造鳃巍轮滚诱鸯羹工工艺蔑翻豹簿纛络秘及决綮擦黧繇究 2 面向绿色制造的齿轮滚切力l 工工艺规划麓傣系结构 及决策模型研究 2 。 齿轮滚切加工王艺基本原瑷f 蚓 在滚齿税上焉齿轮滚刀加工童轮的骧毽相当于一对螺旋齿轮静瞪合原理。滚乃 可视为头数z 。为1 的螺旋齿轮，与工件保持严格速比荚系( 滚刀转1 转，工件转粕。 转) ，作空间啮合、按展成运动完成渐歼线、摆线、圆弧、矩形等备种齿形加工。 滚刃实痿上誓以着或是一个齿数缀少懿螺旋塞轮。瓣菇宅熬塞数少，螺旋角又缀 大，而且轮齿很长，可以绕轴线很多圈，所咀成蜗杆状。为了形成切削刃和前、 后角，又在这个蜗杆上开槽和铲齿，就形成了滚刀。我们知道一对螺旋齿轮的正 确啮合，它们戆轮齿必须与嗣一 ”。( 分搬遴幼) f 。( 辅向惫刀运动) 图2 1 滚齿加工原理 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo f h o b b i n gg e a r s 假想齿条正确啮合，如图2 1 所示范。为此必须要求遗两个齿轮在同一假想齿条的 法向剖面中舆有相等的齿距和齿形角。由于齿距和焱形角，在滚齿过程中，滚刀 耪被翻王凌轮之阗豹要黎瓷矮是强嫠，出于塞l 垂亵舞形夤霉蘧模数、篷形燕、嫫 旋角等来确滗，因此这个甏求可写成： 1 ) 滚刀的法向模数m 。和法向齿形角a 0 。应与被切齿轮的相应参数相等，飘为 拣准篷。 2 ) 为了使滚刀的螺旋方向和被讶落轮切于丽一假想齿条，滚刀辅线应该与凌 轮端面倾斜一个rt ( 安装角) 。 3 ) 滚刀鞠被加工齿轮必须强制性地保持一对螺旋齿轮想啮合的运动关系，即： n “z 一 n k 重庆大学硕士学位论文 因此，滚齿的过程可以视为：当滚刀饶自己轴线转动时，形成刀齿的轴向移 动，这个移动就相当于假想齿条与被加工齿轮的啮合移动，其移动速度，与被加 工齿轮的线速度应符合于： 刀。0 + w 工 2 2 齿轮滚切加工过程的资源消耗和环境影响状况 导致环境影响的根本原因是资源消耗和废弃物的产生，因此在对齿轮滚切加 工工艺系统的资源环境特性进行深入分析之前，先对系统中的资源流及其环境影 响进行分析和描述。为了便于分析，本文建立了齿轮加工工艺系统的资源流模型， 如图2 2 所示。从模型中可以看出，齿轮滚切加工过程中把毛坯、切削液、滚刀、 其它物料等作为输入，经过滚削加工后，输出合格的齿轮，同时也产生了报废齿 轮、切屑、废切削液、报废刀具等废弃物。这些废弃物除了一部分可以得到回收， 其它则进入车间环境造成环境污染。而另一方面，在能量的消耗过程中，部分能 量被转化为噪声、震动、热等物理性污染物，进入车间环境，也将造成环境污染。 因此切削加工工艺系统的资源消耗，包括物料消耗和能量消耗。其中物料消耗主 要是指原材料( 毛坯) 、切削液、滚刀等的消耗，能量消耗主要是指电能的消耗；环 境影响的源头主要是系统所排出废齿轮、切屑、报废刀具、废切削液咀及噪声、 振动、热等废物，以及这些排放物对人体和工作环境的影响状况，这些排放物是 造成环境污染的主要源头。 物 料 毛坯 刀具 切削液 其它物料 能盘 图2 2 齿轮滚切加二 ：工艺系统资源流模型 f i g 2 2 t h er e s o u c e sf l o wm o d e lf o rt h ep r o c e s ss y s t e mo f h o b b i n gg e a r 。l 2 嚣藩寝毪制造麓塞辕滚甥黯互工艺袋翻静体系结擒及决楚掇燮疆变 疲气葵 黢：毒害气钵、耪垒、涵嚣凝烟雾等 疰滚 # 敖：疲按裁液簿 强俸褒羚繇：废齿轮、锈瓣、掇廉刃爨 噪声 安全瞧靳宣入住 其整：戆瓣、毙、黧、强裁等 2 3 垂魁绿惫制造的齿霉 滚切鸯王王艺规划懿体系结构 覆囱缘魏铡逡的蕊耱热王工艺缀麓霹驭试为楚戆分考虑鸯鲶鞭逡热工避稷豹 环境影响和爨源灌耗秘熬豹现代工麓飘巅鸯效方法乏一，透避对瞧轮船工王慧方 法和过程的优化选择和燧划设计，制定出绿色工艺方案，从而摁高原材料和能源 熬刹用率，减少废弃物的产叟。 稷捺缘煎翻逵豹要袋，掇窭瑟秘绿色麓遥煞戆轮鞠王工邕矮剡酶傣系臻襁， 主袋包括嗣标体系、内襻体系及规划道程三部分内瓣。其中鹾标体系详细阐述描 述了集热王辩凌下、燕王豢餐q 、熬王簸零c 、瓷溅瀵糕廷、环蟪影确e 的搬轮期 王五大决策嚣糍；内攀髂系趣害滚泼糗渡萋选撂、滚刀选择、锶瓤滚选择爱麓王 工蕊参数忧纯等麓题；谈瓣齿轮船工娥菇过程，建立髂决褪荚阏题静决策模麓， 并提出模烈求解的方法。面向绿色制遗的齿轮加工工艺规划的体系结构如下阁2 3 所示： 工 芑 妻 辩 鲫 进 撵 罄2 3 瑟内绿毪寄j 遥靛落麓滚锈魏工工慧戴裁豁薄系结梭 f i g 2 3 a r c h i t e c t u r eo ft h ep r o g r a m m i n g h o b b i n gg e a r sf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g 重庆大学硕士学位论文 2 4 面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划的决策目标体系。1 。”1 面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划实际上是一系列的决策过程。根据绿 色制造的目标：尽可能低的制造成本，尽可能快的市场响应，尽可能高的产品质 量，尽可能低的资源消耗和尽可能小的生态环境影响。面向绿色制造的齿轮滚切 加工工艺规划综合考虑上述5 大类决策目标：加工时间t 、加工质量o 、加工成本 c 、资源消耗r 和环境影响e 。依据绿色制造的五角形总体决策目标框架从而建立 了如图2 4 所示的面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划总体决策目标体系。图 2 4 中，各目标变量旁边的箭头表示追求的目标变量变化的方向，即时间t 希望越小 越好，质量q 希望越高越好，成本c 希望越低越好，环境影响e 希望尽可能小， 资源消耗r 希望尽可能少。 图2 4 面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺规划决策目标体系 f i g 2 4d e c i s i o n - m a k i n go b j e c t i v es y s t e mo f t h ep r o g r a m m i n gh o b b i n gg e a rp r o c e s sf o rg m 因此，面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺总体决策目标框架是对影响工艺规 划、设计、试验和运行的各种因素( 包括技术的、管理的、经营的、环境的、资源 的因素) 进行高度抽象和概括，将面向绿色制造的齿轮滚切加工工艺实施中许多要 素之间的纵横交错的影响关系简化为几个特征要素之间的影响关系。各决策目标 的内涵非常丰富。 1 时间t 面向绿色制造齿轮滚切加工工艺规划的时间目标要素包括： f 1 ) 滚切加工时间，即以多快的速度制造出产品。加工时间是衡量生产率的重 要指标，一般用生产率代替加工时间描述加工过程。绿色制造的生产率是指单位 时间内绿色产品的数量。面向绿色制造的齿轮滚切加工的实际生产率除了与加工 设备的生产率、工艺、夹具的先进性和操作人员的技术熟练程度有密切关系外， 还与设备的可靠性有很大关系。可靠性是系统或设备在给定条件下和确定时间内 完成所要求工作的可能程度。为了使面向绿色制造的齿轮滚切加工可靠地正常运 行，除了强调单个要