0 前言

　　機(jī)床是制造業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)加工的主體。目前綠色機(jī)床加工系統(tǒng)的研究己經(jīng)成為綠色制造領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，主要體現(xiàn)為4個(gè)技術(shù)途徑:①研制新型的加工生藝及裝備替代傳統(tǒng)的加工機(jī)床，如凈成型工藝、生長(zhǎng)型_止藝、粉末冶金等;②設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出具有綠色環(huán)保特性的新型機(jī)床設(shè)備，如高速干式切削機(jī)床、低溫冷風(fēng)切削機(jī)床等;③對(duì)現(xiàn)有大量的生產(chǎn)機(jī)床進(jìn)行再制造技術(shù)提升，如通過(guò)數(shù)控化簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，增加全密封護(hù)罩和油霧處理系統(tǒng)，減少對(duì)車(chē)間環(huán)境的污染;④通過(guò)對(duì)機(jī)床加工中的加工要素(刀具、切削液等)、加土參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低能耗，減少加工過(guò)程環(huán)境污染排放，提高機(jī)床加工過(guò)程的綠色性。

　　齒輪加工機(jī)床是一種技術(shù)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝備，己成為汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電和船舶等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備口特別是，隨著汽車(chē)土業(yè)和風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)齒輪的需求量日益增加，對(duì)齒輪加工的效率、質(zhì)量及加工成木的要求愈來(lái)愈.蕩，使齒輪加土機(jī)床在汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位口傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床在加工過(guò)程中有以下特點(diǎn):①切削鋼齒輪時(shí)，應(yīng)用切削液可提高刀具壽命，改善加工表而質(zhì)量，有利于排出一切削熱而不致引起機(jī)床的熱變形;但是，高速切削過(guò)程中切削液的匕濺和形成的油霧對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)特別有害，變質(zhì)切削液的排放也會(huì)嚴(yán)乖污染環(huán)境;②機(jī)床漏油、混油現(xiàn)象嚴(yán)重;③由于機(jī)床的材料用景能耗、油耗及附加費(fèi)用偏高，導(dǎo)致齒輪加生成木高，據(jù)日木三菱重_上_資料報(bào)道，濕式齒輪加生中消耗的切削液及切削液附加裝置的費(fèi)用占加工成木的}00ro左右;④齒輪加工生產(chǎn)效率低下，加工質(zhì)量差，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的要求。

　　在提高生產(chǎn)效率、降低制造成木的同時(shí)，做到環(huán)境保護(hù)、清潔加工，這是當(dāng)前國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床研究的最前端技術(shù)要求。目前國(guó)際上知名的齒輪加工機(jī)床制造商，如美國(guó)的GLEASON公司，德國(guó)的LIEBHERR公司，日木的三菱重工公司(Mitsubishi Heavy Industry, MHI)-近年來(lái)將具有綠色特性的齒輪加工機(jī)床作為產(chǎn)品研發(fā)的重要方向，并形成了一種新的竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)，其產(chǎn)品特點(diǎn)主要表現(xiàn)為全數(shù)控、高速高效、綠色凈化及防護(hù)等，特別是高速干式齒輪加工機(jī)床將逐步成為主流。

　　在對(duì)齒輪加土機(jī)床設(shè)計(jì)與制造中的綠色特性及資源環(huán)境屬性進(jìn)行分析的基拙上，基于全生命周期工程理論，提出齒輪加工機(jī)床綠色設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)框架，并對(duì)齒輪加工機(jī)床的綠色設(shè)計(jì)與制造策略進(jìn)行研究，指出齒輪高速干式切削技術(shù)及成套裝備的開(kāi)發(fā)是未來(lái)綠色齒輪加__仁機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)。

1 齒輪加工機(jī)床的綠色特性分析

　　齒輪加工機(jī)床的生命周期過(guò)程包括齒輪加工機(jī)床設(shè)計(jì)制造過(guò)程、齒輪加土生產(chǎn)過(guò)程以及機(jī)床淘汰或報(bào)廢過(guò)程三個(gè)主要階段。這三個(gè)階段均不斷地消耗物料、能量并產(chǎn)生環(huán)境排放，如圖1。

　　傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床的綠色特性總結(jié)如表t所不。相比于其他機(jī)床，如車(chē)床、加工中心、鍵床等，齒輪加工機(jī)床如滾齒機(jī)、插齒機(jī)、銑齒機(jī)等傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、加工過(guò)程中切削油消耗人、汕霧和汕污污染嚴(yán)重、漏油混油現(xiàn)象嚴(yán)重以及切屑多，這是導(dǎo)致齒輪加工機(jī)床綠色性相對(duì)差的重要原因。

2 齒輪加工機(jī)床綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)及策略

　　基于齒輪加工機(jī)床的綠色特性及資源環(huán)境影響狀況分析，提出一種齒輪加工機(jī)床綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)框架，如圖2。

　　2.1 干式切削技術(shù)

　　冷卻液在使用過(guò)程中的成木一般包括使用成木、購(gòu)置成木、管理成木工件清潔成木、鐵屑與污油的分離成木、廢液排放處理成木口德國(guó)大眾公司(volkswagen)在一份統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告中抱怨，他們冷卻液的使用成木甚至超過(guò)了刀具及其維護(hù)成木口此外，冷卻液的使用還是造成切削加_廠(chǎng)生態(tài)和車(chē)間環(huán)境污染以及操作者健康傷害的主要源頭，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)以及相關(guān)法規(guī)的日益嚴(yán)格，減少甚至消除冷卻液的使用已成為必然趨勢(shì)。目前干切削新技術(shù)已成為綠色加工技術(shù)中的熱點(diǎn)，并出現(xiàn)了微量潤(rùn)滑切削、冷風(fēng)切削等準(zhǔn)干切削新工藝口當(dāng)前倡導(dǎo)的干切削并不是簡(jiǎn)單地把原有工藝中的冷卻液去掉，降低切削效率，而是進(jìn)行傳統(tǒng)切削工藝的重人變革，為新世紀(jì)提供一種清潔、安全、高效的新工藝。在國(guó)外齒輪加工機(jī)床中，干式滾切技術(shù)得到了比較完善的發(fā)展，典型產(chǎn)品有日木MHI的GE 150A系列滾齒機(jī)，德國(guó)里伯海爾(Liebherr)的LC18。系列滾齒機(jī)，美國(guó)格里森(Gleason)公司的Gleason 210H系列滾齒機(jī)等口干式滾切加工機(jī)床的切削速度可達(dá)傳統(tǒng)加工的5倍，生產(chǎn)效率可提高4倍左右。與濕式加工相比，干式滾切加工機(jī)床加工成木可降低45%，其中，刀具費(fèi)降低40%，一叨削油費(fèi)降低100%，電力費(fèi)降低33%;加_上的零件質(zhì)量更高，而且干凈清潔;無(wú)油霧、干切屑，工作環(huán)境得到改善，更加清潔、安全。

　　實(shí)現(xiàn)干式切齒技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾項(xiàng)。

　　(1)高滾切速度口一般地，在干式滾切加工中，對(duì)于涂層(TiA1N)的高速鋼滾刀線(xiàn)速度要求達(dá)到180m/min甚至更高;對(duì)十硬質(zhì)合金鋼滾刀線(xiàn)速度要求達(dá)到3 00 m/min。為了實(shí)現(xiàn)這種高速滾切加工，對(duì)于刀具主軸一般可以采用電主軸的方式實(shí)現(xiàn);對(duì)十工作臺(tái)，采用新型設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)消除間隙的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，替代傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)，LIEHHERR. GLEASOIV等公司的中小規(guī)格高速滾齒機(jī)工作臺(tái)己采用力矩伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)800 rlrnin以上。

　　(2)切屑的快速分離。由于溫度高，切屑若不能快速脫離刀具、工件和機(jī)床，容易引起熱變形，影響加工精度，因此必須快速有效地排除鐵屑。在干式滾切加工中，一般通過(guò)滾刀的高速滾切使鐵屑快速離開(kāi)刀具及工件。很多公司針對(duì)排屑問(wèn)題，還提出了一些機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，如借助重力加快鐵屑的去除，并避免鐵屑_肖接落在工作臺(tái)上，再輔助高壓冷風(fēng)，可以達(dá)到快速有效去除切屑的效果口有些公司還采用了不銹鋼隔熱罩，一方而不銹鋼表而光滑，便十鐵屑排除，另一方而不銹鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，減少了鐵屑熱量向工作臺(tái)和床身的傳遞。

　　(3)高速滾刀口干式滾切用的滾刀材料發(fā)展初期采用硬質(zhì)合余鋼，但由于硬質(zhì)合金鋼滾刀成木昂貴，近兒年發(fā)展的粉末冶金高速鋼滾刀以及TiA1N涂層高速鋼滾刀具有取代硬質(zhì)合金鋼滾刀用于干滾切加匕的趨勢(shì)。里伯海爾公司在一份研究報(bào)告對(duì)硬質(zhì)合金滾刀((Carbide)干滾切、粉末冶金高速鋼滾刀歸SS-PM)千滾切以及常規(guī)高速剛滾刀(Canv.HSS)滾切加工時(shí)間和加工成木進(jìn)行了比較。對(duì)比分析緯果表明，于式滾切相對(duì)于常規(guī)加工而言，加工時(shí)間短，成木更低;采用粉末冶金高速鋼滾刀甚至比采用硬質(zhì)合金鋼滾刀具有更好的干式滾切加工效果。

　　2.2 少無(wú)切屑加工技術(shù)

　　機(jī)械制造中用精確成形方法制造零件的工藝，稱(chēng)少無(wú)切屑加工。齒輪冷軋機(jī)是一種無(wú)切屑的齒輪加工機(jī)床，屬綠色加工技術(shù)。但由于受冷成形加工特性的限制，雖然節(jié)約了原材料消耗，但加工過(guò)程中存在加土能耗、噪聲人以及加工能力有限等問(wèn)題，仍有待大力推進(jìn)其技術(shù)的發(fā)展。圖3即為為無(wú)屑加土的齒輪冷軋機(jī)。

　　2.3 數(shù)控化技術(shù)

　　齒輪加工機(jī)床的數(shù)控化改造有利于其設(shè)計(jì)與制造的綠色化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方而。

　　(1)齒輪加工機(jī)床數(shù)控化改造有利于簡(jiǎn)化機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減少機(jī)床原材料及其制造所需能源 .輔料的消耗，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

　　(2)采用數(shù)控程序，提高了機(jī)床的自動(dòng)程度，人人縮短了機(jī)床調(diào)整時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。

　　(3)切削速度、進(jìn)給量等切削參數(shù)任意可調(diào)，提高了加生幾柔性，便切削參數(shù)的優(yōu)化。

　　(4)人機(jī)交互式界而，操作方便，而且通常采用密封加工方式，大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了操作的安全性，有利于勞動(dòng)保護(hù)。

　　2.4 模塊化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

　　齒輪加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)客戶(hù)要求，在功能分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一系列具有不同用途(或性能)、結(jié)構(gòu)，而功能相同的、可互換的共有功能模塊(包括組件、部件、裝置或系統(tǒng)等)和一些專(zhuān)用獨(dú)立部件，然后通過(guò)模塊的選擇和組合來(lái)組裝成不同性能和規(guī)格的齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)方法口采用模塊化設(shè)計(jì)，可以縮短交貨期，快速響應(yīng)市場(chǎng)，而且可提高產(chǎn)品質(zhì)量，成木更低，性能更加穩(wěn)定，有利于機(jī)床的再制造及維護(hù)，便十廢棄后拆卸。重慶機(jī)床集團(tuán)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)滾齒機(jī)、插齒機(jī)和磨齒機(jī)的切削運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從而發(fā)明了“先建立三種機(jī)床的共同模塊，再建立任意兩種機(jī)床間的共有模塊，最后再建立各自的獨(dú)有模塊”的齒輪加工機(jī)床模塊化可重構(gòu)設(shè)計(jì)與制造新方法。

　　另外，在齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還可采用各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，以改善機(jī)床的綠色性能。如:用鋼板焊接機(jī)床結(jié)構(gòu)部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)床鑄件結(jié)構(gòu)口由十鑄造過(guò)程環(huán)境污染嚴(yán)重，能耗高，因此采用鑄件床身或立柱結(jié)構(gòu)不利十改善齒輪加工機(jī)床的綠色性能口采用鋼板焊接機(jī)床結(jié)構(gòu)一方而提高了機(jī)床強(qiáng)度和剛性，而且由于減少了鑄造工藝而人人減少了機(jī)床制造過(guò)程中的環(huán)境污染和能源消耗，具有良好的綠色制造特性。重慶機(jī)床集團(tuán)在開(kāi)發(fā)的YS3 t 16 CNC系列數(shù)控高速滾齒機(jī)中成功地采用了鋼板焊接立柱、傳動(dòng)箱等結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，如圖4。

　　2.5 再制造技術(shù)

　　齒輪加工機(jī)床設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)從全生命周期角度出發(fā)，充分考慮機(jī)床資源的循環(huán)重用，采用可拆卸回收性設(shè)計(jì)以及模塊化設(shè)計(jì)等方法，便于機(jī)床報(bào)廢后進(jìn)行再制造及技術(shù)提升。

　　齒輪加土機(jī)床具有較高的回收利用價(jià)值，可重用部件資源回收利用率較高，而且再制造成木較低，如再制造滾齒機(jī)成木僅為同種技術(shù)水平的新滾齒機(jī)的50%~60%口通過(guò)再制造，機(jī)床人量零部件得以重用，避免制造這些零部件的過(guò)程(鑄造、焊接、切削加工和熱處理等)中的環(huán)境污染及資源 ,能源消耗，也避免了對(duì)這些零部件進(jìn)行回收處理過(guò)程的資源消耗與環(huán)境污染。對(duì)齒輪加工機(jī)床進(jìn)行綜合性能提升后，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量.高精度、自動(dòng)化加工，減少調(diào)整、加土和檢驗(yàn)時(shí)間，加工精度穩(wěn)定，廢品率降低，生產(chǎn)成木減少，井實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的節(jié)能、降噪。滾齒機(jī)床再制造前后對(duì)比如圖5、6所示。

　　2.6 其他技術(shù)

　　采用油霧處理裝置凈化油霧。在高速一叨削條件下，齒輪加g2會(huì)產(chǎn)生大星的油霧，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間造成嚴(yán)重的環(huán)境污染二采用油霧分離器可以對(duì)所排出的油霧進(jìn)行凈化，人大減少油霧對(duì)車(chē)間環(huán)境的污染，可以達(dá)到良好的效果，如圖7所示。

　　采用有效的切屑回收系統(tǒng)，分離鐵屑與油污口人量的油污被粘附在工件和鐵屑中帶走，由十鐵屑體積小，數(shù)量大，總的表而積很人，而且通常鐵屑形狀不規(guī)則，有利于油污的吸附，因此鐵屑帶走的油污量很人。但在一般情況一下，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有得到熏視，大量油污棍在鐵屑中帶走，最終造成環(huán)境污染，因此需要對(duì)鐵屑和油霧進(jìn)行分離。具體的實(shí)施過(guò)程可以考慮增加先進(jìn)的切屑回收系統(tǒng)，用于分離鐵屑與油污，一方面有利于鐵屑的回收，另一方而義可以減少鐵屑中廢液的環(huán)境污染問(wèn)題口如圖8是YKS3120系列六軸數(shù)控滾齒機(jī)的排屑裝置，具有鐵屑和污油分離功能。

3 綠色齒輪加工機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)

　　從環(huán)保生態(tài)學(xué)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，有效控制或廢除切削油的人量使用是綠色齒輪加工機(jī)床發(fā)展的大勢(shì)所趨。

　　濕式切削法需要配置油箱及油路系統(tǒng)，還須采取措施防止油變質(zhì)，以及進(jìn)行廢油處理，工件清洗，切削油排除處理等。而切削油中含有對(duì)人體有害的硫化物、氯化物等。在干式切削條件下，采用全密封護(hù)罩加油霧分離器的方式有效控制切削油產(chǎn)生的環(huán)境和健康危害并實(shí)現(xiàn)切削油的清潔循環(huán)使用是一種有效措施。由于該種方式?jīng)]有對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、剛性及刀具等提出新的技術(shù)要求，因而實(shí)現(xiàn)成木較低，技術(shù)跨度相對(duì)較小，因此目筋這種環(huán)保型濕式切削滾齒機(jī)在發(fā)展中國(guó)家存在著人量需求。該方法的缺點(diǎn)在于并沒(méi)有真正擺脫切削油的使用，其環(huán)境.與健康的潛在危害仍然存在。

　　而干式齒輪加工方式是一種真正意義上消除切削油使用的先進(jìn)加.兒方式，是米來(lái)齒輪加工機(jī)床綠色化、高速、高效發(fā)展的必然趨勢(shì)。千式齒輪加幾一分為低溫冷風(fēng)干式和高速干式切削兩種方式。

　　低溫冷風(fēng)切削是在現(xiàn)有高效滾齒機(jī)和插齒機(jī)等的基礎(chǔ)上增加低溫冷風(fēng)裝置井采用極少量的切削潤(rùn)滑油，這種方式的干式切削在現(xiàn)有高效滾齒機(jī)的綠色化改造中具有較人價(jià)值。

　　近年來(lái)，隨著刀具材料、涂層技術(shù)等的發(fā)展，現(xiàn)在的滾刀線(xiàn)速度可達(dá)到600 m/min，這就為高速干式切削滾齒機(jī)的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。干式切削與濕式切削相比，高速干式切齒機(jī)床由十完全不需要切削汕及不需要增加低溫冷風(fēng)裝置，不但極大地

　　提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率、降低了工件的加_工成木，而且有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約自然資源。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益提高和人們?cè)絹?lái)越重視各種各樣的節(jié)能技術(shù)，搞速干式切齒機(jī)床將成為齒輪制造商新購(gòu)加工設(shè)備的目標(biāo)，近兒年國(guó)際上各大一切齒機(jī)床制造商都在集中精力開(kāi)發(fā)高速干式切齒機(jī)。所以而向綠色制造的高速干式切齒機(jī)床將是綠色齒輪加工機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)。

4 結(jié)論

　　(1)而向綠色制造的齒輪加i_機(jī)床有利十減少齒輪加工的油霧污染、清潔生產(chǎn)環(huán)境和保護(hù)操作者的安全與健康，同時(shí)通過(guò)減少切削液的使用可以降低加工成本，目前受到國(guó)內(nèi)外切齒機(jī)床生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)的青睞口

　　(2)而向綠色制造的切齒機(jī)主要包括帶有全密封護(hù)罩和油霧分離器的濕式切齒機(jī)、低溫冷風(fēng)切削切齒機(jī)、高速于式切齒機(jī)床等類(lèi)別。其中高速干式切齒機(jī)床以其高速、高效、不使用切削液、單件生產(chǎn)成木低、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，將成為綠色齒輪加工機(jī)床今后發(fā)展的主要方向。