绿色机床设计的意义 
　　 
　　制造业作为国民经济的支柱产业，虽然为社会创造了丰富的物质财富，但是要消耗大量的资源，还会造成环境污染。目前，环境问题已经日益成为影响社会经济发展的一个关键因素，各国政府制定的环保法规越来越严格，消费者也对环境管理极大关注。因此，如何减少资源消耗和环境污染是21世纪制造业面临的重大问题。为此，在制造业实施绿色制造技术，贯彻可持续发展战略已势在必行。机械制造业在我国的节能减排工作中起举足轻重的作用，金属切削机床是制造机器的机器，是工业母机，一般机床的工作年限都在三、四十年以上，属于长寿命产品，在其生命周期内既要消耗能源，又要产生固体、液体和气体的废弃物，对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染[1]。所以，节省能源、绿色环保的新型机床成为当前研究的热点。 
　　 
　　绿色机床设计的新材料 
　　 
　　随着现代工程技术和科学技术对材料性能要求的不断提高，新材料的研究和应用得到迅速发展，以复合材料为代表的新材料已经广泛地应用于国民经济各个领域。在机械工业中，新材料的出现和应用使一些传统的加工工艺发生了重大变化。现代航空航天业等*产业的发展对数控机床与装备的性能、精度、加工能力的要求日趋提高，带动和促进了数控机床与装备制造业的发展。 
　　 
　　由于航空航天工业产品零件具有耐高温、高强度、难加工、合金材料和复合材料多、复杂结构件多和工艺要求高等特点，要求机床加工设备朝大型（重型、超重型）、高速、精密、复合、智能化的趋势发展。如何充分地发挥新材料工艺性能等优势，把它应用于实际，成为新时期机床设计领域的重要课题。 
　　 
　　包括碳素纤维、陶瓷和复合材料等新材料在机床结构中的应用，使机床结构轻量化、环保化，促进了机床加工设备向高速、精密、复合、智能化方向发展。如机床的大尺寸支承件使用人造花岗石，或在钢板焊接的框架内填充混凝土，既可以节省金属资源，又可以增加抗振性和热稳定性；对一些受力条件复杂的零、部件，使用像碳素纤维等新材料，不仅可以使机床结构轻量化，而且可以提高寿命；对一些高硬度耐磨件，使用陶瓷等材料代替高硬度钢，既可以减轻重量，又可以节省贵重金属资源，还可以省去高硬度钢在加工过程中需多次进行的、耗时耗能的热处理工序。 
　　 
　　例如，在欧美等国家机床产业中，新型材料树脂混凝土得到了很大的发展，特别是在高精度机床的床身应用方面，树脂混凝土正逐渐替代传统的铸铁。树脂混凝土是一种新兴结构材料，是一种由天然矿石（不同尺寸、不同来源）和环氧树脂（作为粘合剂）为主的混合物，相对于传统的铸铁来说具有很大的优势。目前，越来越多的机床制造商开始设计使用树脂混凝土的机床，但对于中国市场来说，这个领域还是空白。与传统铸铁相比，树脂混凝土具有以下4项优势： 
　　 
　　（1）低能耗。相对于铸铁来说，树脂混凝土能耗少，在制作过程中节省大约30%的能量消耗。在面临电力、天然气、煤等能源短缺问题的今天，使用如树脂混凝土之类造价低廉并能回收的环保材料是的选择，树脂混凝土垃圾和旧的床身可以作为建筑原料。 
　　 
　　（2）吸振性好。如今，精密数控机床越来越受重视，在高速切削时，工件和机器部件移动得越来越快。提高转速、进给速度和增加零部件重量将会产生振动，从而降低精度。树脂混凝土能消除振动，提高机床的精度。 
　　 
　　（3）高度整合性。和900℃浇铸温度的铸铁相比较，树脂混凝±45℃的浇铸温度是另一个优点。传统的方法是在床身浇铸完成以后再安装上其他的零部件，如今可以直接在铸件中铸入零部件，如管道、电缆、传感器、执行器和盛液体的内腔等。 
　　 
　　（4）高精度。传统制造床身的方式是经过铣、磨加工以后再安装线性导轨。因为传统的铸件在脱模以后的精度较低，脱模后的树脂混凝土能达到较高的精度。此外，通过再次浇铸还可以达到更高的精度水平。 
　　 
　　绿色机床设计的新技术 
　　 
　　随着科学技术的飞速发展，越来越多的新技术应用于机床产品的设计领域。绿色机床提出了一种全新理念：减轻机床的质量，节省材料，降低机床使用时的能源消耗。同时在机床设计中逐渐采用模块化设计，满足不同用户的需求，易于产品维修、拆卸及回收，使资源得到zui大限度的利用，节省资源。 
　　 
　　1在结构设计时减轻重量、简化结构、优化功能进行机床设计时，多数采用类比设计法，在原有产品基础上进行变化或改进，只要原有产品不出现问题，就把某些结构及尺寸照搬过来，或进行按比例放大，这样做可以产生结构尺寸的富余。因此机床结构优化的空间很大，在机床几十年的生命周期内，节能量相当可观。 
　　 
　　在设计机床的整体结构时，采用结构zui简单化原则，尽量简化设计，减少不必要的零件数。因为每一个零件的背后，都有一套完整的设计过程、从准备毛坯到产品检查合格后入库的生产过程、所有的管理过程、以及安装时的调整过程。减少一个零件，就可以减少这一整套的过程，降低制造成本。在设计机床的传动系统时，尽量缩短传动链，不仅可以减少零件数目，减少空载功率损失，而且可以提高传动精度。在零件设计过程中，同样采用结构zui简单化原则。在机床*件设计完成后进行有限元结构分析，在满足刚度前提下，优化改进，减小某些尺寸，让机床重量达到zui小，节省材料。图1为机床基础大件有限元分析图例。对一些运动部件，进行结构优化设计，既可以节省材料，又可以减轻重量、降低空运转功率和机床使用时的能源消耗。 
　　 
　　以我国航空航天业的大飞机项目来说，大飞机的梁、框、肋和壁板的毛坯所用的板材或锻件，都是重量达到几百公斤甚至几吨，因此需要用重型甚至是超重型的多坐标、高速、高刚性、大功率的数控龙门铣床、立式加工中心等数控加工设备。在机床设计时简化结构、优化功能、减轻重量，能够节省大量材料，取得良好的社会效益和经济效益。 
　　 
　　2采用环保新技术，有效利用能源，保护生态环境在机床新产品设计过程当中强调对资源、能源的有效利用和对生态环境的保护，尽量减少非再生资源的消耗，节省原料。在实际中主要控制噪声污染、废气污染、切削液污染、润滑剂污染和有害物质的使用。针对上述要求，现在有很多环保新技术应用于机床产品设计中。 
　　 
　　例如，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危害非常大。现在，出现了干切削和微量润滑（MinimizedQuantityLubricaion,MQL）技术。提高刀具的性能，不使用冷却液，或者使用专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），解决切削液污染的问题。图2为微量润滑技术的示意图。 
　　 
　　同时在机床润滑系统设计时，采用集中润滑或者自润滑方式可有效降低润滑油损耗与排放，减少润滑油对环境的污染。在现代航空航天业中，由于镁合金密度小，比强度高，能达到减重的目的，因此得到广泛的应用。在飞机上镁合金用于制造壁板、翼肋、机轮轮毂、电机壳体等，在航天工业中镁合金用于制造火箭、人造卫星等多个部件。镁合金粉末遇水容易产生氢气，氢易于燃烧，具有爆炸性，因此镁合金的加工特别是采用大进给量、高速切削时不能冲水排屑，只能采用矿物油，成本很高。镁合金具有不需研磨抛光、散热快、不用切削液也能得到较好的表面质量的特点，因此干切削和微量润滑等环保技术的出现，解决了航空航天行业中镁合金材料加工的难题，降低了加工成本。 
　　 
　　进行模块化设计，便于重组和绿色再制造 
　　 
　　在机床新产品设计中，采用模块化设计可以满足不同用户的需求，易于产品维修、拆卸及回收，使资源得到zui大限度的利用，节省资源。在模块化设计及便于回收重组方面，组合机床是一个很好的例子。组合机床是由大量的通用零部件和少量的部件组成的机床，当产品或工艺变化后，把原有的机床拆开，大量的通用零部件还可以重复利用到新的机床。在现有标准的基础上，如果能够对一些通用机床的主要零部件尺寸制定相应的标准，将有利于机床的回收、改造或重组，大大节省机床再造成本[2]。图3与图4分别是车削类产品和镗铣类产品模块化设计图。 
　　 

　　 
　　随着新材料和新技术研究的不断深入，大大促进了节省能源、绿色生态的新型机床的不断发展。我国是制造业大国，提高行业自主创新能力，应用新材料、新技术开发绿色机床，实现资源循环利用，实现企业经济效益和社会效益的整体优化，对于振兴我国机床行业具有重要战略意义，对全社会节能减排具有重大的推动作用。