齿轮加工机床的绿色设计与制造技术
2019-1-16 来源： 重庆机床（集团）有限责任公司 作者：杨灿辉
摘 要：机床设备开发是未来绿色齿轮机床开发的主要方向和关键领域。本文对齿轮加工机床的绿色特性进行了分析，根据传统齿轮加工机床的工序复杂、材料损耗较高和环境污染较严重等特点，提出了面向绿色设计制造技术的改良策略。并对齿轮机床的干切削技术、数控技术、模块化和结构优化设计技术进行分析，指出齿轮快速干式切割技术能有效地节约制造成本和降低环境污染。
关键词：齿轮加工 绿色设计制造技术 加工机床
引言
制造业已经成为创造人类财富的支柱产业，也是工业产业发展的重要支撑，而制造业在制造资源过程中造成了大量的社会资源消耗和严重的环境污染。因此，如何减少制造业的资源消耗和环境污染是当前需要解决的重要问题，所以实行绿色制造是制造业的发展趋势。绿色制造符合了现代制造模式的需求，其主要目标是使产品在设计、制造、
包装、运输和使用等过程中对环境造成较小的负面影响，资源利用率高，并优化企业的经济和社会效益。
1、齿轮加工机床的绿色特性分析
齿轮加工机床是制造业的主要生产设备。其主要有设计制造环节、加工环节和淘汰报废环节，这三个环节的全部过程均在不断的消耗社会资源，并对环境造成负面影响。一是齿轮加工机床在进行加工过程中大量使用切削剂对环境造成污染。二是传统齿轮加工机床在设计开发和制造使用过程中，其机床结构复杂、功能单一，具有材料消耗高和环境污染严重的缺点，从而造成机床产品加工季度低、安全保障性较差和企业投入成本较大。传统齿轮加工机床各个阶段的特征和影响，如表 1 所示。
表 1 传统齿轮加工机床绿色特性
2、齿轮加工机床绿色设计策略
2.1 干式切削技术
高昂的冷却剂使德国大众公司在财务报告中称冷却剂的使用成本超出了工件购买价格。冷却剂在使用过程中产生的主要费用有：采购和管理费用、工件清洁费用、污油与铁屑分离费用等。而冷却剂的使用也是从业人员健康危害和环境污染的主要源头。随着环境污染日益严重，人们环保意识的不断提升，冷却剂的使用违背了大环境下的发展趋势。干法切削则是一项新的更加高效安全的绿色技术，它对传统的切割工艺进行了重大改进。应用干式切割技术的切割齿轮加工机的速率是传统加工工艺的 6 倍，可以降低 50% 的加工成本，而且加工出的配件质量合格，同时这种方法减少了冷却液的使用，降低了环境污染。
干式切削技术主要有切割速度快、芯片快速分离等工艺特点。数据表明，在机床滚切过程中，高速钢滚刀的滚切速度达到 160m/min，硬质合金钢切割刀的滚切速度高达320m/min。为了实现这种高速滚切加工，主轴通常使用高速滚切工具，齿轮加工机床台面采用齿轮传动系统代替传统的蜗轮传动。在中齿轮加工机床工作台上已采用扭矩伺服电机技术，工作台转速达到 800r/min，芯片快速分离。但由于切割过程温度高，如果切割碎屑不能及时地剥离，切割碎屑的导热性很可能导致工件和机器的热变形，继而影响齿轮的加工精度。在滚切过程中，通常都是以刀具的快速滚切将碎屑带离工作台。
2.2 窜刀方式
在每加工一件或几件齿轮后将滚刀沿其轴线移动一个距离，使新刀齿进入切削区，前面的刀齿退出切削区，使所有的刀齿都有同样的磨损，就是窜刀作用。该方法具有滑动小且移动缓慢、切削刃上的负载过大，温度高的缺点。使用窜刀方法，滚刀每切削一至几个工件时就窜动一次，直到窜刀范围内的刀具都参与了窜刀切屑，且窜刀过程中工件彼此之间的距离需要是滚刀的两个相邻齿之间的距离。每次刀片的数量根据滚刀要求确定，即以滚刀刀齿来进行确定，这个值需一般的滚刀都能满足，才可以进行换刀来有效地防止滚刀过热。
2.3 数控化技术
齿轮加工机的数控改造与齿轮加工机床的设计和制造过程中的环境污染程度有着密切联系。其特点主要有：（1）对于机床结构，齿轮加工机的数控变换有助于优化其自身结构，进而减少机床的原材料使用，减少环境污染；（2）加工机的数字控制系统变换可使机床实现自动化，降低生产成本，增加经济收益；（3）齿轮加工机的数控变换可以控制进刀量、切割速度等工艺参数，便于工件加工时的工艺步骤优化；（4）齿轮加工机的数控变换可以使人机交互界面操作方便，提高了操作的安全性。
3、结语
绿色制造齿轮加工机减少了油雾污染，清洁了生产环境，保护了操作人员的安全健康，同时减少了切削液的使用进而降低加工成本。目前，绿色制造齿轮加工机受到了国内外切割机床厂商和用户的青睐。绿色切割机主要包括全封闭式湿式切割机和油雾分离机，低温冷切割机，高速干切机等。一台高速干切机具有高速、高效、不使用切削液、单件生产成本低和环保等优点，将成为未来绿色齿轮机床发展的主要方向。
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