張慶鋒，戴惠良

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

基于綠色制造理念的機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)研究

張慶鋒1，戴惠良2

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，很多優(yōu)良技術(shù)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)中，但并不是所有技術(shù)的應(yīng)用都與環(huán)保理念相符合，有些可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響，因此綠色制造理念開(kāi)始被提出并應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中。從多角度探析基于綠色制造理念的機(jī)械設(shè)計(jì)及制造的相關(guān)問(wèn)題。

綠色制造理念；機(jī)械設(shè)計(jì)；制造工藝技術(shù)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，整體工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，環(huán)境污染也隨之而來(lái)。作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，機(jī)械制造業(yè)對(duì)于推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。為了該行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，有必要將機(jī)械制造領(lǐng)域發(fā)展的核心放在綠色工藝的研發(fā)上，基于綠色理念開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)，充分重視機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的綠色理念。

1 綠色機(jī)械設(shè)計(jì)制造的重要性

我國(guó)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展到今天，有關(guān)綠色機(jī)械設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容非常豐富，研究的深度與廣度也進(jìn)一步拓展，很多人開(kāi)始將綠色機(jī)械設(shè)計(jì)看成是“生態(tài)設(shè)計(jì)”，還有一些人將其等同于“環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)”或“自然環(huán)境設(shè)計(jì)”等。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造要求按照市場(chǎng)需求對(duì)產(chǎn)品的使用壽命、使用功能等進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果產(chǎn)品需求反復(fù)修改，必然會(huì)造成設(shè)計(jì)周期、制造周期的延長(zhǎng)，甚至可能產(chǎn)生大量廢棄的試制品,造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。綠色設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于節(jié)省原料，減少能源的消耗，同時(shí)減少能源使用過(guò)程中廢水與廢氣的排放，這有助于更好地保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，符合國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 綠色機(jī)械制造工藝類(lèi)型

所謂綠色制造工藝實(shí)際上就是以傳統(tǒng)制造工藝為基礎(chǔ)，注重與表面技術(shù)、控制技術(shù)及材料科學(xué)等技術(shù)結(jié)合的新的工藝技術(shù)，當(dāng)前綠色制造工藝主要有環(huán)境保護(hù)型工藝、資源節(jié)省型工藝及能源節(jié)省型工藝等三種類(lèi)型。

2.1 環(huán)境保護(hù)型工藝

環(huán)境保護(hù)型工藝的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)輸入輸出系統(tǒng)。將各要素輸入到生產(chǎn)過(guò)程以后，該系統(tǒng)就可以將產(chǎn)品輸出出來(lái)，在產(chǎn)品輸出的同時(shí)降低對(duì)環(huán)境、工作人員造成危害或不良影響的物質(zhì)的輸出，如廢液、廢水、廢渣或噪聲等。經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，我們發(fā)現(xiàn)，環(huán)境保護(hù)型工藝技術(shù)在研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)將重點(diǎn)放在末端治理技術(shù)上，從最大程度上預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程中一些不必要污染的產(chǎn)生，如使用EPS、聚乙烯等在大自然中易于自然分解且不會(huì)污染環(huán)境的材料。

2.2 資源節(jié)約型工藝

所謂資源節(jié)約型工藝，其最大的特點(diǎn)在于低能耗，具體來(lái)說(shuō)就是從最大程度上節(jié)省各種材料的消耗，同時(shí)極大地簡(jiǎn)化工藝系統(tǒng)，將重點(diǎn)放在工藝技術(shù)上。資源節(jié)約型工藝需要從工藝與設(shè)計(jì)兩方面著手。首先，從設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)注重選擇一些低耗能、少污染及已加工的材料，注重選擇綠色材料，并通過(guò)減輕零部件重量，減少零部件數(shù)量及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式提升材料利用率。其次，從工藝技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，通過(guò)應(yīng)用新型特種加工技術(shù)，少、無(wú)切削加工技術(shù)，干式加工技術(shù)及優(yōu)化毛坯制造技術(shù)等方式，可以有效減少材料的消耗。

2.3 能源節(jié)省型工藝

能源節(jié)省型工藝就是在實(shí)際應(yīng)用中，從最大限度上減少能源消耗造成的危害。傳統(tǒng)的產(chǎn)品加工過(guò)程中只有少部分能源消耗可以轉(zhuǎn)化為有用功，多數(shù)都以其他形式消耗掉。這種無(wú)用的能源消耗可能會(huì)引發(fā)很多危害，減少能源消耗造成的危害值得人們重視。

3 綠色機(jī)械設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)

制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起到了巨大的推動(dòng)作用，與此同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，甚至威脅著人們的正常生活。綠色制造理念被西方國(guó)家首先提出，近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始將該理念引入機(jī)械制造領(lǐng)域中。從目前我國(guó)制造業(yè)的整體發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，急需引入并推廣綠色制造工藝，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，從根本上實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢物的無(wú)害化處理。

3.1 綠色設(shè)計(jì)方案

當(dāng)前生命周期設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)與可拆卸性設(shè)計(jì)是較為常用的幾種綠色理念設(shè)計(jì)方案。生命周期設(shè)計(jì)是以環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)品性能、機(jī)械產(chǎn)品成本需求等方面為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，包含產(chǎn)品回收、產(chǎn)品代替、污染物處理及再利用成本等問(wèn)題；模塊化設(shè)計(jì)需要對(duì)產(chǎn)品功能、產(chǎn)品模塊重新組合等進(jìn)行綜合考慮，不僅可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代，同時(shí)可以提高零部件充分利用的效率；可拆卸性設(shè)計(jì)主要是指在確保產(chǎn)品功能不受到影響的情況下有規(guī)律地拆卸，具體針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)后期維護(hù)與產(chǎn)品再利用設(shè)計(jì)。另外，還要建立綠色機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)建成后設(shè)計(jì)人員即可將機(jī)械設(shè)計(jì)制造中用到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中，方便以后查詢(xún)，為綠色設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

3.2 選用綠色材料

在綠色設(shè)計(jì)中材料是主要內(nèi)容，應(yīng)首選健康、環(huán)保的材料，對(duì)材料的相容性、安全性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還要分析材料可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成的影響。傳統(tǒng)機(jī)械制造材料的主要物質(zhì)有鉛、汞等，這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，威脅人體健康，產(chǎn)品使用報(bào)廢之后其回收利用率也比較低。為了實(shí)現(xiàn)綠色機(jī)械制造的目標(biāo)，必須從源頭開(kāi)始，謹(jǐn)慎選擇機(jī)械制造材料。具體來(lái)說(shuō)，綠色選材應(yīng)注重產(chǎn)品需求基本性能的滿(mǎn)足，切實(shí)保證材料的可用性，注意選擇一些耐腐蝕性、抗沖擊性及高溫性能較強(qiáng)的材料，避免選用有毒有害材料。此外，材料管理工作也是非常重要的，應(yīng)仔細(xì)審核材料性能，按照材料的不同功能分類(lèi)管理，在材料投入應(yīng)用后進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)回收并對(duì)產(chǎn)生的副產(chǎn)品、廢棄物等進(jìn)行有效回收應(yīng)用。

3.3 選用先進(jìn)的成型技術(shù)

3.3.1 快速原型制造技術(shù)

該技術(shù)主要利用快速成型機(jī)，借助三維CAD數(shù)據(jù)，基于一層層材料堆積成為實(shí)體原型。該技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)截然相反，在沒(méi)有任何磨具、道具甚至工裝夾具的情況下，即可準(zhǔn)確、快速地形成三維零件或?qū)嶓w。不僅可以降低制造成本，同時(shí)還能有效減少對(duì)環(huán)境造成的污染，快速提升產(chǎn)品樣件的加工速度。

3.3.2 無(wú)切削加工技術(shù)

近年來(lái)各項(xiàng)新技術(shù)、新工藝不斷發(fā)展，冷擠壓、直接沉積及精密鑄造等材料成型技術(shù)開(kāi)始在機(jī)械制造中應(yīng)用，逐漸向精密成型等方向發(fā)展。切削加工逐漸被自由成型制造所代替，應(yīng)用該技術(shù)的成型件可以被直接應(yīng)用，大大減少了產(chǎn)品制造與生產(chǎn)的周期，同時(shí)還能節(jié)省傳統(tǒng)毛坯制造所帶來(lái)的能耗與物耗。

3.4 綠色切削加工技術(shù)

機(jī)械加工過(guò)程中，切削液是主要的污染源，據(jù)相關(guān)研究顯示，零件制造的1/6成本為切削液，綠色切削技術(shù)可以很好地解決切削液的問(wèn)題。所謂綠色切削技術(shù)實(shí)際上是一種綜合考慮資源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題的加工技術(shù)，要求在加工產(chǎn)品的過(guò)程中從最大程度上利用資源，同時(shí)使生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的污染降到最低。當(dāng)前有關(guān)綠色切削的研究主要集中在綠色濕式切削、干式切削及低溫切削等方面。從目前的情況來(lái)看，綠色切削加工技術(shù)的應(yīng)用具有一定的可行性，但是切削液的研制、應(yīng)用及凈化處理等都是急需探索和解決的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到保護(hù)環(huán)境的重要性，越來(lái)越重視環(huán)境污染的問(wèn)題，綠色制造開(kāi)始成為機(jī)械行業(yè)中的焦點(diǎn)，同時(shí)也成為該領(lǐng)域中急需解決的問(wèn)題。將機(jī)械制造工藝與綠色制造理念融合到一起，可以促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)展，從而打破傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境不兼容的發(fā)展模式，促進(jìn)機(jī)械制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，同時(shí)有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共贏(yíng)的發(fā)展。

[1]秦健,鄧銀舟,江帆,等. 基于綠色制造的新型機(jī)械制造工藝及裝備技術(shù)研究[J]. 中國(guó)錳業(yè),2016,34(4):129-131.

[2]田陽(yáng),王昊. 機(jī)械設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用綠色節(jié)能理念存在的問(wèn)題及改進(jìn)對(duì)策[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016,(17):34-35.

[3]章志榮,蘇純. 面向綠色制造的典型機(jī)械產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 軟件導(dǎo)刊,2011,10(12):95-97.

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Research of Mechanical Design and Manufacturing Technology Based on the Green Manufacturing Concept

ZHANG Qingfeng1，DAI Huiliang2

(1. Shanghai Material Engineering School, Shanghai 200231,China;2.College of Mechanical Engineering, Donghua University ,Shanghai 201620,China)

With the development of economy and the progress of science and technology, many excellent technology is widely used in machinery manufacturing, but not all technology application are consistent with environmental protection concept, some may cause adverse effect on the ecological environment, so the green manufacturing concept is beginning to be put forward and used in the mechanical design and manufacturing. This paper analyzes the related issues of mechanical design and manufacturing based on the green manufacturing concept.

green manufacturing idea; mechanical design; manufacturing process technology

2017-02- 20

張慶鋒(1983—)，男，上海人，上海市材料工程學(xué)校講師，東華大學(xué)工程碩士在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

TH16

A

1008-6811(2017)02-0010-03