绿色制造.doc

绿色制造 摘要：简述绿色制造的内涵，如何评价绿色产品和绿色材料，举例说明绿色包装设计的若干要点。简述绿色干切削技术及应用关键词：绿色制造，绿色产品，绿色材料，绿色包装设计1、绿色制造内涵绿色制造（Green Manufacturing），又称环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing)、面向环境的制造(Manufacturing For Environment,MFE)。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目的是使得产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的损害最小，对资源的利用效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造也可简单地表述为：用绿色材料、绿色能源，经过绿色的生产过程（绿色设计、绿色工艺技术、绿色生产设备、绿色包装、绿色管理等），最终生产出绿色产品。有关绿色制造概念，以下几个方面值得关注：（1）绿色制造涉及产品的全生命周期。产品全周期包括了从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用的全过程。如图3-1所示。从地球环境（土地、空气和海洋）中提取材料，加工制造成产品，并流通给消费者使用，产品报废后经拆卸、回收和再循环将资源重新利用。在产品整个生命周期过程中，不断地从外界吸收能源和资源，排放各种废弃物质。（2）绿色制造主要涉及两个问题：环境影响问题和资源优化问题。这两个问题与制造本身相互交叉和影响。在满足社会效益和经济效益的同时，最终实现节约资源能源和环境保护的绿色制造目标。（3）绿色制造不仅涉及制造科学问题，还涉及环境科学和管理科学领域的问题。（4）绿色制造必须与市场需求、经济发展相适应。随着相关科学技术的发展，绿色制造的目标、内容会产生相应的变化和提高，也会不断地走向完善。绿色制造涉及的内容包括：绿色设计、绿色材料、绿色制造工艺和绿色处理。其中，绿色设计是关键。绿色设计在很大程度上决定了产品整个生命周期的绿色性。另外，在绿色制造中还有一个重要的分支再制造工程（Again Manufacturing）。它是利用多种表面工程的技术和其他技术形成的先进再造成形技术，引入全寿命周期的设计，通过恢复和提高废旧产品零部件的尺寸、形状和性能的途径制造新产品，从而为解决资源浪费、环境污染和废旧装备翻新创造了一个最佳方法和途径。图3-1 产品全生命周期2、绿色产品和绿色材料评价绿色产品（Green Product）是指在其整个生命周期（原材料获取、生产、销售、使用维护、再使用、再循环和处置）过程中，对人类及生态环境无危害或危害少、资源利用率高、能源消耗低的产品。绿色产品是绿色设计和绿色制造技术创新的最高级别和最终体现，较好地实现了经济效益、社会效益和环境效益的协调与优化。绿色产品在全生命周期过程中资源和能源消耗少、利用率高，对环境无害或少害，这种对资源、能源和环境的友好程度，称之为产品的“绿色度”。绿色产品评价问题是研究如何正确评价绿色产品的“绿色度”，从而指导企业改进产品设计和生产，并指导消费者正确消费。绿色产品和绿色材料评价可以从以下几个方面进行。1）环境属性。绿色产品在其整个生命周期具有良好的环境保护性，即从材料采掘与加工、产品制造、使用维护、回收处理都应具有良好的环境属性：不危及人体健康与安全，不造成环境污染。环境属性指标可分为环境污染和生态环境破坏两方面。环境污染可分为大气污染、液体污染、固体污染和噪声污染。2）能源属性。绿色产品不仅要求在其生命周期循环中用最少的能耗来获得最大效益，而且要求逐步用可再生能源取代目前大量使用的化石能源。能源属性指标主要用能源类型及种类、能源利用率、再生能源使用率、使用能耗、回收处理能耗等来衡量。3）资源特性。由于地球资源的有限性，要求单位重量或单位产品的材料由最少的资源量构成或者尽量多地由可再生资源构成，这是社会可持续发展的要求。包括：材料资源、设备资源、信息资源、人力资源。4）经济属性。包括生产成本、用户成本（如使用成本、回收费用、处理费用等）和社会成本（如环境污染治理、职业保健、废弃物处理等）。对产品的生产进行成本分析，从中找出降低成本的环节，以最少的投入得到最大的经济效益，这便是产品的经济判据。与传统产品的成本的构成不同，绿色产品的成本不仅包括制造成本、使用成本、维护成本、能耗成本等，还包括回收处理费用、相关的环境保护的各种费用。5）质量属性。绿色产品首先应具有优良的使用功能，质量是反映产品功能好坏的指标，它集中地反映了产品设计、生产等方面的技术先进性。3、绿色包装设计 产品包装有两层含义：一是指产品的容器和外部包扎，即包装器材;二是指包装产品的操作过程，即包装方法。产品包装是为保护产品数量的完整性而必需的一道工序。由于产品的包装直接影响到产品的价值与销路，因而对绝大多数的产品来说，包装是产品运输、储存、销售不可缺少的必要条件。包装的作用：保护产品、提高产品储运效率、便于使用、促进产品销售、增加企业收。绿色包装（Green Package）又称无公害包装和环境之友包装(Environmental Friendly Package)，指对生态环境和人类健康无害，节约资源，能重复使用和再生，符合可持续发展的包装。具体而言，绿色包装具有以下的含义：1）包装减量化（Reduce）。绿色包装在满足保护、方便、销售等功能的条件下，应是用量最少的适度包装。欧美等国将包装减量化列为发展无害包装的首选措施。2）包装应易于重复利用（Reuse）或易于回收再生（Recycle）。通过再生制品、焚烧利用热能、堆肥化改善土壤等措施，达到再利用的目的。既无污染环境，又可充分利用资源。3）包装废弃物可降解腐化（Degradable）。为了不形成永久性的垃圾，不可回收利用的包装废弃物要能分解腐化，进而达到改善土壤的目的。世界各工业国家均重视发展利用生物或光降解的包装材料。4）包装材料对人体和生物无毒无害。包装材料中不应含有有害物质，或有害物质含量应控制在有关标准以内。5）在包装产品的整个生命周期中，均不应对环境产生污染或造成公害。即包装制品从原材料采集、材料加工、制造产品、废弃物回收再生，直至最终处理的生命全过程均不应对人体及环境造成公害。以上绿色包装的含义中，Reduce、Reuse、Recycle和Degradable被称为发展绿色包装的3R和1D原则。前四点是绿色包装必须具备的要求，最后一点是依据生命周期评价，用系统工程的观点，对绿色包装提出的理想的、最高的要求。绿色包装是一种理想包装，完全达到它的要求需要一个过程。为了既有追求的方向，又有可供操作分阶段达到的目标，可以按照绿色食品分级标准的办法，制定绿色包装的分级标准。4、绿色干切削技术环境和资源问题是当今和未来人类社会实现可持续发展需要解决的问题。随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，虽然切削液有利于降低切削温度、延长刀具寿命、提高断屑和排屑能力，但若将未经处理的切削液直接排入江河湖海，就会破坏生态环境。此外，由于切削液的润滑剂中含有大量亚硝胺、多环芳香烃和细菌分解产物，直接接触将导致多种皮肤病、眼疾、呼吸系统疾病等，直接影响到操作者的身体健康。另据美国企业对加工成本的统计，在零件加工总成本中，切削液费用约占16%，而刀具的费用只占总成本的4%。近年来，世界各国为了贯彻环保政策、降低加工成本，大力研发及推广应用干式切削加工技术。到2003年德国制造业将有20%以上采用干切削技术，据测算:它的总制造成本就可降低1.6%以上，干切削技术已成为金属切削加工的重要发展方向。本文在分析干切削加工特点的基础上，提出了干切削对刀具、机床等工艺过程的具体要求，讨论了干切削的具体应用。4.1干切削加工中的刀具技术 干切削加工是在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或基本相近的切削条件。因此，刀具是否能承受干切削时巨大的切削热是实现干切削的主要问题，一般可采取的措施有: 4.1.1 选择适合干切削加工的新型刀具材料 刀具在切削加工过程中，要承受很大的压力，同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损，因此干式切削刀具材料应具备更高的耐热性和热韧性，良好的耐热冲击性、抗粘结性及高的耐磨性。常用的有高韧性和高硬度兼备的纳米级细颗粒硬质合金，耐热性和高耐磨性好的粘结硬质合金，涂层硬质合金，陶瓷及金属陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金刚石(PCD)等。近年来，还在Al2O3基体中添加20%30%的SiC晶须，它能阻挡或改变裂纹发展方向，使刀具的韧性大幅度提高，是一种极具发展潜力的干式切削加工用刀具材料。 4.1.2 采用涂层技术 对刀具表面进行涂层处理实际上类似于冷却液的功能，它可产生隔热层，使热不会或很少传入刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的锋利和坚硬。一般应采用多层涂层，以达到最佳的热防护，在常规涂层中TiAlN是干式加工中改善热绝缘的首选涂层，但是常规采用的单层TiAlN涂层的附着性差，不具备最优性能，在干式加工的动应力下，单层TiAlN有产生裂纹破碎的倾向，会从刀具上剥落。多层TiAlN涂层，其组织可抑制表面层从刀具基体面上碎裂，对改进性能非常有效。德国Guhring公司的Firex多层硬涂层由不同的TiN和TiAlN的超薄涂层交替构成，可得到很好的结果。 目前，滑性“软”涂层的研究和使用是干切削刀具涂层技术的另一主要发展趋势。第一，采用新的沉积技术将硬质合金、钢甚至铝作为涂层来降低摩擦系数。第二，采用“超软”涂层，如德国的Guhring公司开发的“Movic”软涂层工艺，它实质上是固体润滑剂(MoS2)和刀具相结合后在刀具表面形成了良好的滑动表面，因此具有较好的润滑功能，在切削加工中可使切屑与刀具排屑槽之间产生的摩擦最小(一般只有0.01左右)。可有效避免积屑瘤的产生并能减小切削力和降低切削温度，提高刀具耐用度。试验表明:无涂层丝锥只能加工20个螺孔：采用TiAlN涂层的丝锥可加工1000个螺孔：用MoS2涂层后可加工4000个螺孔。第三，采用软/硬组合涂层，即先在刀具上涂上“硬”涂层(如TiN)后再在其上涂上“软“涂层(如MoS2)，采用这种组合涂层的钻头在钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时，刀具寿命高达1600min，而硬涂层钻头，如TiN和TiCN涂层的钻头寿命只有19.6min和44min。另一种很有前途的涂层新工艺叫等离子注入，它是用“射入”金属离子的办法有效地形成点阵结构，并可深入刀具基体内部，这种方法能提高刀具硬度但不会改变其尺寸，这一点对精细刀具的干式切削尤为重要。 4.1.3 合理选择和刃磨刀具几何的形状 干切削加工中，由于缺少了切削液的润滑和冷却的主要作用，因此，有效散热是实现干切削要解决的主要问题，优化刀具几何形状时应满足:第一，减小刀具和工件的接触面积，如，麻花钻要减小倒锥度、刃带及螺旋角。第二，为防治和阻断积屑瘤的产生要在可能形成积屑瘤的表面有最充分的润滑。 此外，干式切削使刀具切削刃承受着很大的机械应力和热应力，为增加切削刃强度在刃磨时一般宜采用油石珩磨，这可避免在干式加工的应力作用下刀具可能出现的裂纹，磨损及崩刃。但对于刀具基体能产生较锋利的切削刃的刀具，如:超细晶粒硬质合金及金刚石刀具只应少量珩磨。 4.2 合理选择配置机床 用于干切削的机床应主要考虑切削热的散发及热切屑和灰尘的排除。一般应尽可能采用超高速机床，这种机床95%以上的切削热会被切屑带走，并可降低约30%左右的切削力，工件可基本保持在室温状态下进行加工。除此之外，机床结构应有利于吸尘和排屑，在保证主轴、导轨等精密运动部件有良好的密封情况下，最好能采用真空吸尘装置将悬浮颗粒及烟气排出。若考虑到导轨防护盖板和机床结构，斜角朝上的方法或许是更有效。 4.3 采用合理有效的冷却方法 干式切削就是不用切削液，利用特定的刀具及其相关加工技术获得理想加工效果的一种加工方法。就这从根本上解决了切削液造成的负面影响，但在有些加工场合排屑极为困难，刀具和工件难以充分冷却，润滑条件差，严重影响已加工表面质量。为解决上述问题，必要时还可采用准干式切削方式，即在加工中采用风冷或微量冷却润滑等方法。干式切削时，可采用喷气冷却系统，它是一种低温切削方法，它所使用的冷却气体是由液态氮或其他方式在热交换器中冷却过的，其温度可低达-45，冷却气体直接喷射到切削区，并可根据加工要求调节气体的温度、流量参数以满足加工要求。利用液氮的另外一种方法是间接利用，美国标准和技术国际研究所Evans利用液氮冷却刀杆或夹具，用金刚石刀具切削不锈钢时，加工表面粗糙度低于Ra0.025，并且大大减少了刀具的磨损。除此之外还可采用“切削液最小量”技术，即给切削过程很少量的切削液以达到降低切削温度、及时排出切屑的目的。一般当机床工作在最佳条件时，切削液消耗量应在50mL/h以下，而采用正常射流冷却时的切削液耗量可能会超过6L/min。 准干式切削技术的最大好处在于，如果使用恰当，刀具、工件和切屑可保持干燥，这就避免了废物处理的麻烦。目前，此技术多用于铸铁、钢、铝合金上进行钻孔、铰孔和攻丝加工以及深孔钻削和铝合金的端面铣削等。 4.4 干切削加工技术的应用 随着刀具材料、涂层技术、刀具结构和工艺装备的发展及对环境管理和监测有严格规定的ISO和JIS14000系列标准的出台，美国、德国、日本等国家已对干切削进行了大量的研究并应用于实际生产，取得了明显的经济效益和社会效益。为了在今后国际机械行业竞争中立于不败之地，我国一些科研所也已经开展并取得了一定的成果。目前，干式切削已应用于铸铁、铝、镁及钢、高合金和钛、铝合金等材料的切削加工。 铸铁材料是典型的干式切削加工材料，美国LeBLond MaKino公司研发的“红月牙”(Red Crescent)铸铁干式切削技术就是利用陶瓷和CBN刀具进行高速加工。由于其切削速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使该处的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可将金属切除率由16cm3/min提高到149cm3/min，极大地提高了切削加工效率。 德国Guhring公司的M-涂层钻头，即在硬涂层外面再加一层软涂层的钻头与采用TiAlN涂层的钻头在相同切削条件下寿命可提高近一倍。 日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机，采用硬质合金滚