（机械制造及其自动化专业论文）面向机械加工工艺规划的绿色制造技术研究.pdf

摘要 制造业在为人类创造大量物质财富的同时，也带来了严重的环境污染、资 源与能源过渡消耗问题。为了满足可持续发展的需要，制造业必须尽可能有效 地利用有限的资源并减轻对环境的污染。绿色制造是一种现代企业可持续发展 模式，它具有显著的社会效益和经济效益，将成为本世纪制造业的一个重要特 点。绿色制造实施的关键技术之一就是绿色工艺规划，它对于减少加工过程中 对资源的消耗和对废弃物的排放具有非常重要意义。目前大多数相关的研究还 局限在绿色工艺规划理论方法方面的研究，缺乏对绿色制造中的具体工艺和关 键技术的系统研究和在工程上的应用。 本文介绍了机械加工工艺规划的基本概念，阐述了面向机械加工工艺规划 的绿色制造研究体系，对机械加工工艺过程资源消耗与环境状况进行了分析； 研究了机械加工绿色制造评价方法，建立了绿色制造工艺的t o p s i s 多目标决 策模型，指导了企业绿色制造技术的机械加工生产。 关键词：绿色制造；评价方法；多目标决策模型；工艺规划 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r i n gh a sn o to n l yb r o u g h tf o rt h em a n k i n dal a r g en u m b e ro f w e a l t h ，i th a sa l s ob r o u g h ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，r e s o u r c e sa n de n e r g y o v e rc o n s u m p t i o n i no r d e rt om e e tt h en e e d so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t h e m a n u f a c t u r i n gm u s tb ea se f f i c i e n ta sp o s s i b l et ou s eo ft h el i m i t e dr e s o u r c e sa n d r e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n g r e e nm a n u f a c t u r i n gi sam o d e r ne n t e r p r i s ef o r s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm o d e l ，i th a ss i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sa n di t w i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tf e a t u r eo ft h em a n u f a c t u r i n gi nt h i sc e n t u r y g r e e np r o c e s s p l a n n i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yi ni m p l e m e n t i n gg r e e nm a n u f a c t u r i n g i th a sv e r yg r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ep r o c e s so fr e d u c i n gt h er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n dd e c r e a s i n gt h e w a s t e re m i s s i o n a tp r e s e n t ，m o s to ft h es t u d i e si ng r e e np r o c e s sp l a n n i n ga l s o l i m i t e dt ot h e o r e t i c a lm e t h o d so fr e s e a r c ha n dl a c ko fs y s t e m a t i cr e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si ng r e e nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cc o n c e p t so fm e c h a n i c a lm a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n gw a s i n t r o d u c e d ，a tt h es a m et i m et h er e s e a r c hs y s t e mo fg r e e nm a n u f a c t u r i n go r i e n t e dt o m e c h a n i c a lm a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n gw a sd e s c r i b e d t h er e s o u r c ed e p l e t i o na n d e n v i r o n m e n t a ls i t u a t i o ni n m a c h i n i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d ；t h e m e c h a n i c a l p r o c e s s i n gg r e e nm a n u f a c t u r i n g e v a l u a t i o nm e t h o di ss t u d ie d at o p s i s m u l t i - o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n gm o d e li ng r e e nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e d t og u i d et h ee n t e r p r i s eo fg r e e nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：g r e e n m a n u f a c t u r i n g ；e v a l u a t i o n m e t h o d ；m u l t i - o b j e c t i v e d e c i s i o n - m a k i n gm o d e l ；p r o c e s sp l a n n i n g i i 目录 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 绿色制造的国内外研究现状? 1 1 2 1 绿色制造的定义1 1 2 2 绿色制造的国外研究现状2 ： 1 2 3 绿色制造的国内研究现状2 1 2 4 绿色制造的发展趋势：3 1 3 机械加工工艺规划实施绿色制造技术的研究现状5 1 3 1 绿色加工技术：5 “ 1 3 2 绿色制造工艺规划技术国内外研究现状，5 1 4 本论文的选题依据和研究意义7 1 5 本论文研究的主要内容7 第二章机械加工工艺规划的基本概念9 2 1 机械加工过程的概念9 2 1 1 生产过程和机械加工工艺过程9 2 1 2 机械加工工艺过程的组成9 2 1 3 生产纲领和生产类型的含义1 1 2 2 机械加工工艺规程的概念一1 2 2 3 工艺规划的概念1 2 2 4 本章小结1 3 第三章面向机械加工工艺规划的绿色制造研究体系1 4 3 1 引言1 4 3 2 绿色制造技术体系结构1 4 3 3 机械加工的绿色制造的研究体系1 6 3 4 本章小结1 7 第四章机械加工工艺过程资源消耗与环境影响状况分析二1 8 4 1 引言1 8 4 2 机械加工中的资源消耗分析1 8 i h 目录 4 2 1 机械加工中的材料消耗分析及措施1 8 4 2 2 机械加工中的设备消耗分析及措施2 0 4 2 3 机械加工中的能源消耗分析及措施2 0 4 3 机械加工中的环境影响分析2 0 4 3 1 废弃物的环境影响分析及措施2 0 4 3 2 噪声的环境影响分析及措施一2 l 4 4 机械加工工艺规划过程中影响因素分析及措施2 2 、。4 4 1 机械加工工艺规划过程中影响因素分析2 2 4 4 2 绿色制造工艺过程规划的优化2 4 4 5 本章小结2 5 第五章机械加工绿色制造评价方法研究2 6 5 1 概述2 6 5 2 机械加工绿色制造评价方法：，2 6 5 3 绿色制造工艺的t o p s i s 多目标决策模型_ 2 7 5 4 本章小结2 8 第六章绿色制造技术在机械加工中的应用2 9 6 1 机械加工工艺方案分析2 9 6 2 机械加工切削液的选择3 0 6 3 比较和结论3 1 第七章全文总结和展望3 3 7 1 全文总结。3 3 7 2 展望3 4 致谢3 5 参考文献3 6 i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 制造业是人类社会一切物质文明和精神文明的基础，在过去的2 0 世纪，它 己经成为创造人类巨大财富的支柱产业。然而，人类在将这些资源转变为所需产 品以及在使用和处理产品的过程中，不仅消耗掉了大量的极为有限和珍贵的资 源，而且对生态环境造成了无法挽回的破坏。因此，人们在2 l 世纪面临的十分 迫切的重大问题就是如何解决制造业大量的资源消耗以及严重的环境污染。为 此，制造业在2 1 世纪实施绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，简称g m ) 已是大 势所趋，犹如箭在弦上，势在必行。 绿色制造作为现代企业的一种先进制造模式，其主要目标是减少资源消耗、 降低环境影响。它是人类社会实施可持续发展战略的重要部分，是可持续发展在 现代制造业中的应用和体现。在西方工业发达国家，绿色制造已成为备受关注的 产业发展方向和重要技术领域。制造过程是直接造成资源消耗，产生环境污染物 以及造成职业健康与安全问题的主要环节之一。在制造过程中，如何减少资源消 耗和降低环境影响，是开展绿色制造研究的主要目标之一。机械加工过程作为一 种最为典型的制造过程，在将原材料或半成品转化为形状、尺寸、精度满足要求 的成品或零部件的同时，不仅消耗了大量的能量与资源，并产生了大量的废料、 噪声等环境污染。 1 2 绿色制造的国内外研究现状 1 2 1 绿色制造的定义、 什么是绿色制造? 大量的文献给出了绿色制造的定义。概括起来，绿色制造 的目标是指在产品的整个生命周期( l i f e c y c l e ) 中，使产品从最初的设计、制造、 包装、运输、使用到最终报废处理时对环境的负作用最小，资源效率最高，并使 企业的经济效益和社会效益达到相互协调优化n 1 。绿色制造是一个现代制造模 式，它综合考虑了对环境的影响和对资源的使用效率两个方面。 绿色加工不论是对小的加工环境还是对大的生态环境都无毒副作用或把副 作用降低到最小。为了达到无公害的环保要求，绿色加工技术使加工过程中产生 的废气、废液和废渣等废物在链条末端加以回收或自然降解。作为现代制造业重 要的加工方法，绿色加工技术已成为实现经济与环境协调发展的重要手段和2 1 世纪制造业发展的重要趋势。 第一章绪论 1 2 2 绿色制造的国外研究现状 绿色制造在近年来的研究非常活跃，它又可称为面向环境的制造( m f e ) 、环 境意识制造( e c m ) 等。如：1 9 9 6 年，美国制造工程师学会( s o c i e t yo f m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ，简称s m e ) 在绿色制造的蓝皮书g r e e n m a n u f a c t u r i n g 一文中给出了绿色制造的概念，系统地阐述绿色制造的的内涵 和作用比1 。两年后，s m e 又在i n t e r n e t 上发表了关于“绿色制造的发展趋势 的 网络主题报告口1 。在i b m 、s o n y 、丰田和松下等多家跨国公司赞助下，日本生态 设计( e c o d e s i g n ) 协会和国际电子电器工程师协会( i e e e ) 已经成功举办了三届 s e c d e m 国际研讨会( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ne n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u s d e s i g na n di n v e r s em a n u f a c t u r i n g ) ，会上主要对逆向制造技术和环境意识制 造等问题展开了激烈的讨论。随后，美国的一些国家标准技术研究院和国家重点 实验室，以及m i t 和b e r k e l e y 加州大学等著名高校，都相继开展了率阿瑟制造 的研究h 1 。许多发达国家如美国、- 日本、欧洲的许多跨国公司都开展了产品生命 周期评估( l c a ) 、降耗、节能、绿色产品开发、环境审核等具体工作，并制定了 绿色制造的实施目标和措施嘲。尤其是近年来，随着o l i s a s l 8 0 0 0 职业健康与安 全卫生系列标准、i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系系列标准以及绿色产品标志认证等的 相继颁布，绿色制造的研究也日趋活跃睁7 1 。截止到2 0 0 2 年1 2 月，全球已有超 过1 1 8 个国家的近5 万家企业，已经获得i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系认证。 1 2 3 绿色制造的国内研究现状 自从绿色制造被提出以后，它就受到了我国各高等院校和科研院所的高度重 视和密切关注。目前包括中国工程院、清华大学、上海交通大学、重庆大学、合 肥工业大学等在内的许多高校和研究单位都进行了绿色制造的相关研究。国家科 技支撑计划、国家8 6 3 计划、国家自然科学基金( n s f c ) 和各省的科技计划也支 持了大量的绿色制造方面的课题立项，从而有力地推动了绿色制造的系统研究。 近年来，一批专门从事绿色制造研究的科研团队已经形成，随之大量的研究性学 术论文和学术专著得到发表或出版，有关技术手册和标准也收录了绿色设计与制 造方面的技术。绿色制造已被c i m s n e t 列为技术专题之一，许多绿色制造的研究 动态陆续被跟踪报道。 与此同时，国内外对机械加工系统的环境影响和资源消耗问题，也开展了众 多的研究，他们在产品设计、制造工艺技术方法等方面，提供了大量的较好的解 决方法和途径。 重庆大学原校长、博士生导师刘飞教授一直从事与面向绿色设计与制造工艺 方面直接相关的制造系统物能资源节约、机械加工能量特性、工艺过程及规划、 2 第一章绪论 工艺要素规划、评价与决策等方面的研究。他初步建立了绿色制造工艺数据库知 识库的原型系统，并对9 个工艺大类中的一些典型工艺的资源环境特性进行了研 究，开发了一套面向绿色制造的工艺规划应用支持系统，研究了工艺规划的关键 使能技术，辅助工艺人员进行绿色制造工艺的决策1 。 2 0 0 1 年4 月，在国家、学校和企业的多方支持和赞助下，清华大学阳1 与至卓 飞高线路板( 深圳) 有限公司共同建立了清华至卓绿色制造研发中心，主要对绿 色设计与制造理论与方法、产品全生命周期评估( l c a ) 、机电产品的拆卸回收处 理以及线路板的回收等方面进行了研究。为此，该研发中心还建立了一个绿色制 造的网站，该网站介绍了绿色制造国内外的最新动态、研究成果，并由此开展绿 色制造技术应用，提供相关的技术咨询。 早在2 0 0 0 年1 2 月，中国工程院n 羽就提出了设立绿色再制造工程及其在 我国应用的前景的咨询项目的报告，该报告阐述了绿色再制造对我国经济的可 持续发展的重要意义，并对我国的社会和经济效益以及就业等重大问题都将会做 出积极的贡献。作为一项系统工程，绿色再制造的提出受到国家有关领导的重视， 目前“再制造 被列入国家优先发展的技术领域。 上海交通大学的唐林n 3 h 、朱亚群【“3 对产品的绿色设计、绿色回收方面进行 了相关研究，建立了中国绿色设计数据库，其内容包括面向产品回收的绿色设计， 废旧回收及关键技术的研究等。 此外，北京理工大学对零件生产的绿色制造进行了研究；合肥大学的刘光复 教授对面向可拆卸性设计和产品的绿色设计进行了重点研究。但是问题也是显而 易见的，归纳起来，主要有： 1 ) 对绿色制造中的一些共性技术进行了系统分析，如工艺规划。而对具体的 实用工艺规划技术研究较为薄弱，如切削加工技术、表面工程技术、面向绿色制 造的冲压加工技术、热处理工艺技术、铸造工艺技术、焊接工艺技术和面向绿色 制造的齿轮加工工艺规划技术等。 2 ) 需要实现面向绿色制造工艺规划方法和数据以软件形式与现有c a b 、c a m 系统的集成，就需开发可以支持面向绿色制造工艺规划的软件工具。 3 ) 干切削加工技术、低温切削加工技术等先进的绿色切削加工技术有待于研 发。 1 2 4 绿色制造的发展趋势 综观国内外的研究现状，可以看出绿色制造已经在全球引起了广泛的关注和 重视，国内外的学术机构和研究团体在这方面已经开展了大量的研究。美国等西 第一章绪论 方发达国家在这方面的研究比较深入，他们的研究范围主要包括工艺规划方法以 及低温加工、干切削等先进的绿色工艺技术、环境意识机床系统及其关键技术、 废物流的评价等。迄今为止，在国内，绿色制造的内涵、主要研究内容以及理论 体系和框架已逐步形成，对面向绿色制造的工艺参数优化、工艺种类规划、工艺 评价与决策以及干切削技术等也进行了初步的研究，这些已有的技术成果为进一 步深入研究奠定了良好的理论基础。 面向机械加工工艺规划的绿色制造的研究将呈以下发展趋势n 叼： ( 1 ) 全球化( g l o b a l i s a t i o n ) 地球环境的任何部分都是相互联系、相 互制约的，地球上各要素也都是相互依存、相互牵制的，任何国家或国家( 或地 区) 集团都不可能脱离地球却又独享其舒适的环境，世界各国必须同舟共济。这 各原则就是国际社会普遍认可的地球整体性原则。全球制造已成为制造技术发展 的趋势。2 0 0 9 年1 1 月的哥本哈根世界气候大会也可以看出，制造业全球化趋势 “势不可挡。 “ ( 2 ) 社会化( s o c i a l i z a t i o n ) 绿色制造的研究和实施需要政府、企业 和全社会的公民共同努力和参与，用通过市场经济的手段来对绿色制造实施导 向，政府的行为是通过立法和制定行政法规、经济政策来制约企业的行为。例如， 需要制定有效的资源价格政策，排放税收政策，充分利用金融、税收等手段使企 业和人们不得不尽可能减少对环境的污染。 ( 3 ) 集成化( i n t e g r a t i o n ) 与绿色制造有关的问题领域包括3 部分： 第一，产品制造的问题；第二，资源优化的问题；第三，环境影响的问题，包括 产品从制造到使用及至报废对环境的影响过程。要真正有效地实施绿色制造，必 须从系统和集成的角度来研究绿色制造涉及到的这3 部分内容的相关问题。 ( 4 ) 智能化( i n t e l l i g e n t i z a t i o n ) 绿色设计是一个决策过程，它具有多 特征、多变量、多目标的特点和具有不确定性。在这种情况下，人工智能( a i ) 和智能制造技术，包括知识系统、模糊系统和神经网络系统等，将在绿色制造研 究中发挥十分重要的作用。绿色制造的决策目标体系t q c s e r 是现有制造系统 t q c s ( 即产品上市时间t 、产品质量q 、产品成本c 和为用户提供的服务s 四个方 面) 目标体系与环境影响e 和资源消耗r 的集成。 ( 5 ) 信息化( i n f o r m a t z a “o n ) 绿色制造过程中的信息流是最活跃的，它 无时不有、无处不在。而物质流与能源流均在信息流指挥下运动。信息技术与绿 色制造的结合是制造业重要发展趋势之一，信息获得、信息处理、信息流动将在 绿色制造中发挥越来越重要的作用。 4 第一章绪论 1 3 机械加工工艺规划实施绿色制造技术的研究现状 1 3 1 绿色加工技术 机械制造中的绿色加工技术包含以下若干方面：一是减少物料资源( 如实体 原材料、辅助原材料) 消耗的技术；二是如何使用清洁或可再生能源的技术；三 是如何降低能耗的技术；四是废弃物的再生与利用技术；五是减少有害废弃物和 排放物的技术。将上述绿色技术具体运用于零件制造工艺技术中，就形成零件的 绿色加工技术体系。 1 。3 2 绿色制造工艺规划技术国内外研究现状 1 绿色工艺规划问题从本质上说就是一种关于决策的问题。它是绿色制造的重 要组成部分。绿色工艺规划虽然是以传统的工艺技术为基础，但是它结合了材料 科学、控制技术、表面技术等新技术，是一种现代工艺规划方法，它重点在于考 虑制造加工过程的环境影响和资源消耗问题，其目的是通过对制造加工工艺方 法、规划设计和过程的优化选择，制定出绿色工艺实施方案，从而提高原材料的 利用率，减少能源的消耗，降低零件制造成本，减少废弃物的产生。因此，绿色 工艺规划技术是一种专门用于解决产品制造加工过程中资源消耗和环境问题的 方法。 绿色制造中急需解决的关键技术之一就是基于绿色制造的机械加工工艺规 划问题，即产品加工过程中的废物流及其影响问题，它在国际上受到了各方面的 高度重视。 在国外，如美国的n s f a r p a 机床敏捷制造研究所( m t a m r i ) 曾联合其他4 所 著名高校：加利福尼亚大学b e r k e l e y 分校( u c b ) 、伊利诺斯州立大学( u i u c ) 、密 执根技术大学( m t u ) 、内布拉斯加州立大学( u n ) 于1 9 9 5 年设立了“环境意识机床 系统 的重大研究课题，制定了各阶段的短期目标和长期的目标，开展工艺规划 方面的研究。此项课题将机床系统看成一个i o 系统，系统的输入( i ) 为切削速 度、切削深度、进给速度等可控参数；输出( 0 ) 为切削废液、切削热、磨损刀 具和报废的机床等，系统目标为利润、成本、时间和工件精度等。该课题还对与 环境意识机床加工系统有关的切屑的形态学、切削液系统、运动学及动力学机理、 机床寿命性能、刀具磨损、切削热的生成和传递机理、健康毒性评价以及非传统 加工系统的废物流特性等进行了研究n 6 。1 引。用户通过国际互联网登陆( l o g i n ) 本软件接口界面( i n t e r f a c e ) ，在其中输入加工参数、应用方法、切削液的类型、 现场因素等参数，并向c f e s t 确认提交。c f e s t 系统将处理结果以图形或超文本 的方式反馈给用户。其输出结果主要是一些量化数据，其中包括切削液的环境影 5 第一章绪论 响、工艺性能、健康与安全毒性打分、采购和使用成本等的量化数据。c f e s t 是 一个包括u c b 的健康与安全毒性评价模块、m t u 开发的工艺性能模块和u i u c 开 发的切削液处理影响模块的分布而又集成的软件原型。该软件目前只对键削浸泡 式、车削浸泡式、喷射式和攻丝等四种加工方式的切削液进行评价。对于处于不 同地理位置的软件模块，可由u i u c 开发的数据传输机制通过i n t e r n e t 向其传输 数据。 与此同时，美国国家清洁工业和处理技术中心( c e n c i t t ) 为了便于长期支持 环境意识制造方面课题的研究，专门设立了环境意识制造的技术专题，如 j w s u t h e r l a n d 承担的“环境意识制造：离散产品加工过程中的废物流分析” 课题。该项目利用决策工具对工艺的废物流进行预测，其目标是通过研究产品制 造过程中的废物流特性，提出废物流更小的工艺方法n 蚓1 。 隶属于b e r k e l e y 加州大学的绿色设计与制造联盟乜2 从事绿色制造方面的研 究工作积累了长期的经验，并在绿色工艺方面做了大量的研究，他们提出了一种 基于特征的绿色工艺规划方法、建立了一种面向绿色制造的切削加工分析模型、 并对切削液的健康毒性评价等进行了较为深入的研究。 国内的一些高校和科研院所也对面向绿色制造的工艺规划问题进行了初探， 并紧密跟踪国外的研究进展，取得了较好的成果。 重庆大学刘飞教授1 及其研究团队于1 9 9 9 2 0 0 0 年期间在国家8 6 3 c i m s 的资助下，一直从事与基于绿色制造工艺规划方面直接相关的制造系统物能资源 节约、机械加工能量特性等方面的探索，尤其在“绿色制造工艺规划方法及实用 技术研究”课题中，该研究团队对压力加工、切削加工、铸造、焊接、特种加工、 热处理、覆盖层、装配与包装等9 个工艺大类中的一些典型工艺的资源属性和环 境特性做了大量深入而细致的工作，对面向绿色制造的工艺规划中的工艺参数优 化、工艺种类选择、单工件多机床的节能调度等关键技术进行了初步的研究和探 索，并初步建立了一个关于绿色制造工艺数据库和知识库的原型系统。 除了重庆大学外，国内的清华大学、上海交通大学、华中科技大学、同济大 学、合肥工业大学、机械科学研究院等在内的国内其他单位也开展了一些与面向 绿色制造工艺相关的研究工作。近年来，一批专门从事绿色制造研究的科研团队 已经形成，随之大量的研究性学术论文和学术专著得到发表或出版，有关技术手 册和标准也收录了绿色设计与制造方面的技术【2 8 3 3 】。2 0 0 0 年第9 期中国机械 工程杂志曾出版了绿色制造专辑论文。 6 第一章绪论 1 4 本论文的选题依据和研究意义 本课题为以下课题的部分研究内容：江西省社会科学规划项目绿色制造技 术在机械加工中的应用研究( 编号：0 5 y j 2 2 6 ) 。 绿色制造及其相关技术的研究具有重要的意义： ( i ) 绿色制造是人类社会可持续发展的必然需求，具有重大社会效益。 ( 2 ) 绿色制造也将是2 l 世纪企业取得显著经济效益的机遇。 ( 3 ) 国际环境管理标准的提出，更增添了企业对绿色制造的需求。 t ( 4 ) 绿色制造的实施将为我国企业消除国际绿色贸易壁垒提供有力支撑。 ( 5 ) 绿色制造的实施将推动一大批新兴产业的形成，包括绿色产品制造产 业；实施绿色制造的软件产业。 企业实施绿色制造，需要大量实施工具和软件产品，如计算机辅助绿色设计 系统、绿色工艺规划系统、绿色制造的决策支撑系统、1 5 0 1 4 0 0 0 国际认证的支 撑系统等，将会推动一类新兴软件产业的形成。 f 因此绿色制造是具有重要社会效益和经济效益的国际技术前沿，具有非常重 要的研究意义和应用前景。绿色制造的研究内容体系涉及产品整个生命周期的所 有问题，主要是“五绿”问题的集成，即绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色 包装、绿色处理问题的集成。因此绿色工艺技术是绿色制造研究和实施的重要内 容之一。 针对国内外绿色制造领域现有研究的不足和实施绿色制造急需，本论文在 “绿色制造技术在机械加工中的应用研究 研究课题的基础上，以“面向机械加 工工艺规划的绿色制造技术研究 为研究课题，旨在对面向机械加工工艺规划的 绿色制造技术进行研究，建立起包括时间t 、质量q 、成本c 、资源r 、环境e 这5 个绿色特性的机械加工工艺评价体系。 1 5 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 机械加工工艺规划的基本概念 主要包括：机械加工过程的概念；机械加工工艺规程的概念和机械加工工艺 规划的概念。 ( 2 ) 面向机械加工工艺规划的绿色制造研究体系 机械加工的绿色制造体系结构是绿色制造的目标、内容和过程的集成，包括 7 第一章绪论 两个实现目标、3 项具体内容和两个层次的过程控制。它可以给人们在机械加工 中研究和实施绿色制造提供多方位的视图和模型。机械加工的绿色制造的研究体 系包括资源消耗极小化、环境排放极小化以及面向资源消耗和环境影响极小化的 综合决策问题。 ( 3 ) 机械加工工艺过程资源消耗与环境影响状况分析 机械加工中的资源消耗分析，包括原材料消耗、辅助材料消耗、设备消耗和 能源消耗分析等几个方面。机械加工中的环境影响分析，包括固、液、气等废弃 物的污染，噪声污染以及其他电磁或辐射污染，这些污染将对水、大气、土壤等 造成不同的负面影响，机械加工工艺过程规划中影响因素分析。 ( 4 ) 机械加工绿色制造评价方法 面向机械加工工艺规划的绿色制造的评价体系，把时间( t1 ) 、质量( qf ) 、 成本( c1 ) 、资源利用率( rf ) 、环境影响( e1 ) 这五个因素加以考虑。建立 多目标评价体系，采用t o p s i s ( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m il a r i t y t oi d e a ls o l u t i o n ) 方法，通过编写程序，对机械加工绿色制造工艺进行综合 评价。 ( 5 ) 绿色制造技术在机械加工中的应用实例。 通过两个具体的实例，分析绿色制造技术在机械加工中的应用。 第二章机械加工工艺规划的基本概念 第二章机械加工工艺规划的基本概念 2 1 机械加工过程的概念 2 1 1 生产过程和机械加工工艺过程 3 4 - 3 叼 生产过程是指从原料投放开始，经过一系列的工艺，直至成品生产出来的全 部过程。在生产过程中，主要是劳动者应用劳动工具，直接或间接地作用于劳动 对象上，使之按照人们的预定目的变成工业产品。生产过程根据构成要素，可以 分为物流过程、信息流过程和资金流过程。其中物流过程包括： 1 ) 原材料的准备、运输和保管； 2 ) 毛坯的制造与选择( 如型材、锻件、铸件、焊接件、冲压件、粉末冶金 件、塑料压制件等形式) ； 一 3 ) 零件的金加工和热处理；。 4 ) 装配过称：如零件装配成部件、部件装配成产品； 5 ) 产品的质量检验、运行试验； 6 ) 成品涂漆、编码； 7 ) 成品的包装与入库。 所谓工艺过程，就是指在上述的物流过程中，通过直接改变生产对象的形状、 尺寸、表面质量、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的全过程，主要包 含在第2 个过程之中。工艺过程可分为毛坯制造工艺过程、机械加工工艺过程和 机械装配工艺过程3 个阶段。第一阶段毛坯制造工艺过程，是指铸造、锻造或焊 接等工艺过程，是锻造( 冲压) 和焊接等制成铸件或锻件毛坯的过程。这一阶段 主要是改变了零件的形状。第二阶段机械加工工艺过程，主要是指在加工车间， 利用各种工具和设备将毛坯加工成零件，改变零件的形状和尺寸的过程。第三阶 段机械装配工艺过程，是指将加工好的零件，按一定的技术要求装配成部件或产 品，它改变了零、部件之间的相对位置。工艺过程是生产过程的核心组成部分。 2 1 2 机械加工工艺过程的组成 零件的机械加工工艺过程就是采用机械加工的方法，按一定顺序，直接改变 毛坯的形状、尺寸及表面质量，使其成为合格零件的工艺过程。 机械加工工艺过程由下述各部分组成： 1 ) 工序工序是机械加工工艺过程的基本单元。是指由一个或一组操作人 第二章机械加工工艺规划的基本概念 员在一个工作地( 或机械设备) ，对同一个或同时对几个工件，所连续完成的那 一部分工艺过程。构成工序的四个要素是工作地、工人、零件种类和连续作业， 只要四个要素中任一要素发生变化，即构成了一个新的工序。 图2 1 阶梯轴 。f i g 2 j om u l t i - d i a m e t e r 一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构及其复杂程度、加 工精度要求及生产类型所决定的。如图2 1 所示的阶梯轴，由于不同的生产批量， 就有不同的工艺过程及工序，如表2 1 与表2 2 所示。 表2 - 1 单件生产阶梯轴的工艺过程 工序号工序名称和内容设备 表2 - 2 大批量生产阶梯轴的工艺过程 工序号工序名称和内容设备 1 铣端面，打中心孔 2 粗车外圆 3 精车外圆，倒角，切退刀槽 4 铣键槽 5 磨外圆 l o 铣钻联合机床 车床 车床 铣床 磨床 第二章机械加工工艺规划的基本概念 6 去毛刺 钳工台 2 ) 安装工件经一次装夹后所完成的那一部分工序内容，称为安装。应尽 可能减少装夹次数，因为多一次装夹就多一次安装误差，又增加了装卸辅助时间。 3 ) 工步工步是加工表面、切削刀具和切削用量( 仅指主轴转速和进给量) 都不变的情况下，所完成的那一部分工艺过程。只要其中的一个发生变化就构成 另一个工步。 4 ) 走刀在一个工步中，有时因所需切除的金属层较厚而不能一次切完， 或者由于表面加工质量的要求，需要分多次切削，则每一次切削均可称为一次走 ! 刀。 5 ) 工位为完成某个工序的内容，在工件某一次装夹后，与夹具或设备的 可动部分( 工件与该部分没有相对运动) 一起相对于刀具或设备的固定部分所占 据的每一个位置称为工位。为减少装夹次数，降低安装误差，常采用多工位夹具 或多轴( 多工位) 。机床，使工件在_ 次安装中，先后经过若干个不同位置顺次进行 加工。 上述5 个部分，即工序、安装、工步、走刀、工位合在一起构成了一个完整 的机械加工过程。 2 1 3 生产纲领和生产类型的含义 在制定零件的机械加工工艺规程时，应首先确定零件的机械加工的生产组织 类型，因为零件的机械加工工艺规程与其所采用的生产组织类型密切相关。零件 的年生产纲领决定了它的生产组织类型。 1 ) 生产纲领 企业在预先确定的，在今后一定的时期内，自己应当生产的产品和进度计划， 称为生产纲领。企业自身可根据各零件在产品中的数量( 刀) 、供维修用的备品率 ( 口) 和在整个加工过程中允许的总废品率( 夕) 来确定该零件的生产纲领。 计划期为一年的零件的生产纲领可按下式计算： = q 玎( 1 + a ) o + 历 ( 2 一1 ) 式中： 。 肛零件的年产总量( 件年) ； 卜产品的年产总量( 台年) ； 俨每台产品中该零件的数量( 件台) ； 第二章机械加工工艺规划的基本概念 a 、一备品率( ) 和废品率( ) 。 当生产纲领确定后，在零件成批量的生产中，应根据车间具体情况按一定期 限分批投产。生产批量是指一次投入或产出的同一零件( 或产品) 的数量。 2 ) 生产类型 根据生产纲领的大小和产品品种的多少，机械制造中的生产一般分为单件生 产、成批生产和大量生产三种生产类型，它是根据车间、工段、班组、工地的生 产专业化程度所做的分类。不同的生产类型对零件工艺的要求( 如机床设备类型、 刀具质量等的选用) 是不同的。 i ) 单件生产：产品的种类多而同一产品的产量很小，工件地点的加工对象完 全不重复或很少重复。例如重型机器、专用设备或新产品试制都属于单件生产。 m 成批生产：工作地点的加工对象，周期性地进行轮换。普通机床、纺织 机械等的制造等多属此种生产类型。 按照批量的大小，成批生产又可分为小批量生产、中批量生产和大批量生产 三种类型。 i i i ) 大量生产：产品数量巨大，大多数工作地点长期进行某一零件的某一道 工序的加工。如汽车、轴承、自行车等的制造多属此种生产类型。 2 2 机械加工工艺规程的概念 企业生产的零件必须满足“优质、高产、低耗、低成本、清洁、安全”的要 求，因此，零件的工艺过程就必须按照机械制造工艺学原理和方法，并结合生产 实际和具体生产条件予以确定，并形成工艺文件，而不能仅凭经验来确定，这种 工艺文件有工艺过程卡片和工序卡片两种格式。工艺规程是指规定机械产品或零 件制造工艺过程和操作方法的相关工艺文件。其中的机械加工工艺规程是指零件 机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。 机械加工工艺规程是指挥现场生产的依据；是新产品投产前，进行有关的技 术准备、生产准备的依据；是新建、扩建或改建厂房( 车间) 的依据，它是机械 加工过程的主要技术文件。工艺规程的制定主要包括以下两部分：拟定工艺路线 和各道工序的具体操作内容。拟定工艺路线确定各工序的加工方法和顺序。最后 按照规定的格式编写成工艺文件。 2 3 工艺规划的概念 简单而言，制定机械加工工艺规程就称为工艺规划。工艺规划也可称为工艺 1 2 第二章机械加工工艺规划的基本概念 设计，是生产技术准备的第一步，它是连接产品设计与制造之间的纽带和桥梁。 工艺规划所设计的工艺规程是用来指导工装设计、制造、加工方法和决定零件加 工路线的主要根据，工艺规划是生产中的一个关键环节，它对组织生产、保证产 品质量、缩短生产周期、提高劳动生产率、降低加工成本以及改善劳动环境和条 件、优化使用和节约资源、减少废物排放、降低环境影响都有着直接的影响。 一般而言，工艺规划主要包括以下几个步骤： 。 1 ) 拟定生产纲领； 2 ) 确定生产类型； 1 t 3 ) 对零件进行工艺分析； 4 ) 确定毛坯制造方法( 如型材、锻件、铸件、焊接件、冲压件、粉末冶金 件、塑料压制件等形式) ； “5 ) 选择定位基准、拟订工艺路线； 。 。 6 ) 确定各工序使用的设备及工装夹具； 7 ) 确定加工余量及工序尺寸； 8 ) 确定切削用量及时间定额； 9 ) 填写工艺规程文件。 由以上9 个步骤可知，工艺规划的工作内容包括工艺路线规划和工序规划两 部分。前者主要有：加工方法的选择、定位基准的选择、加工阶段的划分和加工 顺序的安排；后者则包括：加工余量和工序尺寸的确定、工艺装备( 包括机床、 刀具、夹具、量具、检具及辅具等) 的选择、切削液的选择、时间定额的确定以 及切削用量的合理选择等。 2 4 本章小结 本章首先阐述了机械加工过程的概念，然后介绍了生产过程和机械加工工艺 过程及其组成，还了解了生产纲领和生产类型，最后阐述了机械加工工艺规程和 工艺规划的概念。 第三章面向机械加工工艺规划的绿色制造研究体系 第三章面向机械加工工艺规划的绿色制造研究体系 3 1 引言 绿色制造中的“制造涉及到产品的整个生命周期，同集成制造( i n t e g r a t e m a n u f a c t u r i n g ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、智能制造( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g ) 等概念中的“制造一样，是一个“大制造”的概念。体现了 现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点阳1 。 、 绿色制造涉及到的范围非常广泛，几乎覆盖整个工业范围，包括机械、电子、 汽车、航空航天、军工、化工、轻工、食品等行业。 广义的绿色制造涉及的问题包括四部分：一是设计问题：二是制造问题；三 是资源问题；四是环境问题。绿色制造是这四部分内容的交叉和集成。 当今人类社会面临的三大主要问题就是资源问题、环境问题和人口问题。从 制造业系统工程的观点，绿色制造是一个充分考虑资源利用和环境影响问题的复 杂问题，是综合考虑这两大问题的一种现代制造模式。从2 0 0 9 年底的哥本哈根 气候变化大会的影响和所受到的关注，国际社会对资源和环境问题的重视程度可 见一斑。 3 2 绿色制造技术体系结构 绿色制造技术涉及产品整个生命周期，甚至多生命周期。所谓产品生命周 期，它主要包括产品设计、材料选择、制造加工、装配、包装、使用以及产品生 命终期管理、回收、拆卸、再制造等。绿色制造主要考虑在整个生命周期中，其 资源消耗和环境影响问题，并兼顾技术、经济因素，使得企业内在的经济效益和 外在的社会效益协调优化口7 1 。 绿色制造的核心是在产品生命周期过程中实现减量化( r e d u c e ) 、重用 ( r e u s e ) 、再生循环( r e c y c l e ) 和再制造( r e 腿n u f a c t u r i n g ) ，也称为“4 r 。 机械加工的绿色制造体系结构是绿色制造的两大目标、3 项具体内容和两个 层次的过程控制的集成嘲。它为人们在机械加工中研究和实施绿色制造提供多方 位的视图和模型，其体系结构图如图3 1 所示。 绿色制造的两大实现目标是指在达到企业内在的经济效益和外在的社会效 益两者协调优化的同时，最大限度地使资源优化配置，从而使资源利用率达到极 高和环境影响最小，环境污染等达到极小。 1 4 第三章面向机械加工工艺规划的绿色制造研究