（机械制造及其自动化专业论文）基于绿色制造的新型机械制造工艺及装备技术研究.pdf

基于绿色制造的新型机械制造工艺及装备技术研究 摘要 绿色制造是环境保护，节约资源和能量，实现生态工业和社会可持续发展 的一种途径，它要求在产品的设计和制造过程中考虑产品的整个生命周期，从 而实现产品全生命周期对环境影响最小、资源利用率最高。为了实现绿色制造 的目的，就必须解决传统制造技术中资源能源耗费大、环境污染严重的问题， 探索新型的绿色制造工艺。同时，传统制造工艺中部分装备技术与新型绿色制 造工艺的不适应又需要我们去研究新型的适应于绿色制造技术的装备技术。本 文主要主要从节约资源、降低能耗、环境保护三个方面研究基于绿色制造的新 型机械制造工艺，从切削液系统、加工刀具、加工设备三个方面研究新工艺所 带来的装备技术的革新。 关键词：绿色制造；制造工艺；装备技术 t h er e s e a r c hb a s e do nan e w t y p eo fg r e e nm a n u f a c t u r i n g m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t g r e e nm a n u f a c t u r i n gi saw a yt o p r o t e c te n v i r o n m e n t ，t os a v ee n e r g ya n d r e s o u r c e st oa c h i e v es u s t a i n a b l es o c i a la n de c o i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t i tc a l l sf o r t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fp r o d u c t st oc o n s i d e rt h ee n t i r el i f ec y c l ei no r d e rt o a c h i e v et h ep r o d u c tl i f ec y c l ef o rm i n i m u me n v i r o n m e n t a li m p a c ta n dm a x i m u m r e s o u r c eu t i l i z a t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo f g r e e nm a n u f a c t u r i n g ， i ti s n e c e s s a r yt os o l v et h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nt h ec o s to fe n e r g y r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m ，t o e x p l o r ean e wt y p eo fg r e e n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a t t h es a m e t i m e ，t h et r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n g e q m p m e n tt e c h n o l o g yd o e sn o ta d a p tt h en e wg r e e nm a n u f a c t u r i n go n e t oa c e r t a i ne x t e n ta n dw en e e dt or e s e a r c ht h en e wm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n ta n d t e c h n o l o g yt oa d a p ti t k e yw o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g ；t e c h n o l o g y 5 插图清单 图1 一l 传统生产模式2 图卜2 绿色制造实施中的主要内容3 图l _ ： 绿色制造实施的系统框图 3 图3 1 压力供液式喷雾冷却系统20 图3 2 车削加工时切削液喷嘴的使用22 图： 一3 蒸气喷射器结构简图22 图3 4 环形气流放大器结构简图2 2 图3 5 面向绿色制造的切削液决策目标体系分解内容24 图：卜6 低温冷却自动控制装置3 0 表3 一l 切削液方案综合评价目标体系2 7 9 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得金目曼王些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签字：朋y 学位论文版权使用授权书 签字日期：加。毋z 月可日 本学位论文作者完全了解金日曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金罡王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 繇畔导师二名：辟 签字日期：砂狰胗月叫日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：加瑙年陟月吖日 - 3 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师韩江教授的精心指导下完成的。在我撰写论文的过程中，自 始至终得到了韩老师的悉心指导，从论文选题，到收集资料、论文成稿，韩老 师都给了我很大的帮助，使我在此期间学到了许多有用的知识。韩老师严谨的 学术作风、渊博的学识、平易近人的待人方式都给我留下了深刻的印象，使我 受益匪浅，在此向韩老师表示衷心的感谢! 感谢我的同事在我搜集资料时给予我的帮助。 向论文中引用过文献的作者们，向所有关心和帮助过我的老师、同事、同 学和朋友们表示感谢! 最后，对在百忙中抽出时间对我的论文进行评审和参加我的论文答辩的各 位专家和学者表示深深的谢意1 6 作者：陈浩 2 0 0 8 年1 2 月 第一章绪论 机械制造业已经发展成为世界各国经济发展的支柱产业，机械工业蓬勃发 展，许多新型高效的先进机械制造技术不断涌现。与此同时，机械工业的迅猛 发展又带来了资源和能源的巨大消耗以及对生念环境的严重破坏。机械制造的 负面影响已经引起世界各国的高度重视。立足科技进步，节能减排，建立生产 制造、消费与环境、资源能源的和谐发展模式已成为世界各国走可持续发展之 路的必然选择。因此在制造业实施绿色制造技术已势在必行。 1 1 绿色制造技术概述 1 1 1 绿色制造技术的产生背景 二十世纪六十年代以来，随着世界经济的高速发展和人口爆炸性增长，地 球环境加剧恶化，生态环境受到严重破坏，资源和能源日趋枯竭，严重危及到 人类的生存和发展。而制造业是全社会消耗资源、污染环境的一个重要方面， 据统计，制造业每年约产生5 5 亿吨无害废物和7 亿吨有害废物，污染物排放量 占总总污染量的7 0 以上。传统机械加工的资源利用率不高，对环境污染严重， 损害人体健康。据美国工业有害废物来源统计表明：机械加工业产生的有害废 物占工业有害废物来源的5 ，在各类污染源中名列第4 位。传统的环境治理方 式主要采用过程末端治理( e n do fp i p e ) ，存在诸多弊端，如生产和环境治理 分割、治污成本高、经济效益恶化等等，难以从根本上实现环境保护与治理。 为了从源头上治理环境污染，在宏观上必须采用工业生态学原理，在微观上必 须实施清洁生产和绿色制造。因此，开发和应用绿色机械制造技术是企业贯彻 可持续发展战略的必由之路。 1 1 2绿色制造技术的概念 绿色制造是二十世纪8 0 年代和9 0 年代的产物，1 9 9 6 年美国制造工程师学 会发表关于绿色制造的蓝皮书，提出绿色制造的概念。绿色制造技术( g r e e n m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ) 又称环境意识制造( e n vir o n m e n t a llyc o n s c i o u s m a n n u f a c t u r in g ) 、面向环境的制造( m a n u f a c t u r i n gf o re n v ir o n m e n t ) 等， 是以传统制造技术为基础，并结合环境科学、材料科学、能源科学、控制技术 等新技术的先进制造技术。是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造 模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产 品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益 和社会效益协调一致。 1 1 - 3 绿色制造技术和传统制造技术的比较 目前的机械制造技术可归纳为两种生产模式： ( 1 ) 传统制造技术 目前，我国的机械制造技术大多数采用传统制造技术。它是一个开环生 产系统，( 如图l 1 所示) 其典型特征是从自然界获取资源，经提炼处理后成为 各种工程材料。在此过程中大量废气、废水、废渣等污染性物质进入环境。在 毛坯成型和加工制造过程中同样存在大量污染问题。对产品设计一般需投入大 量的人力物力，在产品的制造过程中，不仅有大量的废物排放，而且由于生产 制造中缺乏柔性，造成设备资源利用上的严重浪费。在产品使用过程中废气、 废物、噪声等污染问题仍然是破坏环境的主要因素。特别是在部件和设备损坏 后，往往成为废弃物，从而造成资源的极大浪费，同时许多有毒有害无法回收 的材料，对人类也会造成极大伤害。 童置l 匿坐塑垂捌盎厘厶左土匿! 也l 热b 皿删差坯h 工程材料卜_ _ 叫产品设计卜- | 产品制造 q 部件损坏h 设备修复卜叫设备废弃 废物j r噪声1 废物 自然 图卜1 传统生产模式 占用产地 污染环境 ( 2 ) 绿色制造技术 绿色制造技术模式是一种闭环生产系统。它是一种清洁生产方式和废弃物 循环利用的生产模式。在这种生产模式下，从原料开采到产品报废的整个产品 生命周期中，对材料的回收、利用、处理等全部过程通盘考虑。( 图1 2 所示 为绿色制造实施中的主要内容，图1 3 所示为绿色制造实施的系统框图) 诸如 在冶炼时考虑废气、废水的彻底净化，在材料选择时预先考虑产品报废时的材 料回收重用及处理问题。在绿色生产模式中，这些问题可通过特定的工艺手段 和技术措施在产品的生命周期各个环节中逐一安排解决。比如在零件的设计和 制造中标注出它们材料类型和回收方式的代码，便于成组归类处理，科学管理， 做到有效地利用资源。 通过以上分析可以看出，绿色制造技术和传统制造技术的主要区别在于后 者只是根据市场需求设计、生产和出售产品，对资源利用、能源消耗和环境污 染方面缺少考虑，而绿色制造技术对产品生命周期的全过程进行最优化控制， 合理配置资源，最大限度地减少污染，充分发挥制造系统的功能。绿色制造这 种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。 图卜2绿色制造实施中的主要内容 图1 - 3绿色制造实施的系统框图 1 1 4 绿色制造技术各阶段主要模式 为了更合理地利用资源和能源，减少对环境的污染，充分发挥绿色制造技 术的功能，我们需要在材料选用、产品设计、制造工艺、管理模式等方面全面 考虑。 1 、材料选用上选择绿色材料 在传统制造模式下，人们在产品设计时对材料选择上过多地考虑了材料的 性能和作用而忽视了其对环境的影响，因而在产品的制造和使用中对环境产生 了极大的危害。同时，由于较少考虑到材料的回收及循环利用等问题，致使产 品使用寿命结束后废品回收利用率很低，造成了资源的严重浪费以及对环境的 污染。因此，如何选择材料、选择何种材料是实现绿色产品设计和制造的一个 关键。 解决传统制造中的材料选择问题，关键就是使用绿色材料( g r e e n m a t e ria 1 ) ，所谓绿色材料是指哪些具有良好的使用性能，且对资源和能源消耗 少，对生态和环境负面影响小，有利于人类健康，可再生利用率高，在制造、 使用、废弃乃至再生循环利用的整个过程中，都与环境协调共存的材料。选用 材料时，在满足性能要求的6 f 提下，应当优先选用绿色材料。随着资源能源的 日益枯竭、环境恶化的加剧和人们环保意识的增强，这方面的要求将越来越突 出。 2 、产品设计时选择绿色设计模式 传统制造模式下的设计方式，其指导思想是为了满足产品的功能和制造工 艺的实现，很少考虑产品的消耗、资源的充分利用以及对环境的影响。绿色设 计的指导思想是将生产和节能减排紧密相连，综合地考虑加工产品的可行性及 回收性。绿色设计是绿色制造中至关重要的一环，在这个阶段就应考虑产品生 命周期全过程的少无污染、节约资源和能源、回收性好等问题。在绿色设计中 我们应考虑到如下几个问题： ( 1 ) 产品设计时结构的简化和产品的可拆卸性 在产品设计时，应该尽量简化产品的结构，通过减少零件数量、减轻零件 重量、采用优化设计等方法使原材料的利用率达到最高。如果产品结构过于复 杂，将会导致加工工艺、产品运输及生产管理的复杂化，还将造成生产成本的 提高、生产效率的降低以及资源的浪费。因此在设计时，应该尽量简化产品的 结构，例如可以使用多功能部件使产品结构得以简化。 除此之外，在结构设计时还要考虑零部件的可拆卸性，应尽量选用易于连 接与分离的方式来代替不可拆卸的连接方式( 如铆接、焊接结构为嵌接结构等) ， 这样拆卸后重用回收的零件能安全分离，不被破坏。若拆卸性不好，将会造成 产品中能回收重复利用的零部件减少，或造成零部件的拆卸费用大于零部件的 回收价值，使回收得不偿失。因此，在设计阶段时考虑到产品的可拆卸性是完 全必要的。 ( 2 ) 回收再利用设计 回收再利用设计就是在产品设计时就充分考虑产品报废后能回收再利用。 实现回收再利用的关键是要做到原材料的循环使用和零部件的再利用。设计人 员在产品开发和设计阶段就要综合考虑材料回收及零部件再利用的可能性和可 行性、做好回收价值分析，考虑回收处理方法、回收结构工艺性和回收再制造 系统模式等问题，实现材料资源充分利用、环境负面影响最小的绿色设计目的。 一般情况下，废弃产品的回收按回收利用的经济效益大小可分为几个层 次，即整个产品修整翻新后的重用、零部件修整翻新后的重用和材料回炉熔炼 后的重用，回收利用的经济效益大小按上述层次依次递减。无法重新利用而虚 掩埋的材料纯属资源浪费，焚烧处理的材料，还可以作为能源被再次开发使用。 一般来说，经过产品零部件的回收再利用可使产品成本下降l ( ) 3 0 左右。 ( ：3 ) 产品远输方便性 在保证产品功能和加工成本不提高的前提下，产品设计时还需要注意到运 输的安全性和方便性，因为运输方式的不便会造成产品成本的提高和资源的浪 费，运输过程中的不当可能会造成产品损坏报废。 总之，设计阶段应考虑对环境的影响，提高资源利用率，同时减少废物排 放量，不但需要考虑环境问题还要提高经济效益。 3 、加工工艺设计时选择绿色加工工艺 我国现阶段，大多数产品的生产，基本上仍沿袭传统的以消耗资源为特 征的生产方式，机械加工过程中，自动化程度不高，先进制造技术尚未得到广 泛使用，不但浪费了大量的原材料，而且产品质量难以保证，使废品率提高， 而且还会带来环境的污染。 净化环境和减少污染的要求日益严格，使绿色制造过程日趋重要，它将成 为本世纪制造业的一个特征标志。目前我国的资源尚不丰富，并且环境污染问 题又非常突出，我国制造业要着重解决生产过程中的污染和资源浪费问题。 因此，在加工工艺设计时，应尽量避免一些浪费资源和能源以及产生危害 物质的方法，尽量避免采用那些零件再生使用时材料难处理的工艺方法。例如， 应考虑镀层或涂复层的金属难于处理，高分子材料燃烧时产生有毒气体，电镀 时产生含铬( 或其它金属) 的电镀液严重污染环境等。在绿色设计时就要考虑 到产品零件的后处理问题，从而减少对环境的影响及资源的浪费。 4 、管理上采用绿色管理模式 为了实现创经济与环境协调发展的目标，绿色管理模式绿色制造的一个重要 组成部分。在管理方面，政府已颁布和推行必要的质量标准和法规条文，迫使 一些企业采取必要的措施来减少废物的产生，并对环保业提出了以预防为主、 防治并重的新要求。现有的i s 0 1 4 0 0 0 系列的环境管理体系标准，也是着眼于提 高绿色管理水平来达到提高经济效益和减少环境污染的目的。 各企业也根据 自己的实际情况，推出一系列环境保护措施，并根据企业中环保措施的实施结 果，不断改进，予以完善。 1 1 5实施绿色制造技术的基本程序 实施绿色制造通常可分为五个基本程序：预审一评审一方案优选一方案实 施一持续绿色制造，核心内容是绿色制造过程评审和绿色制造技术方案优选两 个基本环节。 l 、绿色制造过程评审 绿色制造过程评审是对机械制造过程现状及废物流、能量流等进行调查了 解、诊断认识的过程。评审时，根据制造系统特点及其投入、产出关系，找出 企业制造系统中存在的“非绿色环节 。通过对机械制造系统进行深入、客观 的现状审查、分析研究以及对物料流和能量流的分析，明确制造过程中各环节 的功能、状态和特性，特别是有关制造过程中资源利用转化、能源物料消耗、 废物产生排放的现状和差距。在机械制造过程评审的基础上，针对系统中存在 的差距，围绕机械制造过程中原材料投入、加工工艺及设备、生产运行及管理、 产品和废物内部循环等环节，对有可能的节能、降耗、减污部分进行分析，寻 找可削减废物、提高能效、提高效率、降低成本等的潜在因素。这些潜在因素 包括：( 1 ) 原材料替换或复用；( 2 ) 通过技术革新对工艺流程设备进行改造； ( 3 ) 加强运行与维护管理；( 4 ) 调整产品结构；( 5 ) 产品报废回收及再生等等。 在此基础上，制订出减少资源损耗、减少制造过程中有毒物质使用、降低废弃 物的排放、提高生产效率、降低综合成本的制造方案。 2 、绿色制造方案优选 绿色制造方案的优选是按照绿色机械制造评价方法，对制造方案的技术性、 经济性和环境性进行评估。 制造方案的技术性主要包括加工时间、加工柔性和加工质量。加工时间是 指产品加工时间要短，效率要高；加工质量是指加工过程中产品要达到精度指 标；加工柔性是指加工系统适应外部和内部环境变化的能力要强。 制造方案的经济性包括硬件和软件两方面。硬件包括基础设施、设备、原 材料、能耗、劳动力、切削液以及废物处理费用等；软件包括员工培训、保健 费用以及各种应用软件。经济性是产品制造过程中必须考虑的重要因素，一个 加工方案若不具备企业可接受的成本水平，就不具备实际可行性，从而不可能 给企业带来效益。 制造方案的环境性主要包括节能、降耗、环保、劳保四方面内容。节能是 指在制造过程中能源消耗最少；降耗是指制造过程中资源利用率最高，废物排 放量最小；环保是指在制造过程中产生的环境污染最小；劳保是指在制造过程 中确保生产者安全，对人体健康损害最小。 根据对方案技术性、经济性、环境性的评估结果，即可推荐可具体实施的 绿色制造方案，同时要求所推选的方案与国内外同类方案相比具有先进性，并 在本企业生产中具有实际可行性，可获得显著的环境和经济效益。对于推荐方 案应编制可行性分析报告，供主管单位组织专家论证。当确定的方案实施过程 中，应及时总结经验，找出缺陷与不足，然后再开始新一轮绿色制造的改进， 即实现持续绿色制造。 1 1 6 实施绿色技术的主要途径 按照实施绿色机械制造的基本程序，确定了机械制造过程和制造系统中的 “非绿色环节”，就可以按照选定方案实施绿色机械制造。实施绿色制造的主 要途径为网络化、信息化和柔性化。 l 、网络化 制造的网络化，特别是基于i n t e r n e t in t r a n e t 的制造已成为重要的发展 趋势。作为机械制造重要基础的绿色机械加工也需要大力推进网络化。通过企 业局域网将各个分散的加工中心、数控设备等联接起来，可便于机械加工控制 中心对整个加工进程进行总体监控，同时还可与企业中的工程设计系统、管理 信息系统等各子系统实现集成，便于优化决策。 2 、信息化 绿色制造的追求目标是实现整体最优化制造，即从系统的观点出发，全面 考虑企业和整个社会的综合成本，综合分析不同的材料、零部件、设备等加工 因素，优化选择冷却方式、冷却介质及用量、加工参数等，确定最合理的制造 方案，以实现加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低的目标。信 息化是实施绿色制造的关键要素及有效手段。为实现整体最优化制造，需要建 立加工设备、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源等相关资 料的机械加工数据库，采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种 绿色制造方法( 如高速切削、干切削、m q l 等) 进行建模、仿真、虚拟加工和 决策，并通过i n t r a n e t 与企业的其它数据库系统互联共享，实现并行设计与生 产。 3 、柔性化 现代生产方式已由大批量、单一品种生产逐渐转变为小批量、多品种生产， 这就要求生产企业能够根据市场变化作出敏捷反应，快速适应市场需求。绿色 制造的柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性和扩展柔性。加工系统应能实 现快速重构，对新产品开发及产品更新换代具有快速响应能力，以最小成本和 最短时间适应加工任务及环境的变化。 1 1 7 绿色制造技术的现状及发展趋势 当前，世界上已经掀起一股“绿色浪潮”，环境问题已经成为世界各国关 注的热点。污染和环境废物已成为一个国家发展的政治问题，已经开始由政府 使用政治手段制订法规和条例来解决，而不仅仅是依靠商业团体或企业的自身 技术改革。欧盟相继出台了w e e e 、r o h s 和e u p3 大绿色指令，利用政府和政治 的压力制定法规制度，对符合环保要求的绿色制造给予支持，制定经济机制、 市场策略有效引导绿色制造的实施发展。很多国家都已经出台环境条例约束和 引导制造业的发展，这必然导致企业的绿色化进程，法规条文从立法制度上推 进了制造业绿色化进程。绿色制造是可持续发展的一个重要组成部分，可持续 发展已经成为社会发展的必然趋势。可持续发展可以定义为“发展既满足当代 人的需求又不对子孙后代满足其需要之能力构成威胁的系统和过程”。需要每 一代、每个国家、和每个公司管理好自己的系统，使其对环境影响为中性或正 面的。在推行可持续发展中，必须拥有绿色制造的位置。 l 、国外现状 国外不少国家的政府部门己推出了以保护环境为主题的“绿色计划”。同 本推出了“绿色行业计划”，加拿大政府也推出实施环境保护的“绿色计划”。 美国、英国、德国也己推出类似计划。目前，在一些发达国家，除政府采取一 系列环境保护措施外，广大消费者已热衷于购买对环境无害的绿色消费品，促 进了绿色制造的发展。产品的绿色标志制度相继建立，儿产品标有“绿色标志” 图形的，表明该产品从生产到使用以及回收的整个过程都符合环境保护的要求， 对生态环境无害或危害极少，并利于资源的再生和回收，这为企业打开销路、 参与国际市场竞争提供了条件。继德国于1 9 7 7 年第一个制定出被称为“蓝天 使计划”的环境标志制度以来，目前已有近4 0 个国家和地区推行了环境标志制 度，如加拿大的“环境选择方案”、日本的“生态标志制度”、欧盟的“e u 制 度”等。一些公众团体也制定了一些环境标志制度，如美国的“科学证书制度 和“绿色签章”等。绿色产品将成为世界商品市场的主导产品。 2 国内现状 贯彻落实科学发展观，大力发展循环经济，积极建设节约型社会，是党和 国家根据我国国民经济发展新的历史阶段提出的重要国策。我国的资源并不丰 富，环境污染问题已非常突出，推行绿色生产技术是一个非常迫切的课题。“十 一五”规划提出了到2 0 1 0 年，全国单位国内生产总值( g d p ) 能耗比2 0 0 5 年下降 2 0 左右，主要污染物排放总量减少1o 的约束性指标。温家宝总理在国务院常 务会议上强调，实现“十一五 规划提出的节能减排目标困难很大，不断发生 的污染事件给人民群众生活带来严重的影响，决不可掉以轻心。因此，发展绿 色制造技术任重道远。 目前，我国在面向绿色制造的工艺技术和制造系统方面正在进行广泛而深 入的研究，并取得了很大进展，部分研究成果已经应用到生产实践之中，如清 华大学在美国“c h i n ab r id g e 基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美 国“t e x a st e c hu n i v e r s i t y ”先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的 国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得 一定进展。上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与f o r d 公司合作，研究中国轿车的回收工程问题；与德国柏林工业大学1w f 研究所建 立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。合肥工业大学开展了 机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。重庆大学承 担了国家自然科学基金和国家资助的关于绿色制造技术的研究项目主要研究 可持续发展c i m s ( s - - c i m s ) 的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及 实施策略、清洁化生产管理信息系统等。 8 我国政府对绿色制造的研究和发展相当重视，给与大力支持。“十一五 期间，为落实国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 的要 求，先进制造技术领域在国家科技支撑计划中设立了“绿色制造关键技术与装 备”重大项目，总经费2 4 7 亿元。项目总体目标是：根据我国加快发展循环经 济和建设节约型社会的方针，重点围绕机电产品和建筑材料，开展绿色设计技 术、绿色生产工艺技术、绿色产品、绿色回收处理与再制造等关键技术研究， 开发批具有自主知识产权的典型工艺和重点装备，实施具有示范作用的应用 工程，形成我国绿色制造的技术体系和自主创新能力，为降低资源消耗、减少 环境污染、跨越绿色贸易壁垒和培育新兴产业提供关键技术支撑。 3 、绿色制造技术的发展趋势 ( 1 ) 全球化一一绿色制造的研究和应用将越来越体现全球化的特征和趋势 制造业对环境的影响往往是超越空问的，人类需要团结起来，保护我们共 同拥有的唯一的地球。 i s o l 4 0 0 系列标准的陆续出台为绿色制造的全球化研究和应用奠定了很好 的基础，但一些标准尚需进一步完善，许多标准还有待于研究和制定。 随着近年来全球化市场的形成，绿色产品的市场竞争是全球化的。 近年来许多国家要求进口产品绿色性认定，要有“绿色标志”。特别是有 些国家以保护本国环境为由，制定了极为苛刻的产品环境指标来限制国外产品 进入本国市场，即设置“绿色贸易壁垒 。绿色制造将为我国提高产品绿色性 提供技术手段，从而为我国企业消除国际贸易壁垒进入国际市场提供有力的支 撑。这也从另外一个角度说明了全球化的特点。 ( 2 ) 社会化一一绿色制造的社会支撑系统需要形成 绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，以建立绿色制造所 必须的社会支撑系统。 绿色制造涉及的社会支撑系统首先是立法和行政规定问题。当前，这方面 的法律和行政规定对绿色制造行为还不能形成有利的支持，对相反行为的惩罚 力度不够。立法问题现在已越来越受到各个国家的重视。 其次，政府可制定绿色政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向。例 如，制定有效的资源价格政策，利用经济手段对不可再生资源和虽可再生资源 但开采后对环境产生影响的资源( 如树木) 严加控制，使得企业不得不尽可能减 少直接使用这类资源，转而寻求开发替代资源。又如，城市的汽车废气污染是 一个十分严重的问题，政府可在对每辆汽车进行年检时，测定废气排放水平， 收取高额的污染废气排放费。这样，废气排放量大的汽车自然没有销路，市场 机制将迫使汽车制造厂生产绿色汽车。 企业要真正有效地实施绿色制造，必须考虑产品寿命终结后的处理，这就 可能导致企业、产品、用户三者之间的新型集成关系的形成。例如，有人就建 9 议，回收处理的主要产品，如汽车、冰箱、空调、电视机等，用户只买了使用 权，而企业拥有所有权，有责任进行产品报废后的回收处理。 无论是绿色制造涉及的立法和行政规定以及需要制定的经济政策，还是绿 色制造所需要建立的企业、产品、用户三者之1 8 j 新型的集成关系，都是十分复 杂的问题，其中又包含大量的楣关技术问题，均有待于深入研究，以形成绿色 制造所需要的支撑系统。这些也是绿色制造今后研究内容的重要组成部分。 ( 3 ) 集成化一将更加注重系统技术和集成技术的研究 绿色制造涉及到产品生命周期全过程，涉及到企业生产经营活动的各个方 面。因而是一个复杂的系统工程问题。因此要真正有效地实施绿色制造，必须 从系统的角度和集成的角度来考虑和研究绿色制造中的有关问题。 当前，绿色制造的集成功能目标体系、产品和工艺设计与材料选择系统的 集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造的问题领域集成、绿色制造系统 中的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究将成为绿色制造的重要 研究内容。 绿色制造集成化的另一个方面是绿色制造的实施需要一个集成化的制造系 统来进行。为此，我们提出了绿色集成制造系统的概念，并建立了一种绿色集 成制造系统的体系框架：该系统包括管理信息系统、绿色设计系统、制造过程 系统、质量保护系统、物能资源系统、环境影响评估系统等六个功能分系统， 计算机通讯网络系统和数据库知识库系统等二个支持分系统以及与外部的联 系。 绿色集成制造技术和绿色集成制造系统将可能成为今后绿色制造研究的热 点。 ( 4 ) 并行化一一绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式 绿色设计今后仍将是绿色制造中的关键技术。绿色设计今后的一个重要趋 势就是与并行工程的结合，从而形成一种新的产品设计和开发模式一一绿色并 行工程。 绿色并行工程又称为绿色并行设计，是现代绿色产品设计和开发的新模式。 它是一个系统方法，以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力 求使产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产 品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划、用户要求、环境影响、 资源消耗状况等。 绿色并行工程涉及一系列关键技术，包括绿色并行工程的协同组织模式、 协同支撑平台、绿色设计的数据库和知识库、设计过程的评价技术和方法、绿 色并行设计的决策支持系统等。许多技术有待于今后的深入研究。 1 0 ( 5 ) 智能化一一人工智能和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用 绿色制造的决策目标体系是现有制造系统t ( c s ( 即产品上市的时问t 、产 品质量q 、产品成本c 和为用户提供的服务s ) 目标体系与环境影向e 和资源消 耗r 的集成，形成了t ( 0 c s r f ! 的决策目标体系。要优化这些目标，是一个难于用 一般数学方法处理的十分复杂的多目标优化问题，需要用人工智能方法来支撑 处理。另外，在绿色产品评估指标系及评估专家系统中，均需要人工智能和智 能制造技术。 基于知识系统、模糊系统和神经网络等的人工智能技术将在绿色制造研究 开发中起重要作用。如：在制造过程中应用专家系统识别和量化产品设计、材 料消耗和废弃物产生之间的关系；应用这些关系来比较产品的设计和制造对环 境的影响；使用基于知识的原则来选择实用的材料等。 ( 6 ) 产业化一一绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成 除了目前大家已注意到的废弃物回收处理装备制造业和废弃物回收处理的 服务产业外，另有两类产业值得特别关注： 绿色产品制造业 制造业不断研究、设计和开发各种绿色产品以取代传统的资源消耗和环境 影响较大的产品，将使这方面的产业持续兴旺发展。 实施绿色制造的软件产业 企业实施绿色制造，需要大量实施工费和软件产品，如绿色设计的支撑软 件( 计算机辅助绿色产品设计系统、绿色工艺规划系统、绿色制造的决策系统、 产品生命周期评估系统、is o l4 0 0 国际认证的支撑系统等) ，将会推动这类新兴 软件产业的形成。 1 2本论文研究背景、意义和主要工作内容 基于绿色制造技术的机械制造加工工艺与装备技术研究是建立在对我国机 械制造业生产模式的现状进行分析的基础上开展的。我国制造业的高速发展导 致了资源、能源、环境生态以及可持续发展等方面的许多问题，特别是在机械 制造工业中与资源( 含能源) 和环境密切相关的机械加工工艺方法以及对制造 装备设计与使用、加工工具及切削液的合理使用等问题，一直未得到很好的解 决。因此，建立在传统制造技术基础上的绿色制造加工工艺与装备技术研究， 对于我国制造业可持续发展战略具有十分重要的现实意义。 本文研究的内容包括： ( 1 ) 从加工方式、材料选用、润滑技术等方面探索和研究新型加工制造工 艺，以实现节约资源和能源，减少生态环境污染的绿色生产。 ( 2 ) 研究适合于绿色制造技术的切削液系统，通过绿色切削液的合理选用、 切削液系统的优化改造以及探索减少切削液的使用等多种途径以减少环境污 染，节能减耗。 ( ：；) 研究面向绿色制造的刀具制造技术，包括刀具材料的合理选择、刀具 形状和结构的改进等。 ( 4 ) 研究与绿色制造加工工艺相适应的机床设备，探索对传统机床结构加 以改进的方法，以实现节能、环保、安全的要求。 1 2 第二章基于绿色制造的新型制造工艺 绿色制造工艺是绿色制造的核心问题，其最终目的是合理利用资源和能源 以及减少对环境的污染。根据这个目标我们可以把绿色制造工艺分为三种类型： 节约资源型工艺技术、降低能耗型工艺技术、环境保护型工艺技术。 节约资源型工艺技术是指生产过程中简化工艺系统组成，节省原材料消耗的技 术。降低能耗型工艺技术是指生产中降低能量损耗的的技术。环境保护型工艺 技术是指通过一定的工艺技术，使生产过程中产生的废液、废气、废渣、噪声 等对环境和操作者有影响或危害的物质尽可能减少或者完全消除。 2 1 节约资源型工艺技术 在传统加工过程中，原材料( 尤其时一些不可再生的金属材料) 的大量消 耗，不利于全社会的可持续发展，因此，机械工业应积极推广减少资源消耗的 绿色技术，也就是在工艺方面，优化工艺方案，通过改进毛坯制造技术、下料 技术，采用少无切削技术、干式加工技术等先进的加工技术，减少加工余量， 采用废弃物少的制造技术等，节约资源。 2 1 1 少无切削加工技术 新技术、新工艺的发展，精铸、冷挤压等成型技术和工程塑料在机械制造 中的应用日趋成熟，从近似成形向净成形发展。有些成形件不需要机械加工就 可直接使用，不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，也大大减少了产品 的制造周期和生产费用，因此在机械工业中得到越来越广泛的应用。该技术最 适合用于加工异形孔类零件、端面爪齿件、齿轮花键、台阶轴类件及其类似零 件，特别适合有色金属制件。与传统的“锻造一机械切削 工艺相比，减少材耗 约3 0 - 7 0 ，成本降低约2 0 7 0 。 2 1 2 干式加工技术 在传统的切削加工中，需要使用大量切削液浇注在切削区，以起到冷 却、润滑、清洗、排屑、防锈等作用。随着人类社会对节约水资源和对环境保 护的高度关注，使用切削液所带来的负面影响已不容忽视。这些影响主要表现 在：1 、大量使用切削液增加了制造成本。在欧洲汽车制造业，切削液的成本占 总制造成本的1 6 9 ，其中包括购买切削液的费用、使用切削液所需设备费、 维护及废液处理费用等。而刀具成本仅占总制造成本的7 5 。2 、切削液中含 有矿物油及硫、磷、氯等对环境有害的添加剂，如排放前未经处理或处理不当， 则会对环境造成污染。3 、切削液对操作工人的健康造成威胁，会诱发多种皮肤 病和呼吸道、肺部疾病。因此，对干式切削加工技术的研究具有十分重要的意 义。 干式切削是指在机械加工中为了保护环境和降低成本而有意识地减少使用 或不使用切削液的加工方法。干式切削分为两种，一种为完全不使用切削液的 干式切削，另一种为用气体混合微量润滑剂代替切削液的准干式切削，其使用 的是最小量润滑( m i n i m a lq u a n t i t yl u b r i c a t i o n ，m q l ) 技术。采用m q l 技术的 准干式切削适用于无法完全实现干切削的情况，如磨削加工及难加工材料的切 削加工。采用准干切削加工后，刀具、工件和切屑都保持干燥，切屑无需处理 便可回收利用。 由于采用干式切削有利于环境保护和降低加工成本( 可节省加工费用1 0 1 5 ) ，因此干式切削加工技术的研究开发日益受到重视，目前欧洲约1 0 1 5 的批量机械加工已采用干式或准干式切削技术。 从加工方法上看，车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多。日本坚藤铁 工所用开发的k c 2 5 0 h 型干式滚齿机和硬质合金滚刀，在冷风冷却、微量润滑剂 润滑的条件下进行了高速滚齿加工，与传统的湿式滚齿机( k a 2 2 0 型) 和高速钢 滚刀加工相比，加工速度提高了2 3 倍，加工齿轮精度也得到明显提高。 就工件材料而言，铸铁由于熔点高、热扩散系数小，最适合进行干切削。s p u r 和l a c h m u n d 陶瓷刀具和c n b 刀具高速切削铸铁的试验结果表明，由于c n b 具有 较高的导热系数，能快速带走工件的热量，因此c n b 刀具比陶瓷刀具更适合铸 铁材料的高速切削。铝及铝合金是难于进行干切削的材料，但通过采用m q l 润 滑的高速准干式切削，在解决切屑与刀具粘结及铝件热变形方面已获得突破， 在实际生产中已有加工铝合金零件的准干式切削生产线投入运行。对于难加工 材料，则已开发了使用激光辅助进行干切削的加工技术。关于干式和准干式切 削技术，后面将有专门的章节加以讨论，这里不再赘述。 2 1 3 减少加工余量 若零件的毛坯粗糙，机加工余量较大，不仅消耗较多的原材料，而且生产 效率低下。因此，有条件的地区可组织专业化毛坯制造，提高毛坯精度；另一 方面，采用先进的制造技术，如高速切削，随着切削速度的提高，切削力下降， 加工时间短，工件变形小，以保证加工质量。在航空工业上，特别是铝的薄壁 件加工目前已经可以切除出厚度为0 1 m m ，高为几十毫米的成形曲面。 2 1 4 采用废弃物少的制造工艺技术 机械制造目前多是采用材料去除的加工方式，产生大量的切屑、废品等废 弃物，既浪费了资源，也污染了环境，对此可采取以下绿色技术。 1 、切削液的回收再利用：已使用过的废乳化液中，一般含油量为g l ，化学需 氧量( c o d ) 为g l ，此外还含有s ，p 等化学添加剂，如直接排放或燃烧，则将 1 4 造成严重的环境污染，绿色制造对切削液的适用、回收利用或再生非常重视。 2 、磨屑二次资源利用：在磨削中，磨屑的处理有些困难，若采用干式磨削，磨 削处理则较为方便，由于c b n 砂轮的磨屑纯度很高，磨屑中很少有砂轮的微粒， 可通过一定的装置，搜集被加工材料的磨粒，作二次资源利用。 3 、快速原型制造技术( r t ，) ：应用材料堆积成形原理，突破了传统机加工去除 材料的方法，采用分层实体制造( l o m ) ，熔化沉积制造( f d m ) 等方法，在没有 任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速、准确、直接地制造任意复杂形状 的三维实体和零件，实现零件的生产。因此既节约资源、降低制造成本，又能 减少加工废弃物对环境的污染，同时也大大提高了新产品样件的制造速度，是 很有发展前途的绿色制造技术。 2 2 降低能耗型工艺技术 2 2 1 常用节能技术 机械制造企业在生产过程时，需要大量钢铁、电力、煤炭和有色金属等资源， 随着地球上矿物资源的日益减少和近期国际市场石油的不断波动，采用节能减 耗型工艺技术中变得尤为重要，对此可采取以下绿色技术： 1 、技术节能：加强技术改造，提高能源利用率，如采用节能型电机、风扇， 淘汰能耗大的老式设备。 2 、工艺节能：改变原来能耗大的机械加工工艺，采用先进的节能新工艺和 绿色新工装。 3 、管理节能：加强能源管理及时调整设备负荷，消除滴、漏、跑、冒等浪 费现象，避免设备空车运转和机电设备长期处于待电状态。 4 、适度利用新能源：可再生利用、无污染的新能源是能源发展的一个重要 方向。如把太阳能聚焦，可以得到利用辐射加工的高能量光源：太阳能、天然 气、地热能等新型洁净的能源还有待于进一步开发。 5 、绿色设备：机械制造装备将向着低能耗，与环境相协调的绿色设备方向 发展，现在已出现了干式切削加工机床、强冷风磨削机床等。绿色化设备减少 了机床材料的用量，优化了机床结构，提高了机床性能，不使用对人和生产环 境有害的工作介质。 6 、改进润滑方式：润滑的目的主要是减少摩擦损失。据统计，全世界每年 的能源消耗，大约有3 3 5 0 消耗于摩擦上。在机械零件的失效中，摩擦失 效占6 8 ，可见润滑减磨是降低能耗、节约能源的有效途径。 2 2 2 润滑方式及润滑剂的改进和发展 l 、设备润滑的改进 根据节能、环保、长寿命的要求，设备润滑，宜发展油气润滑。德国r e b s 1 5 公司首先提出油气润滑的概念，又发明了t u r b o l u b 油气分配器，使油气润滑得 到了应用和发展。油气润滑的机理，以步进式给油器，定时、定量间断地供给 润滑油，用3 - - , 4 1 0 5p a 的压缩空气，沿油管内壁将油吹向涧滑点，将油品准 确地供应到最需要的润滑部位上。油气润滑与油雾润滑在流体性质上截然不同。 油雾润滑时，油被雾化成0 5 2bm 的雾粒，雾化后的油雾随空气前进，二者 的流速相等；油气润滑时，油不被雾化，油是以连续油膜的方式被导入润滑点， 并在润滑点处，以精细油滴方式，喷射到润滑点。在油气润滑中，润滑油的流 速为2 5 c m s ；而空气速度为3 08 0 m s ，特殊情况可高达1 5 0 2 0 0 m s 。油 气润滑带来一系列优点