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绿色制造技术的研究与探讨毕业论文绿色制造技术的研究与探讨毕业论文 目 录 第一章 关于机械产品绿色设计理念 1 1 1 机械产品绿色设计的概念 2 1 2 绿色设计理念对现代机械产品设计的影响 3 第二章 机械绿色制造技术 6 2 1 绿色制造的提出 6 2 2 绿色制造工艺和先进技术 7 第三章 绿色制造的研究和发展趋势 15 3 1 绿色制造的全球化特征 15 3 2 绿色制造的社会化 17 3 3 绿色制造的集成化 18 3 4 绿色制造的并行化 22 3 5 绿色制造的智能化 24 3 6 绿色制造的产业化 25 第四章 致谢 28 参考文献 29 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 1 第一章关于机械产品绿色设计理念 工业革命以来 人类社会经过 100 多年的快速发展 目前已经面临社会发 展与环境和资源之间的深刻矛盾 在人类对自己长期以来采用较为粗放的 大 规模工业发展模式及由此而引起的资源枯竭 环境恶化等问题的反思之后 如 何选择一条适合该国国情的可持续发展道路 实现人与自然的和谐相处 成为 世界大多数国家的共识 这种共识的代表就是 1972 年在瑞典斯德哥尔摩召开的 联合国人类环境会议 通过的 人类环境行动计划 1992 年联合国在巴西 里约热内卢召开的 世界环境与发展大会 通过的 关于环境与发展的里约热 内卢宣言 21 世纪议程 以及 2002 年联合国在南非约翰内斯堡召开的 可 持续发展世界首脑会议 通过的 关于可持续发展的约翰内斯堡宣言 与 可 持续发展世界首脑会议实施计划 其核心是提出了应建立社会 经济 资源和 环境相协调的可持续发展战略 作为人类社会可持续发展的重要标志 是使子孙后代拥有与当代人相同 甚至比当代人还多的人均财富和生存发展空间 这就要求当代人要有对历史和 子孙后代负责的精神 切实地改变现在传统的发展思维模式以及由这种思维模 式而产生的生产 生活和经济发展方式 特别是在这么一个经济快速增长 人 口众多 人均资源不到世界平均水平 1 2 的发展中国家更是如此 应该看到 由于中国经济基础薄弱 技术相对落后 发展大部分是通过以自然资源和劳动 力为主要的投入手段所推动的 是一种粗放型的经济增长方式 这种发展的结 果 是现在面临越来越严重的资源短缺和生态环境恶化问题 经济发展必须有利于资源的良性利用 有利于生态系统的良性循环 有利 于改善和提高人民的生活水平 而不能以浪费资源 破坏生态环境和降低人民 生活质量为代价 党中央提出了 要树立以人为本 实现全面 均衡和可持续 的科学发展观 这体现了中国政府在国家经济发展基本模式上观念的进步 作 为可持续发展战略的重要组成部分 以绿色设计和绿色制造为主要特征的绿色 浪潮正在席卷全球 通过绿色设计和绿色制造 人们希望实现对资源的循环利 用 降低能源消耗和最大程度地减小产品制造和使用对环境的影响 实现可持 续发展的目标 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 2 一 机械产品绿色设计的概念 有关机械产品绿色设计概念方面的研究 国内近年来进行得比较多 机械 产品绿色设计的概念可归纳为 机械产品绿色设计是一种基于产品整个生命周 期 并以产品的环境资源属性为核心的现代设计理念和方法 在设计中 除考 虑产品的功能 性能 寿命 成本等技术和经济属性外 还要重点考虑产品在 生产 使用 废弃和回收的过程中 对环境和资源的影响 其基本的内涵有 1 在产品设计的全过程中 产品的基本技术性能属性与环境资源属性 经济属性并重 且环境资源属性优先 2 在设计阶段应充分考虑产品在使用废弃后的可拆性和回收利用性 3 提出了产品设计者和生产企业在环境保护 节约资源方面应承担的社 会责任 即对大宗工业产品 企业不但要生产产品 同时 还应在可能的范围 内 承担产品回收和再利用的义务 4 它是对传统设计方法 设计理念的发展和创新 体现了人类对机械产 品设计学科认识的深化 传统的机械产品设计侧重的是产品的性能 质量 成本等产品的基本技术 与经济属性 对产品的考虑最多到产品使用报废为止 按传统的机械产品设计 理念 在产品使用报废后 就成了一堆废铁和垃圾 与制造企业也没有任何关 系 报废产品金属零件的回收利用主要采用回炉冶炼方式 很少直接利用因而 是一种 从摇篮到坟墓 的过程 所以 绿色设计与传统设计的根本区别在于 绿色设计要考虑产品的整个 生命周期 从产品的构思开始 在产品的结构设计 零部件的选材 制造 使 用 报废和回收利用过程中对环境 资源的影响 希望以最小的代价实现产品 从摇篮到再现 的循环 二 绿色设计理念对现代机械产品设计的影响 想法决定生活 理念决定设计 理念或观念的进步对社会发展有巨大的推 动作用 理念虽然不是具体的方法 但理念可以为具体方法的研究指引方向 而具体的设计方法 是建立在一定的设计理念之上的 理念是具体方法的基础 纵观人类机械产品设计理念和产品设计技术的进步历程 不难看出 设计理念 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 3 的进步给产品设计带来的巨大影响 从机械设计学科的角度 近代设计方法学 的发展主要体现为 功能思想 的提出 人机学 思想的形成 工业设计 学科的发展和成熟 在这三项近代机械设计学科的核心技术中 对后来机械产品设计的影响 都首先体现在由于它们出现而带来的设计理念的进步 其次才是具体的方法 所有先进的具体设计方法如 优化设计 可靠性设计 CAD 等等 都是为实现 设计理念服务的 例如 以美国人麦尔斯 顾客购买的不是产品本身 而是产品所具有的功 能 为标志的 功能思想 的提出 并逐步为人们广泛的理解和接受后 使设 计者认识到 可它所带来的是人们在设计思想上的一次革命以采取不同的原理 结构来实现同样的功能 大大地拓展了设计人员的视野 在此之前 人们在设 计时 更多的是用数学 力学的方法来研究机械的设计 用更合理的结构设计 去完善已能完成某种功能的机器 忽视了作为产品本质的 功能 的研究 正 是在功能思想的指导下 涌现出了大量采用新的功能原理的产品 如电子手表 激光打印机 喷墨打印机以及现在的数码相机等 绿色设计作为一种新的设计方法 出现的时间并不长 还远没有达到完善 的程度 很多具体的方法还有待研究 但绿色设计作为一种新的设计理念 它 的出现 使人们看到了过去设计思想方法的不足 意识到了在过去长期的设计 活动中 所忽视的产品设计与环境资源之间的关系和产品设计对环境 资源的 影响 绿色设计理念的提出 是机械设计学科发展历史上一个重要的里程碑 是机械设计理念的一次革命和飞跃 它对现代机械设计学科所带来的革命性影 响主要表现为 1 第一次从人类整体利益的高度 强调了设计者 生产企业在人类社会 可持续发展和环境资源保护方面应该承担的社会责任 这种责任一方面可以通 过国家法律的形式强制企业承担 如汽车尾气的排放法规 锅炉的尾气排放法 规 工业废水的排放法规等 而更重要的是作为设计者和生产企业 必须主动 意识到自己应承担的社会责任 在企业的产品开发 生产和企业发展过程中 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 4 能进行自我约束 不能仅仅为了实现自己企业商业利益的最大化 而置社会利 益于不顾 当今所面临的环境污染和资源短缺等问题 并不是由于个别企业或 某一行业的行为造成的 而是整个社会在一段时间内共同行为的累计结果 所以 绿色设计理念反映了人们对现代生产方式和生活方式所引起的生态 和环境破坏的反思 从道德层面上提高了对设计师和企业素质的要求 代表了 一种新的设计文化 反映了人类道德认知水平的提高 这种提高和认识的深化 必将从更高的层次上 推动社会文明的进步和实现所追求的人类社会可持续发 展的理想 绿色设计所代表的是 以人为本 实现人与自然和谐相处 的现代 设计文化 所以 如果说 功能思想 的提出是在技术层面上推动了设计学科 的进步 而 绿色设计理念 的提出是在人的思想道德和设计文化的层面上推 动了设计学科的进步 它体现了 地球环境与资源保护是大家的共同责任 的崇高思想 2 对机械产品来讲 设计是源头 今天所面临的主要由工业设备 工业 产品制造与使用所造成的环境污染 资源浪费等问题 除受当时时代的科学技 术发展水平的限制 对可能引起的问题预见 认识不够有关外 还在很大程度 上与一些传统落后的产品设计理念有关 例如 在过去的设计理念中 几乎不 考虑环境问题 也不考虑产品的回收利用问题 并将烟囱林立 浓烟滚滚 污 水横流 机器轰鸣等看成是工业化的标志就是最典型的代表 对所制造和销售 的产品与企业和设计人员的关系 现在很多设计人员仍认为 产品过了保修期 就与自己和企业没有关系了 所以 必须改变产品设计的传统观念 要树立 今天的产品 就是明天的废品 的产品设计理念 从产品的性能 材料选择 制造 使用 合理的产品寿命 报废回收的整个过程来看待现在正进行的产品 设计 尤其是考虑产品报废后的回收性 进行综合平衡和决策 树立全新的绿 色产品设计理念 3 对报废产品的重新认识 当今社会 科学技术发展很快 新产品层出 不穷 产品的有效寿命周期明显缩短 很多产品不是因为不能使用 而是由于 性能落后或仅仅由于外观老旧而报废 虽然可以花钱买新的 但被废弃的不仅 是报废的产品 而且还有废弃产品中所包含的资源 所以 绿色设计强调对 物理报废 和 性能报废 产品的回收和再利用 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 5 为此 要在产品设计的各个环节上综合考虑对产品整个寿命周期的影响 对产品技术的发展有科学的预测 在现有产品 储备产品和研发产品之间有合 理的技术继承和联系 充分考虑由于产品款式 技术升级等因素引起的产品报 废 使产品具有合理的使用寿命 而不一味地追求产品的经久耐用 同时 在 设计中 广泛运用现代的设计技术 如采用系列化 模块化和标准化设计技术 在产品设计中考虑产品零部件的技术和结构的继承性 为产品在报废后的再制 造奠定技术基础 运用面向拆卸的设计技术 注意考虑产品的装拆结构设计 方便装拆 同时 还应考虑对一些产量大 使用时间长的产品 在技术进步后 如何 对已销售的产品进行合理的 较为经济的改装 以提高产品使用性能的设计方 法 例如像家用空调 电冰箱等产品就是属于这种情况 由于技术进步 现在 产品的耗电量较前几年已经明显降低 如前几年普通电冰箱 24h 耗电量为 1kWh 左右 但现在可以达到 0 4kWh 左右 与现在新的节能型电冰箱相比 大量还在 使用的老电冰箱就像电老虎一样每天都在大量地消耗宝贵的电力 但由于这些 老冰箱不能以较为方便的方式和用户能接受的价格实现节能方面的改装 依然 会在若干年内继续使用这些弃之可惜的冰箱 并为它们多使用的电付钱 造成 社会资源的巨大浪费 从政府的角度讲 如何在政策上大力鼓励和扶持对报废 产品的再制造是值得研究的 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 6 第二章 机械绿色制造技术 一 绿色制造的提出 绿色制造 title 绿色制造 又称环境意识制造 Environmentally Conscious Mannufacturing 面向环境的制造 Manufacturing For Environment 等 它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 对环境的影响 负作用 最小 资源利用率最高 并使企业经济效益 和社会效益协调优化 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 绿色制造技术是指在保证产品的功能 质量 成本的前提下 综合考虑环 境影响和资源效率的现代制造模式 它使产品从设计 制造 使用到报废整个 产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化 符合环境保护要求 对生 态环境无害或危害极少 节约资源和能源 使资源利用率最高 能源消耗最低 传统的制造模式是一个开环系统 即原料 工业生产 产品使用 报废 二次原料资源 从设计 制造 使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境 影响最小 资源效率最高 也就是说要在产品整个生命周期内 以系统集成的 观点考虑产品环境属性 改变了原来末端处理的环境保护办法 对环境保护从 源头抓起 并考虑产品的基本属性 使产品在满足环境目标要求的同时 保证 产品应有的基本性能 使用寿命 质量等 在人类即将跨入 21 世纪的今天 当微电子技术 大规模集成电子技术和机 械工业相结合 从而使古老的机械工业蓬勃发展的同时 却产生了对能源和原 材料的巨大消耗和浪费及对生态环境的日益破坏 使得全世界的技术人员和环 保人士都在全力解决此类问题 美国 日本 德国等发达国家在这方面都取得 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 7 了不少成果 我国对该领域已经开始重视起来 目前机械制造工业存在的主要 问题有 一 废旧或闲置设备回收和再利用率较低 这在旧机床处理方面问题尤为突出 我们的许多工厂常见的场景就是厂房 内满身锈迹的废旧设备 大批五 六十年代的旧机床和数控机床 加工中心 FMS CIMS 甚至网络加工等先进制造系统并存 如何改造和利用好这些旧设备 是摆在我们面前的大课题 二 能源和原材料的浪费现象十分严重 这在某些国营大厂表现更为明显 满地的切屑 小零件和无从下脚的遍地 油污也许能说明我国在由原料到产品所消耗的能源和原材料为什么比美国和日 本等先进国家高出数十倍之多 三 环境保护意识在机制工业厂家头脑中还比较淡薄尤其是一些中小企业对 环境的污染还比较严重 四 产品的回收利用率很低 长期以来我们沿袭的生产模式是生产 流通 消费 废弃的开式循环 现 在我们提倡的是闭式循环的生产模式 就是在原来的生产模式中增加一个 回 收 环节 厂家在产品的设计和制造过程中就应该充分地考虑回收的问题 我 国清华大学的家电产品和上海交通大学汽车的全生命周期绿色设计现在已取得 了不少成果 近几年开始开发的绿色制造 正是针对以上这些现象 提出综合考虑环境 因素和资源利用效率的现代制造模式 传统制造和绿色制造的最大区别就是传 统制造只是根据市场信息设计生产和销售产品 而其余就考虑得较少 绿色制 造则通过绿色生产过程 绿色设计 绿色材料 绿色设备 绿色工艺 绿色包 装 绿色管理 生产出绿色产品 产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收 利用 采用绿色制造能最大限度地减少对环境的负面影响 同时原材料和能源 的利用效率能达到最高 目前已经颁布的 ISO9000 系列国际质量标准和 ISO14000 国际环保标准更为绿色制造提供了广阔的应用空间 一场 绿色革命 已经来到 如何去迎接 21 世纪的制造业 绿色制造是我们每个机械行业技术人 员所亟待解决的课题 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 8 二 绿色制造工艺和先进技术 在机加工发展历史中 许多新型高效的先进工艺和方法总在不断推出 从 而使机制工业在近几十年来快速发展 但以上提到的存在问题也不得不引起我 们的关注 随着技术的发展和社会进步 产品的更新换代和废弃速度加快 如 何加以回收利用也是一大难题 机制工业高投人 低产出和对材料能源的大量 浪费以及由此而来的工业废弃物增多更是与现在提倡的可持续发展背道而驰的 机制工业对环境的负面影响还没有引起各方面的充分注意 所以推广绿色制造 工艺和先进技术势在必行 环境友好型和对用户及操作者友好型的绿色制造工 艺将是未来工艺技术发展的趋势之一 一 绿色制造工艺的简略定义 所谓绿色制造工艺是近几年才提出来的一个新概念 目前尚无统一的标准 定义 根据机加工的特点 笔者提出几点参考意见 1 设计人员必须具有良好的环境意识 既综合考虑了产品的 TQCS Time Quality Cost Service 属性 还要 注重产品的 E Enver onment 属性 即产品使用的绿色度 在国际环保标准 ISO14000 于 1996 年 1 月份正式颁布和实施以后 这在不久的将来会成为衡量 产品性能的一个重要因素 2 广泛采用标准化 模块化的零部件 更重要的是设计时就应充分考虑产品报废时的回收利用 产品报废后 容 易拆卸和分解 并可加以回收或再生将是 21 世纪绿色工业产品的一项重要指标 3 尽量简化工艺 优化配置 提高系统运作效率 使原材料和能源的消耗最少 4 减少不可再生资源和短缺资源的使用量 尽量采用各种替代物质和技术 二 绿色制造工艺的应用 绿色制造工艺在目前来说尚处在起步阶段 完全成熟的技术和在实际中应 用的技术还不多 笔者只能就目前比较热门的研究方向和发展趋势谈一谈本人 的几点体会 1 成形制造技术正向净成形方向发展 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 9 成形制造技术包括铸造 焊接 塑性加工等 目前它正从接近零件形状 Near Net Shape Process 向直接制成工件 即精密成形或净成形 NetShape Process 方向发展 这些工件有些可以直接或者稍加处理即可用 于组成产品 这样就可以大大减少原材料和能源的消耗 2 干式加工开始得到应用 目前干式加工的主要应用领域是机械加工行业 如干切削加工 干磨削加 工等等 干式加工顾名思义就是加工过程中不采用任何冷却液的加工方式 干 式加工简化了工艺 减少成本并消除了冷却液带来的一系列问题 如废液排放 和回收等等 目前干式加工虽然在国外已经得到局部应用 并也取得了一些成 效 如美国 日本 德国等采用于车削 干磨削 干镗削等都取得了一定的成 果 但在我国还刚开始研究 并且干式加工工艺本身还尚须全面论证 不过作 为一种新型的加工工艺 已经得到了世界各国的广泛注意和研究 3 工艺模拟技术得到迅速发展 工艺模拟技术主要应用于热加工过程 过去通常必须做大量的实验才能初 步控制和保证加工工件的质量 采用工艺模拟技术将数值模拟 物理模拟和专 家系统相结合 确定最佳工艺参数 优化工艺方案 预测加工过程中可能产生 的缺陷和防止措施 从而能有效控制和保证加工工件的质量 4 新型制造技术的不断涌现 现在对制造技术本身来说 各学科 专业之间的界限已经不那么明显 从 产品的设计开始 直到产品的加工工艺 加工过程 质量检测 最后装配和包 装 这些中间环节之间的界限已逐步走向淡化消失 逐渐趋向一体化 如现在 CAD CAPP CAM 的出现就使设计和制造成为一体 现在推出一种新型技术 快 速原型零件制造技术 RPM 其设计突破了传统加工技术 采用材料 去除 的原则 而采用 添加 累积 的原理 代表性技术有分层实体制造 LOM 熔化沉积制造 FDM 等等 5 网络技术 NT 虚拟现实技术 VRT 与制造业相结合构成敏捷制造 AM 虚拟现实技术在制造业中的应用主要 包括虚拟制造技术和虚拟公司 VC 两个部分 虚拟制造技术就是在真正产品 生产之前 在虚拟制造环境下生成软产品模型 Soft Prototype 来代替传统 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 10 的硬样品 Hard Prototype 进行实验 对其性能和可制造性进行预测和评估 从而减少损耗 降低成本 虚拟制造技术和网络技术相结合 就可根据市场需 求 将产品所涉及到的不同公司 临时组建成一个计算机网络联系的虚拟公司 目前正着手组建的 分散网络化制造 DNM 就是虚拟企业的一种模式 它的 目标是在中国内地和香港的 2000 家制造企业之间通过 Internet 建立制造资源 信息网络来实施敏捷制造 机械制造业为社会生产机器的同时 也产生了大量的工业废液 废气 固 体废气物等污染 随着全社会保健意识的增长 企业家和技术人员也都意识到 若在延伸用这种粗放式的机械制造模式 将不利于整个行业和社会的可持续法 展 因此急需探索符合环保要求的节能 降耗 少污染的绿色机械制造模式 采取相应的绿色模式 适应社会发展的要求 绿色制造是庞大的系统工程是一 个综合考虑环境影响和资源消耗的制造技术 它着眼在产品的制造过程中 对 环境的负面影响最小 与环境协调发展 促进企业经济效益和社会效益共同提 高的制造模式 绿色制造的关键技术是 1 绿色设计的研发 2 绿色制造工艺技术及绿色工艺设备的研发 3 绿色制造过程建模 4 绿色制造的数据库和知识库的建立 5 绿色制造评价方法的研究 6 绿色制造集成技术的研究 绿色制造工艺是绿色制造的核心问题 绿色设计即在产品的设计阶段 就将环境因素和防止污染的措施南乳产品 设计中 将产品的环境属性和资源属性 如可拆卸性 可回收性 可制造性等 作为设计的目标 并行地考虑并保证产品的功能 质量 寿命和经济性 绿色 设计要求在产品设计时 选择与环境友好的材料 机械结构和制造工艺 在适 用过程中能耗最低 不产生或少产生毒副作用 在产品生命终结时 要便于产 品的拆卸 回收和再利用 所剩废气物最少 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 11 低物耗的绿色制造技术 原材料 尤其时一些不可再生的金属材料 打大量消耗 将不利于全社会 的持续发展 因此 机械工业应机及推广资源消耗的绿色技术 也就是在机械 制造中 优化工艺方案 采用先进的加工技术 可采取以下绿色工艺技术 1 绿色材料 绿色设计与制造所选择的材料既要有良好的适用性能 又要 与环境有较好的协调性 为此 可改善机电产品的功能 简化结构 减少所用 材料的种类 选用易加工的材料 低耗能 少污染的材料 可回收在利用的材 料 如铝材料 若汽车车身改用轻型铝材制造 重量可减少 40 且节约了然 油量 采用天然可再生材料 如丰富的柳条 竹类 麻类木材等用于产品的外 包装 2 少无切削 随着新技术 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仿形发展 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 业大大减少了产品的制造周期和生产费用 3 节水制造技术 水是宝贵的资源在机械制造中起着重要作用 但由于我 国北方缺水 从绿色可持续发展的角度 应机及探讨节水制造的新工艺 干式 切削就是一例 它可消除在机加工时使用切削液所带来的负面效应 是理性的 机械加工绿色工艺 它的应用不局限于铸铁的干铣削 也可扩展到机加工的其 它方面 但要有其特定的边界条件 如要求刀具具有较高的耐热性 耐磨性和 良好的化学稳定性 机床则要求高速切削 有冷风 吸尘等装置 4 减少加工余量 若机件的毛坯粗糙 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 则切削力下降 且加工时间短 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 1mm 高为几十 毫米的成形曲面 5 新型刀具材料 减少刀具 尤其是复杂 贵重刀具材料的磨耗时降低材 料消耗的另一重要途径 对此可采用新型刀具材料 发展涂层刀具 6 回收利用 绿色设计与制造 非常看重机械产品废弃后回收利用 它使 传统的物料运行模式从开放式变为部分闭环式 低能耗的绿色制造技术 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 12 机械制造企业在生产机械设备时 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减少和近期国际市场石油的不断波动 节能降 耗已经是不争的事实 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速 太阳能 天然 气 风扇 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 废弃物少的绿色制造技术 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 有污染了环境 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 COD 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 CBN 砂轮的磨削比较高 磨屑中很少有砂轮的微粒 磨屑纯度很高 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 RPM 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 LOM 熔化沉积制造 FDM 等 能 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 13 迅速制造出形状复杂的三维实体和零件 可节约资源 又能减少加工废弃物的 处理 是很有发展前途的绿色制造技术 少污染的绿色制造技术 1 大气污染 机械制造中的大气污染主要来自工业窑炉 如铸造的冲天炉 烘干炉等 工业锅炉和热处理车间的炉具等 它们在生产加热时产生大量的 烟尘 含硫 含氮化合物 对工人及居民的人身健康造成危害 为此可采取以 下绿色工艺技术 1 改变节能结构和燃烧方式 对煤进行脱硫处理或采用天然气 水煤浆 太阳能等新能源作为燃料 2 集中供热 随着城区污染严重的老厂大量外迁 在工厂新区的布局上 可考虑集中供热 供暖 2 水污染 机械制造业的废水主要有 含油废水 含酸 碱 废水 电镀 废水和洗涤废水等 由于工业废水处理难度大 费用高 综合防治是现阶段处 理水污染较为有效的措施 不过这仍是末端治理技术 绿色化程度不高 还需 要从源头上治理 3 其它污染 除了上述污染源外 机械制造还存在振动污染 噪声污染 热污染 射频辐射污染 光污染等其它的污染源 应积极研究 采取相应的防 护和改善措施 绿色制造技术的应用 若从节能 降耗 缩短产品开发周期的角度出发 诸如快速成形技术 并 行工程及敏捷制造 虚拟制造 智能制造和网络制造等先进制造技术都可纳入 绿色制造技术的应用范畴 不过目前能将绿色制造技术真正应用于企业生产的 也是较为成功的应用 只要集中在汽车 家电等支柱产业上 如绿色制造技术 在汽车行业上的应用 1 节约资源方面 将 绿色燃料 天然气作为汽车的能源 它的燃料同汽 油相比 CO 降低 70 非甲烷类降低 80 等 同时也消除了铅 苯等有害物质 的产生 2 采用新设计的加工工艺方面 2000 年 3 月 博世 康明斯 卡特彼勒 等国外著名的汽车发动机公司 发动了 绿色柴油机行动 在技术上作了较 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 14 大的改进 大大降低了汽车尾气的排放 3 适用于环境友好的材料方面 世界上著名的汽车生产企业 使用新材料 来替代以前使用的石棉 汞 铅等有害物质 采用轻型材料 铝材制造车身 使汽车重量减少 40 能耗也降低了 4 部件回收在制造方面 从 1990 年中期 美国仅汽车零件回收 拆卸 翻新 出售一项 每年就可获利数十亿美元 以上这些技术之所以都被归于绿色制造工艺是因为这些工艺和技术或减少 了原材料和能源的耗用量或缩短开发周期 减少成本 而且有些工艺改进对环 境起到保护作用 虽然现阶段由于种种原因还不能全面施行和应用这些工艺和 技术 而且它们本身也许还有需要完善之处 但有理由相信绿色制造工艺将在 本世纪大显身手 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 15 第三章 绿色制造的研究与发展趋势 绿色制造的全球化特征 体现在许多方面 制造业对环境的影响往往是超越空间的 人类需要团结起来 保护我们 共同拥有的惟一的地球 I S O1 4 0 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将是全球化的 近年来 许多国家对进口产品要进行绿色性认定 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 限制国际产品进入本国市场 即设置 绿 色贸易壁 垒 绿色制造将为 我国企业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 从 20 世纪到 21 世纪 已经发生在我们身边的制造业一系列的巨大变化 以机械化 自动化为特征的传统制造业已变为融入了信息技术和高新技术 的现代制造业 20 世纪的制造业以技术为中心 实行专业分工 生产组织 则是按功能划分的固定工作小组 企业的组织结构是金字塔型结构 采取 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 16 顺序作业方式 而 21 世纪的制造业则以人为中心 实行模糊分工 一专多 能 工作小组也已变为具有自主管理功能的 团队 企业的组织结构已普 遍采取能更加快速响应市场的 扁平型 和 网络型 采取并行作业方式 21 世纪的制造业企业的战略已不是规模经济 而是快速响应市场和技术创 新 企业的质量观从符合性质量观变为满意度质量观 企业将更加重视产 品和制造过程对环境的影响 企业开始重视知识产权方面的投入 从以往 仅提供产品转变为提供解决问题的方案 生产方式不再是同一品种的大批量生产 而是根据客户要求进行定制生产 企业的组织模式逐步从 橄榄型 转为 哑 铃型 加强原先薄弱的研究开发和销售服务这两头 通过大规模的定制生 产和网络化制造以追求自身成本的最小化和客户价值的最大化 在全球化的大环境和趋势下 中国机械制造业必须乘信息化之势而上 不 然 不仅难以提升产业 而且有可能在全球化的进程中完全失去主动 因为在制造业面临的巨大变革中 未来制造业成功的条件是 集成的企业 管理系统 完全集成与优化的设计与制造 柔性化与分布式生产 智能化 的工艺与装备 技术 制造与管理系统即插即用和基于科学的制造 与之相应的 新世纪产品的功能特征向生态化 信息化 个性化和极 限化发展 结构特征向集成化和模块化 组合化和标准化发展 开发过程 逐步向知识化 分布化 协同化 虚拟化 全球化 新颖化和定制化发展 面对越来越复杂化 个性化 智能化及生态化的产品需求 产品设计过程 除了基于知识的创新 智能化和全球化外 还要柔性化 分布协同化和并 行化 其方法和手段即是采取 CAD CAE 网络化 智能化及虚拟化等 在全球化环境下 机械制造业的信息化已迫在眉睫 在信息化的进程 中 企业通过全球网络 借助信息技术和网络技术 在全球进行地区协作 分享知识和信息 优化制造资源 实现网络化制造 以最经济的方式创造 和积累财富 只有这样 企业才能赢得市场 赢得竞争 不断提升竞争力 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 17 机械制造业信息化的重要内容则是企业信息化 21 世纪的制造企业提高竞 争力 除了在转化机制 技术创新 加强管理及资产重组等方面不断开展 工作外 还必须通过企业信息化才能成为竞争力较强的企业 机械制造企业信息化就是充分利用信息技术和其他高新技术改造和提 升传统的机械制造企业 在机械产品全生命周期中 广泛应用信息技术 信息资源和环境 实现信息集成和共享 达到企业资源的优化配置和高效 运转 从而提高经济效益和竞争力 现代制造系统的模式和技术层出不穷 目不暇接 我们经常可以听到 的制造模式和技术就不下 40 多种 应用这些模式和技术 关键在把握实质 因企制宜 随着技术的发展 还会不断推出一些新的模式和技术 但其根 本 不外乎精益 敏捷 高效 双赢 共享 协调 最终实现企业核心竞 争力的提升 在全球化环境下 机械制造业实施信息化 将使机械制造业沿着新型工 业化的道路前进 在这一过程中 也必将促进机械制造业的提升和演进 机械制造业是高新技术成果转化为现实生产力的载体 同时其本身也 含有高技术产业 机械制造业吸纳和融入高新技术 使机械制造业实现产 业升级 同时机械制造业中有相当一部分向高新技术产业演进 这是科学 技术发展的一种趋势 经过提升和演进的中国机械制造业 将不再是人们 原先概念中的资源消耗多 劳动强度大 工作环境差 技术含量低 环境 影响大 附加值不高 劳动密集型的产业 中国机械制造业通过信息化而得以提升 使几代机械制造业工作者努 力为之奋斗的目标 振兴中国机械制造业 终将成为现实 社会化 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 必需的社会支撑系统 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力的支持 对相反行为的惩罚 力度不够 立法问题现在已愈来愈受到各个 国家的重视 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 18 其次 政府可制定经济政策 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 源但开采后会对环境产生影响的资源 如树木 严加控制 使得企业和人们不 得不尽可能减少直接使又如 城市的汽车废气污染是一个十分严重的问题 政 府可以对每辆汽车年检 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 人就建议 需要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 用户三者之问新型的集成关系 均是十 分复杂的问题 其中又包含大量的相关技术问题 均有待于深入研究 以形 成绿色制造所需要的社会支撑系统 集成化 将更加注重系统技术和集成技术的研究 绿色制造不仅是一个社会效益显著的行为 也可能是取得显著经济效益的 有效手段 例如 实施绿色制造 最大限度地提高资源利用率 减少资源消耗 可直接降低成本 同时 实施绿色制造 减少或消除环境污染 可减少或避免 因环境问题引起的罚款 并且 绿色制造环境将全面改善或美化企业员工的工 作环境 既可改善员工的健康状况和提高工作安全性 减少不必要的开支 又 可使员工们心情舒畅 有助于提高员工的主观能动性和工作效率 以创造出更 大的利润 另外 绿色制造将使企业具有更好的社会形象 为企业增添了无形 资产 因此 对待绿色制造 不应该被动地遵守政府或社会道德方面作出的规 定 而应该把绿色制造看作是一种战略经营决策 即实施绿色制造对企业是一 种机遇 而不是一种不得已而为之的行为 例如 最近有的城市规定汽车尾气 排放量超过一定量者 不能进入主城区 这样 这类汽车在主城区的市场不得 不让出来 而给尾气排放量小的汽车厂带来了机遇 当然 绿色制造本身需要 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 19 一定的投入 从而增加了企业的成本 因此 根据实际情况 对绿色制造的效 益与成本进行对比分析 从而确定绿色制造的经济效益 综上所述 绿色制造 的效益是社会效益和经济效益的集成 绿色制造系统中的信息集成 绿色制造系统除了涉及普通制造系统的所有信息及其集成考虑外 还特别 强调与资源消耗信息和环境影响信息有关的信息应集成地处理和考虑 并且将 制造系统的信息流 物料流和能量流有机地结合 系统地加以集成和优化处理 绿色制造的过程集成 绿色制造所揭示的概念表明 绿色制造覆盖了产品生命周期的每一过程 是基于数据库及其数据交换标准的产品多生命周期的集成 绿色制造的集成功能目标体系 绿色制造的功能目标应是多方面的 此功能目标模型简称 TQCSE 模型 其 中 T 表示时间 Q 表示质量 C 表示成本 S 表示服务 E 表示环境 E 是指采 用绿色制造技术 能最大限度地消除环境负影响 提高环境效益 值得注意的 是 传统的功能目标不包含目标 E 只是将其相关功能分散于 T Q C S 四个 目标之中 但随着科技的进步及社会的发展 一方面 制造业已成为环境问题 的主要源头 另一方面 ISO14000 的实行使得各国制造业必须重视环境问题 因此 环境目标已发展成为与 T Q C S 目标同等重要 乃至更加重要的功能 目标之一 另外 TQCSE 模型还表明 T Q C S E 是相互关联的 它们构成 了一个绿色制造功能目标的有机体系 从长远看 绿色制造的 TQCSE 模型有可 能发展成为 TQCSER 模型 如图 5 所示 这里 R 表示资源 这是因为人类的资源 将越来越有限 企业从社会效益考虑 必须尽可能减少资源消耗 绿色制造的社会化集成特性 绿色制造是个复杂的系统工程 需要全社会的参与和社会化的集成 如 法律行为 政府行为和企业行为的集成绿色制造本身是一种企业行为 但 要使企业真正将绿色制造作为自觉的企业行为 法律行为和政府行为 必须先 行一步 绿色制造涉及的法律行为和政府行为首先是立法和行政法规的问题 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力的支持 对相 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 20 反行为的惩罚力度也不够 例如 一些企业通过大量消耗资源和牺牲环境可取 得很大利润 环境污染方面的惩罚力度不够 企业即便承担罚款也照常可取得 利润 因而对防治环境污染积极性不高 立法问题现在已愈来愈受到各个国家 的重视 关于环境污染和资源消耗的一些法规已经和正在出台 例如 我国正 在起草 中华人民共和国资源综合利用法 将对资源优化利用和综合利用问题 作出法律上的规定 这将有力地推动绿色制造的实施 其次 政府还可制定经 济政策 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但开采后会对环境产生影响的资 源 如树木 严加控制 使企业和人们不得不尽可能减少直接使用这类资源 转 而开发其它替代资源 城市的汽车废气污染是一个十分严重的问题 政府可以 对每辆汽车年检时 测定废气排放水平 收取高额含污染废气排放费 这样 含污染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 产品 用户三者之间的新型集成关系 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回收和处理 这就可能形成企业 产品 用户三者之间的新型集成关系 有人建议 需要回 收处理的主要产品 汽车 冰箱 空调 电视机等 用户只买了其使用权 而 企业拥有所有权而且必须进行产品报废后的回收处理 绿色集成制造系统的提出 由绿色制造的内涵和绿色制造的集成特性可知 绿色制造是一个复杂的系 统工程 它的一系列集成特性表明 集成是绿色制造的关键特性 由于人类可 持续发展的需要 现代制造系统必须是绿色制造系统 另一方面 绿色制造的 集成特性要求绿色制造系统必然是一个集成制造系统 综上所述 本文提出了 绿色集成制造系统 这一新概念 并将其定义如下 绿色集成制造系统 Green Integrated Manufacturing System GIMS 是一 种可持续发展的企业组织 管理和运行的新模式 它综合运用现代制造技术 信息技术 自动化技术 管理技术和环境技术 将企业各项活动中的人 技术 经营管理 物能资源和生态环境 以及信息流 物料流 能量流和资金流有机 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 21 集成 并实现企业和生态环境整体优化 从而达到产品上市快 质量高 成本 低 服务好 环境影响小 使企业赢得竞争 取得良好经济效益和社会效益 绿色集成制造系统的系统构成框架 从系统功能角度看 一般说来 绿色集成制造系统 GIMS 包括管理信息系 统 绿色设计系统 制造过程系统 质量保证系统 物能资源系统 环境影响 评估系统等六个功能分系统 计算机通信网络系统和数据库 知识库系统等两个 支持分系统以及与外部的联系 下面对八个分系统中 与绿色制造直接相关的 几个分系统作一简要说明 绿色设计系统 GIMS 中的绿色设计系统 除包括一般现代集成制造系统 CIMS 中的工程设 计自动化系统的有关内容 如 CAD CAPP CAM 等 外 还特别强调绿色设计 绿 色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中 充分考虑对资源和环境的影 响 在考虑产品的功能 质量 开发周期和成本的同时 优化各有关设计因素 使产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小 绿色设计又称为面向环境的 设计 Design for Environment DFE 物能资源系统 物能资源系统主要包括以下三方面内容 面向环境的产品材料选择 面向环境的产品材料选择就是要在产品设计中尽可能选用对生态环境影响 小的材料 即选用绿色材料 面向产品生命周期和多生命周期的物流系统 能量流系统 能量流系统包括 能量的种类 消耗状况 各消耗环节的构成 利用率 损耗率等 对环境的影 响等 制造过程系统 制造过程系统 除包括一般现代集成制造系统中制造自动化系统的有关内 容外 还特别强调绿色性的制造过程 即清洁化生产过程 环境影响评估系统 环境影响评估体系的内容主要包括 制造过程物料资源的消耗状况 江西理工大学南昌校区 2011 届专科生毕业论文 22 制造过程能源的消耗状况 制造过程对环境的污染状况 产品使用过程对环境的污染状况 产品寿命终结后对环境的污染状况 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 文献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 质量保证系统 物能资源系统 环境影 响评估系统 6 个 功能分系统 以及计算机通讯网络系统和数据库 知识库系统等 2 个支持分系 统 以及与外部联系 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 并行化 绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式 并行工程是一种以集成方式并行地进行产品设计和制造以及支持等相关过 程的系统化方法 也就是要对产品设计和制造系统中相关过程同时进行考虑 以确保产品结构符合其功能及相关的制造工艺要求 包括产品生命周期的所有 上下游活动 即从市场分析 原材料获取 产品成本分析 产品的加工 装配 检验 直到产品售后服务 维修以及最后的退役 报废回收等 与传统设计方 法相比 并行工程的设计方法是立足于产品的整个生命周期 以最快的上市速 度 T 最好的质量 Q 最低的成本 C 最优的服务 S 及最清洁的