绿色制造在企业中的应用.doc

绿色设计与绿色制造绿色制造在企业中的应用叶国杰1 , 陈成锋2 , 伍伟杰3(1 广州奥的斯电梯有限公司,广东广州510425;2 新域实业有限公司,广东广州510510;3 广东工贸职业技术学院机电工程系,广东广州510510)摘要: 介绍了绿色设计以及绿色制造工艺技术的概念及其具体内容, 并基于绿色设计和绿色制造工艺技术的内涵并结合奥的斯电梯公司在绿色制造方面的成功案例着重讨论绿色制造工艺技术在企业中的应用和发展。关键词: 绿色制造技术; 绿色设计; 绿色材料; 工业企业中图分类号: TH 16 文献标志码: A 随着工业的蓬勃发展, 许多新型高效的先进工业技术不断推陈出新, 同时也产生了资源和能源的巨大消耗及对生态环境的严重破坏, 工业的负面影响越来越受到重视。为了合理利用资源、降低能源的消耗和减少对生态环境的破坏, 绿色制造技术在工业中的应用和推广势在必行。绿色制造就是使用绿色资源, 采用绿色生产过程, 得到绿色产品 1 。联合国环境保护署对绿色制造技术的定义是: 将综合预防的环境战略, 持续应用于生产过程和产品中, 以便减少对人类和环境的风险 2 。影响制造系统的因素是多种多样的, 因而决定了实施绿色制造涉及的问题和途径是多方面的。绿色制造技术从内容上主要包括绿色设计和绿色工艺2 个方面。1 产品的绿色设计绿色设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程, 他要求在产品及其整个生命周期内, 把产品的基本属性和环境属性紧密结合, 优化各有关设计因素, 除满足产品的物理目标外, 使得产品及其制造过程对环境的总体负影响减到最小。在绿色制造实施过程中, 绿色设计是关键。绿色产品设计, 要求产品在制造过程中节省资源; 使用过程中节省能源、无污染; 产品报废后便于回收和再利用。1. 1 节省资源绿色产品应是节省资源的产品, 即在完成同样功能的条件下, 产品消耗资源数量要少。刀具设计时采用机夹式不重磨刀具代替焊接式刀具, 就可以大量节省刀柄材料; 传动轴若采用空心轴结构代替实心结构, 也可大量节省优质钢材。1. 2 节省能源绿色产品应是节能产品, 在能源日趋紧张的今天, 节能产品越来越受到重视。机器设备采用变频调速装置, 可使产品在低功率下工作, 节省电能。据统计, 金属切削机床50% 以上的时间是在低功率状态下工作。因此, 金属切削机床若采用变频调速装置, 节能效果可观。1. 3 减少污染减少污染包括对环境的污染和对操作者危害2个方面。为了减少污染, 绿色产品应该选用无毒、无害材料制造, 严格限制产品有害排放物的产生和排放数量。液压传动设备在设计液压系统时, 采用先进的防污过滤技术, 延长液压油的使用周期, 减少排放次数, 就可减少污染。为了避免对操作者产生危害, 产品设计应符合人机工程学的要求。冲压设备设计时采用双手触摸开关代替脚踏开关, 则可避免脚踏误动作造成机器与人身事故。1. 4 报废后的回收与再利用随着社会物质的不断丰富和产品寿命周期的不断缩短, 产品报废后的处理问题变得越来越突出。传统的产品寿命周期从设计、制造、销售、使用到报废是一个开放系统; 而绿色产品设计则要充分考虑产品报废后的处理、回收和再利用, 将产品设计、制造、销售、使用、报废作为一个系统, 融为一体, 形成一个闭环系统。2 绿色制造工艺技术绿色制造工艺技术( Green Manufacture T echnolog y) 3 是以传统工艺技术为基础, 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工艺技术。绿色制造工艺技术对生产制造活动的全过程进行最优控制, 全面合理配置资源, 最大限度地减少污染, 充分发挥制造系统的效能, 利用先进的制造技术和工艺方法, 最终实现绿色制造的目标要求。绿色制造工艺技术可划分为3 种类型: 节约资源型工艺技术、降低能耗型工艺技术、环境保护型工新技术新工艺# !绿色设计与绿色制造 2007 年 第10 期! 5 !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、节省原材料消耗的工艺技术。降低能耗型工艺技术是指在生产过程中, 降低能量损耗的工艺技术。环境保护性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完全消除。2. 1 节约资源型工艺技术节约资源型工艺技术可从设计和工艺2 方面着手。在设计方面, 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; 在工艺方面, 可通过优化毛坯制造技术、优化下料技术、少( 无) 切削加工技术、干式加工技术等方法减少材料消耗。2. 1. 1 少( 无) 切削加工技术机械加工中, 在满足零件结构性能要求的前提下, 通过选择少切削或者无切削的加工工艺, 如成型制造技术、轧制成型等来减少材料的使用量和资源的消耗。少( 无) 切削加工有节约材料, 生产率高和成本低等优点, 因此在机械工业领域得到越来越广泛的应用。汽车的部分零件正是利用了少( 无) 切削加工技术得到了长足的发展。减振螺钉 4 是汽车配件之一, 需求量大, 成对组装使用, 用橡胶弹性联接,能承受阻力; 原工艺采用金属棒料切削加工, 材料利用率只用18. 2%, 生产率低, 改用少( 无) 切削加工工艺之后, 材料利用率由原来的18. 2% 提高到65 3%, 金属流线分布合理, 生产效率大大提高。成型制造技术目前正从接近零件形状( NearNet Shape Process) 向直接制成工件, 即精密成形或净化成型( Net Shape Pro cess) 方向发展。采用这项制造技术可使有些零件或毛坯直接或稍加处理即可用于组成产品, 从而大大减少原材料和能源的消耗,缩短生产周期, 提高效率, 降低成本, 改善对环境的负面影响 5 。2. 1. 2 干式加工技术目前机械加工多是在加工中心、数控机床或者普通机床上以切削液( 包括切削液和磨削液等) 的湿式加工的方式进行的。切削液的主要作用是降低加工温度, 延长刀具耐用度, 提高加工尺寸精度。但随着高速加工技术的迅速发展, 切削液的使用量越来越大, 其流量有时高达80 1 000 L/ min 6 , 大量切削液的使用不仅对人体的健康造成威胁, 而且对环境造成严重的污染, 并且切削液难于处理, 即使能处理, 其处理成本也很高。因此, 对干式加工技术的研究具有重要的意义。顾名思义, 干式加工( Dry Machining) 就是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。干式加工简化了工艺系统, 降低了加工成本, 消除了因切削液的使用所带来的一系列环境污染问题。干式加工有2 种方式, 即完全干式加工和准干式加工。完全干式加工就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法, 也就是通常所说的干式加工。这种加工方式对工具材料、机床结构、刀具装夹方式等均有较高的要求。准干式加工( Near Dr y Machining- N DM) 或最少切削液切削加工( Minimal Quant it ies of Lubricant- MQL) 是一种介于湿式加工与干式加工之间的加工技术。准干式加工是将压缩空气和少量切削液混合气化后喷射到加工区, 对刀具与工件之间进行的加工部位进行润滑。他所使用的切削液很少,约占湿加工的六万分之一, 但其效果却十分明显。它弥补了完全干式加工应用范围的局限性和完全湿式加工的诸多不足, 结合了二者的优点, 既满足了加工的要求, 又使与切削液有关的费用降至最低, 并可取得与完全干式加工相同的效果。准干式切削技术只要使用适当, 刀具、工件和切削必然是干燥的, 因而可避免切削液的处理过程。目前干式加工中干切削( Dry Cut ting ) 加工和干磨削( Dry Mil ling) 加工是应用和研究较多的2 种方法。美国Leist rit z 公司 7 在加工丝杆时, 先是在软的工件上加工出螺纹, 再把有螺纹的工件淬硬, 然后逐件精磨, 加工一根丝杆需要近170 个工时。为了提高生产效率, 该公司采用GE 超硬磨料公司的PCBN 刀具进行旋风铣削加工, 钢坯在精加工丝杠螺纹之前被淬硬, 以硬旋风铣削取代软车削和精磨工序, 明显提高了金属切除率, 加工时间缩短为1. 75h, 提高效率近100 倍。干磨削目前使用最多的方法是强冷风磨削, 通过热交换器, 把压缩空气用液氮冷却到- 110 , 然后经喷嘴喷到磨削点上。由于压缩空气温度很低,所以在磨削点上很少有火花出现, 也几乎没有热量产生, 因而工件变形极小, 可得到10 m 以内的椭圆度。2. 2 降低能耗型工艺技术降低能耗型工艺技术目前采用的方法主要有减磨、降耗或采用低能耗工艺等。通过应用这些方法,能有效地降低能源的消耗, 节约资源, 减少对环境的污染。2. 2. 1 减磨在机械工业中, 节约能源的方法有多种途径。从润滑的角度来考虑, 主要是减少摩擦损失。磨损大致可分为粘附磨损、疲劳磨损和微动磨损等。据! 6 ! 新技术新工艺# !绿色设计与绿色制造 2007 年 第10 期统计, 全世界每年的能源消耗, 大约有33% 50%消耗于摩擦上。在机械零件的失效中, 摩擦失效占6% 8%。可见减磨是降低能耗、节约能源的有效措施。润滑得当就可以有效地减少磨损, 于是金属减磨剂就应运而生。适当的使用减磨剂能有效地减少摩擦, 降低磨损, 减少故障, 延长零件的寿命。除了使用减磨剂外, 还可以采用将金属抗磨剂加入到润滑油的方法来达到降耗的目的。将金属抗磨剂加入到润滑油中, 在金属表面形成一种耐高温、高压的油膜层, 牢固地附着在金属的表面, 这样就可以使机体的摩擦副表面被润滑油膜隔开而不直接接触。工作时由于润滑油膜的存在, 机件的摩擦会变成润滑添加剂分子之间的摩擦, 从而减少噪声, 降低磨损,达到节约能源, 提高经济效益的目的 8 。以往用于改进润滑油性能的添加成分多为硫、磷类物质, 最终排放到大气造成了严重的污染, 而最近研究表明, 以超音速气流将精致石墨加工到粒径小于0. 5 m, 采用独特的工艺与配方, 将石墨粉制作成空心分子团,使其能稳定悬浮与润滑油中, 能有效地节油和降低能耗。经过试验表明, 使用改种润滑油, 节油率达10% , 机件磨损率可降低80%, 并且能够有效地降低汽车尾气中的有害气体, 一氧化碳降低58% , 碳氢下降38% 9 。2. 2. 2 采用低能耗工艺机械加工中可以通过改进某些工艺的方法实现降低能耗。热处理是机械零件制造过程中的重要环节, 是提高金属产品质量的一项重要技术。但是由于热处理能耗高和污染大, 严重阻碍了其发展。可以通过改造热处理设备和改进热处理工艺的方法来实现 绿色热处理 。所谓绿色热处理( Green HeatTreatment ) , 就是从节能, 环保等方面出发, 改造传统的热处理设备, 改进传统的热处理工艺, 加强热处理生产组织和技术管理, 从而降低能耗, 减少污染,提高劳动生产率和经济效益, 保持热处理可持续发展的一项绿色工程 10 , 通过改进正火的工艺来降低能耗是一个较为突出的应用。球铁曲轴的常规热处理通常由正火和回火2 道工序组成, 但经过改进正火工序的方法, 在过去20 年里, 能耗从过去的2 520 2 880 kW ! h/ t 降到568 611 kW ! h/ t , 下降幅度达到70% 。球铁曲轴正火工艺的改进可以通过波动式正火工艺、低温石磨化正火% 3 段正火、破碎状铁素体2 段正火、1 段正火和零保温正火等方法来改进。通过实践证明, 在采用一定的正火工艺的基础上取消曲轴正火后的回火是可行的, 用数理统计方法分析, 其疲劳强度及常规力学性能、曲轴尺寸精度和几何精度的稳定性跟曲轴回火与否都没有明显的区别。取消正火后的回火, 每支曲轴可以节电5 kW ! h, 那么生产100 万支, 节电近500 万kW !h。经最近的研究, 可以采用铁模覆砂铸造工艺来进一步降低能耗。该工艺是一项利用铸造余热正火的工艺, 从根本上取消了正常的正火操作, 每支曲轴可节电9. 37 kW ! h, 若按工厂年产20 万支曲轴, 则每年节电近200 万kW ! h 1 1 。2. 3 环境保护型工艺技术目前最有效的方法是在工艺设计阶段全面考虑, 如选用绿色材料, 积极预防污染的产生。材料选择在整个设计和开发过程中最先和最重要的设计决策, 因此也是考虑环境问题的最主要因素。所谓绿色材料( Gr een Material) 12 是指那些具有良好的使用性能或功能, 且对资源和能源消耗少,对生态和环境影响和污染小, 有利于人类健康, 可再生利用率高或可降解循环利用, 在制备、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, 在满足性能要求的前提下,应当优先选用绿色材料。1) 选用不用热处理的材料在机械加工过程中, 热处理对材料的使用寿命有很大的影响, 同时也是耗能最大, 对环境污染较大的工艺之一。因此, 应尽量选用在热轧或冷拔状态即可达到性能要求的材料。2) 选择少用热处理的材料机械加工中, 在难以避免要对材料进行热处理时, 应当优先考虑选择少热处理的材料, 如低淬透性钢、低碳马氏体钢、贝氏体钢等。用低淬透性钢制造齿轮时, 对它进行感应加热淬火可以部分取代合金渗碳钢的渗碳淬火, 达到减少污染、降低能耗和节约合金元素使用的目的。低碳马氏体钢具有优良的综合机械性能, 与调质后的中碳结构钢相当, 某些性能甚至超过中碳结构钢, 还具有良好的工艺性能。贝氏体钢具有良好的强韧性, 而且省去了淬火工序, 具有显著的经济效益。中高碳贝氏体钢主要用于橡胶及塑料模具以及矿井采煤运输机的大型齿条。中碳贝氏体钢主要用于铁路弹性扣件和车辆弹簧等。低碳贝氏体钢主要用于卡车前轴、连杆和半轴套管 13 。3 提升企业的绿色竞争力企业的核心竞争力是企业取得和保持竞争优势的源泉, 核心竞争力至少具有3 个方面的特性: 特别有助于实现顾客所看重的价值; 是竞争对手难以模仿和难以被替代的; 具有持久性。具备绿色竞争力的企业在实现用户价值方面能够比一般的企业更胜新技术新工艺# !绿色设计与绿色制造 2007 年 第10 期! 7 !一筹, 因为随着人类对物质生活水平要求的提高, 消费者越来越倾向于环保型产品, 绿色产品能够带给用户更多的价值享受。据美国的一项调查显示,80% 的消费者愿意为环保型的产品支付超额的价值。此外, 绿色生产、绿色设计、绿色材料供给等价值活动所隐含的技术和知识, 也使得绿色竞争力难以被一般的企业模仿, 从而使之具有持久性, 可使企业获得持续竞争优势。在绿色消费已成时尚、绿色理念深入人心、绿色产品广受欢迎、绿色市场日益广阔的今天, 绿色竞争力已经成为企业核心竞争力的重要组成部分, 甚至成为企业生存和发展的基础能力之一。奥的斯电梯就给了我们一个很好的示例。其新建的制造基地以科技领先为核心, 主要产品将围绕 绿色、节能和高效 , 以奥的斯旗舰产品GeN2 无机房系列、Sky 天擎无齿轮系列, 和节约电梯运行能耗30% 70% 的RegenDrive 新型能源再生科技系统为代表。基地的建设应用了OTIS 和U TC 旗下多家品牌公司的绿色技术设计和产品, 包括联合技术研究中心U TRC、奥的斯Ot is、开利Carrier、集宝Chubb( U TC FS) 、Lenel ( U TC FS) 、奥莱斯ALC,这也是UT C 众多兄弟公司的首次合作项目。该项目合理地集成了多项先进成熟的建筑节能、节水技术, 还采用世界先进科技的楼宇自控系统( BAS) , 对热水系统、通风系统等7 大机电设备系统进行监控。为此, 泰达基地将成为全球首个绿色节能示范工厂,也将成为在中国率先利用U SGBC 美国绿色建筑委员会LEED( 领先能源环境设计) 金牌认证标准进行设计和建造的项目之一。目前奥的斯电梯泰达基地已通过了国家建设部科技示范工程项目的专家复审, 并将有望列入今年国家建设部科技示范工程计划项目中。该基地的建成投产将为带动我国制造业采用绿色环保理念进行可持续发展起到良好的示范作用。4 结语节约资源、降低能耗和保护环境是全世界人民的共同呼声, 因此绿色制造已经是世界工业发展的潮流和趋势。推广绿色制造在广大企业中的应用是可持续发展的目标和重点。但目前绿色制造技术的应用尚处于起步阶段, 只有通过不断优化和改进现有技术, 开发新型技术, 推动企业的竞争模式从单一的市场竞争模式向市场竞争与生态竞争 双重竞争模式转变, 改变政府的决策思路, 才会推动绿色制造技术在全社会的广泛应用。与此同时, 全面建立和发展绿色制造的评价理论和方法, 完善绿色制造的科学体系也是今后的研究重点。 参考文献 1 卢小平. 现代制造技术 M . 北京: 清华大学出版社, 2003. 2 张世昌. 先进制造技术 M . 天津: 天津大学出版社, 2004. 3 林朝平, 盛俊明. 绿色制造工艺技术的发展方向 J . 制造业与自动化, 2001, 11: 12. 4 曾健华. 减振螺钉少无切削加工工艺 J . 机械工人,1997, 1: 16. 5 李伟光. 现代制造技术 M . 机械工业出版社, 2001. 6 王珺, 王国荣, 刘清友. 绿色制造工艺技术应用研究 J .机械, 2003, 30: 13. 7 刘志峰. 干式加工% % % 绿色制造工艺的应用研究 J . 机电一体化, 1999, 1: 2931. 8 杨忠敏. 汽车运输的节能途径 J . 商用汽车, 2002,4: 60. 9 孙福. 润滑油减磨新技术问世 J . 润滑与密封, 2003,3: 74. 10 王彦芳, 李兆严. 绿色热处理 J . 煤矿机械. , 2000, 10:2729. 11 苏大任. 改进正火工艺降低能耗 J . 金属热处理,1997, 10: 3435. 12 李克勤, 郑爱武. 绿色设计的材料选择探讨 J . 湖北农机化, 2001, 4: 2728. 13 刘超. 机械零件的绿色制造途径 J . 陕西科技大学学报, 2003, 10: 1012.作者简介: 叶国杰( 1980) , 男, 硕士研究生。主要从事数控技术、制造自动化与机电一体化方面的研究。收稿日期: 2007 年8 月10 日责任编辑 吕德龙! 8 ! 新技术新工艺# !绿色设计与绿色制造 2007 年 第10 期New Technology &New ProcessISSN 1003 5311 October 2007 No . 10 Ser ial No. 238Contents & AbstractsThe Design and Debug of Nodes in CAN Bus SystemYE Guojie1, CHEN Chengfeng 2, WU Weijie3 ( 1 Guangzhou OtisElevator Co. , Ltd, Guangzhou 510425, China; 2 Xinyu Co. , Ltd,Guangzhou 510425, China; 3 Guangdong Vocational College of Industry & Commerce, Guangzhou 510425, China)Abstract:CAN Bus is a hot spot of fieldbus technology nowadays,however, there will be some problems existing in the design anddebug of CAN nodes. This article proposes a design method ofCAN node and a practical debug flow of CAN bus system designed, discusses its related mechanism at the same time, based onthe desig n and application of CAN bus system in routine work.Key words: fieldbus, CAN, debugMechanical Manufacturing Technology Based on GreenManufactureZHANG Shumin ( Hebei H uabei diesel engine Co. LTD, Shijiazhuang 050081, China)Abstract: Mechanical manufacturing technology is developing tothe direction of high efficiency, high speed, intellig ent compositionand green environmental protection. The applications of advancedtechnology can change the concept of traditional manufacturing .Key words: green manufacture, mechanical manufacturing, technologyImprovement of Heating Method for Aluminum AlloyForgingsYAO Chunchen, CHEN Tiehua, LI Haosheng, DUAN Lianghui( Jiangnan Machinery Group Co. , Ltd, Xiang tan 411207, China)Abstract:The heating temperature is critical to some aluminum andaluminum alloy forging s which will suffer the problems of superheating and unequal heating temperature if use a chamber resistance furnace heating the blanks. In order to get uniform and precision temperature, also to have the same heating time, a conveyingtemper furnace was introduced. By using the conveying temperfurnace, we can improve the quality of products significantly; alsocan reduce the amount of rejected products.Key words: aluminum alloys, forging, conveying temper furnace,heating, qualityIndustrial Waste Management and Resource RecoveryStrategy of MachineTools Manufacturing IndustryWONG Chungming1 , FU Jianzhong2 , ZHANG Shu1, 3 ( 1. Schoolof Management, Harbin Institute of Technology , Harbin 150001,China; 2. Jiangsu Yang Li Group, Yang zhou 225127, China; 3.Tong ji University, Shanghai, 200092, China)Abstract:The Eleventh FiveYear Plan of the Central Governmentspecially cited the importance of energ y saving and environmentalconservation technolog ies in supporting the industr y structure upgrade and building up an efficient circular economy. Industrialwastes are the inevitable byproduct from production, the quantityof wastes will be escalated with the further expansion of the manufacturing scale. The establishment of a wastes manag ement Systemand Cor perate Cultrue is required for the recovery of industrialwastes to valuable manufacturing resources through the use of appro pirate technolgies. This article is based on the field studies conducted on Jiangsu Yang Li Group and the research study on theglobal trench in addressing the solid wastes management and recovery strateg y issue for the metal cutting industry from the aspects of technology and economy. It is further illustrated with thecase of Yang Li in recovering the real value of solid wastes throughinternal recycling .Key words: industrial wastes, circular economy, machine toolsThe Design of Small Detonation ContainerLONG Jianhua( Institure of Fluid Physics, China Academic of Engineering Physics, Mianyan 621900, China)Abstract: The instantaneous load determined by using momentumcoefficient method was transformed to the equivalent static load, inacco rdance with which the thickness of the wall of the vessel arecomputed. The verifying experiments indicate that the designsmall detonation container of is proper and the strength and theclose capability satisfy the requirement of physics ex periments.Key words: detonation container, designed and accounted equivalent, static load structural designModification of Nanometer TiO2 and Application inWastewater TreatmentGU Songqiu1 , LIU Jihua2 ( 1 Dalian Marltime of University, Dalian116046, China; 2 School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineer ing Science, Shanghai 201620, China)Abstract:Photo catalysis is an attractive approach for environmental protection Because of nanometer TiO2 advantage such as lowtemperature, noenergy intensity and nonpollution. In this paper,Photo catalytic characteristics of nanometer TiO2 are introduced.And the routes of modify nanometer TiO2, such as doing of metalion, deposition of noble metal, composite of semiconductor, photosensitive surface and soon. The nanometer TiO2 photo catalytictechno logy are applying to the degradation of wastewater fromdyeing and printing, paper making and pesticides. Furthermore thepresent shortages occurring in doping of TiO2 and the develo pmenttrend of nanometer TiO2 photo catalytic technology to the degradation of wastewater is ex pected.Key words: nanometer TiO2 , photo catalysis, modified, wastewatertreatmentResearch Progress on the Influence of Die Casting Processon Structure and Performance of Aluminium AlloyCHUAN Haijun1, HUANG Xiaofeng2 , MAO Zuli2 , TIAN Zaiyou2( 1 State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous MetalMaterials, Lanzhou University of Techno logy , Lanzhou 730050,China;2 Key Laboratory of Nonferrous Metal Alloys, The Ministry of Education, Lanzhou University of Technology , Lanzhou730050, China)Abstract:The so