面向绿色制造的机械加工

面向绿色制造的机械加工行业2011级机械工程张庆涛学号：2011220668【摘要】：本文将结合当前机械加工企业在零件加工过程中应用绿色制造的情况，论述传统的机械加工与绿色制造理念的有机结合以及绿色制造技术在机械加工行业的应用情况。【关键词】：绿色制造、机械加工、绿色设计、干切削21世纪高速发展的工业经济给人类带来了高度发达的物质文明，同时也带来了一系列严重的环境污染问题，并制约了人类社会的持续发展。在工业里，制造业中的机械加工也可以说是其中最大的污染源之一。根据有关数据统计，造成环境污染的排放物有近70%以上来自制造业。传统的制造业一般采取“末端治理”的方法来解决产品生产过程中产生的废气、废水以及其他固体废弃物等环境问题。但这种方法无法从根本上解决制造业及其产品产生的环境污染。绿色制造(GreenManufacturing)，即环境意识制造或面向环境的制造，作为一种新型的制造理念，越来越受到社会、企业的广泛重视。绿色制造是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，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，资源效率最高。本文将结合当前机械加工企业在零件加工过程中应用绿色制造的情况，论述传统的机械加工与绿色制造理念的有机结合。在新时期，我国在机械制造业，除了面临着产品质量和成本等方面的竞争外，如何突破绿色壁垒是更加严峻的挑战。比如在我国的机械加工过程中，绿色设计、绿色制造以及绿色材料使用问题至今还没有得到企业的足够重视。许多企业仍然走的是粗放型老路子，只注重产品的质量、成本、效益，而忽略了加工使用、产品报废给环境带来的污染。本文在分析绿色设计与制造的概念和内涵基础上，提出了绿色设计的方法、绿色材料的选取和一些绿色制造工艺技术，通过使用这些新工艺技术，可以提高资源利用率、降低成本、减少环境污染，应对国际绿色贸易壁垒的挑战，实旄制造业可持续发展战略。一、绿色设计绿色设计，主要是注重在设计过程中以环境资源保护为核心概念。它要求在产品开发及其整个生命周期内，把产品的各种属性和周边环境属性结合，优化各种相关的设计因素，除满足产品的功能目标外，使得产品设计及其制造、使用过程对环境的总体影响减到最小。在实施绿色制造过程中，绿色设计是核心及关键。对产品进行绿色设计，就要求产品在制造过程中重视节省资源，使用过程中减少对能源的需求，对环境无污染，在报废后产品也便于回收以及再利用。对产品进行绿色设计，主要可以从以下几个方面进行努力：1.1在设计上尽量采用绿色资源，节省材料绿色设计，首先应该从资源上尽量选择绿色资源。即在完成同样功能的条件下，产品消耗资源数量要尽可能少。例如，在刀具设计时尽可能采用机夹式而不采用焊接式刀具，这样就可以大量节省刀柄材料；又例如，传动轴的设计上可采用空心轴结构代替实心结构，这样也可以大量节省优质钢材。1.2从能源入手，进行节能设计在能源日趋紧张的今天，节能产品越来越受到重视，绿色的产品理应是节能产品。在同等条件下，机械设备如果能够采用变频调速装置，可使产品在低功率下工作，可以大幅节省电能。据有关数据统计，金属切削类机床50%以上的时间是在低功率状态下工作。因此，如若将所有的金属切削机床均采用变频调速装置，那么一年下来，节能效果非常可观。1.3减少产品的污染减少产品的污染包括对环境的污染和对产品使用者危害两大方面。为了减少产品的环境污染，绿色产品应该尽量选用无毒、无害以及可以重复利用的材料制造，严格限制产品有害排放物的产生。例如，液压传动设备在设计液压传动系统时，可以优先采用先进的防污过滤技术，尽可能延长液压油的使用周期，减少液压油的排放次数，即可减少废弃液压油对周边环境造成的污染。另外，为了尽可能避免产品对使用者产生危害，产品设计应符合人机工程学的要求。例如，在冲压设备设计时可以采用双手触摸开关代替脚踏开关，则可有效地避免因脚踏误动作而造成冲压设备压伤人等事故。1.4产品的回收与再利用随着产品的不断更新、换代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重要。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，而且很少关注报废后的处理。而产品绿色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，力求使产品在报废后能够得到有效的回收，甚至再利用。二、绿色制造工艺2.1绿色切削加工工艺技术在金属切削加工过程中，往往需要添加、使用切削液。切削液在机械加工中起到冷却、润滑、排屑和清洗的作用。但如果在机械加工过程中使用的切削液用量过大，大量的切削液会污染环境。因此，要采用绿色切削加艺技术，来解决切削液带来的问题。目前国内对绿色切削的研究主要包括干式切削、低温切削、绿色湿式切削等几个方面。相信在不久的将来，绿色切削将是未来绿色制造业的重器组成部分，而其中高速干切削在目前是应用最为广泛。高速干式切削加工工艺是通过不用或减少切削液的使用，来减少环境的污染和成本控制的加工方法，在加工过程中获得洁净无污染的切屑，从而省去了切削液及其处理的大量费用。当前，干式切削技术已应用于很多材料的加工中，特别是有色金属及其合金和铸铁的加工干式切削时温度很高。因此往往要求刀具有较高的耐磨性和热韧性，以为了保证切削效果。机床切削速度应尽可能是超高速，并配备有吸尘和排屑装置。但是，干式切削加工技术也还存在一些不足之处：如在钢材尤其是高强度钢的干切削应用方面仍存在问题，主要表现为刀具磨损严重。其次，对刀具的材料和结构要求较高，成本较大，加工能耗大。切削过程产生高温，由于在高温中的热塑性特点，铁屑难以控制。造成排屑困难。高速干切削常用刀具材料表:刀具材料特点应用场合硬质合金抗冲击能力强，价格便宜，但切削速度有限适用于大多数材料，是应用最多的涂层刀具基体材料金属陶瓷通用性强，适用中速切肖。，有较好的抗积屑瘤性能。不具备足够高的热硬性在钢、铸铁、不锈钢和铝合金等材料上都有应用陶瓷连续切削性能好，耐冲击（尤其晶须陶瓷）。不能加工铝台金特别适合灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和耐热合金钢立方氯化硼商热硬性好，（可达2000D高强度，高抗热冲击性能化学稳定性不如陶瓷一般切削硬度在HRc48以上的材料，如粗加工淬硬钢和珠光体灰铸铁聚晶金刚石虽硬、最耐磨的刀具材料，高速性能好。只能用于加工非铁零件，不能经受切削区超过600r的高温适合于加工有色金属和非金属材料，如难加工的高硅铝合金2.2降低能耗型工艺技术在机械加工工业中，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。常见的磨损大致可分为粘附磨损、疲劳磨损和微动磨损等。据有关数据统计，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，摩擦失效也占6%〜8%。由此可见减磨是降低能耗、节约能源的简单高效的措施。使用适当的润滑方式就可以简单而有效地减少磨损。为此，金属减磨剂等减膜方式就应运而生。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。机械加工中还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和刚度的一项重要而常用的技术。但是由于热处理能耗高和污染大，构建一个金属热处理环境耗费巨大等不利因素常常严重阻碍了其发展。为此，目前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(GreenHeatTreatment)，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，通过改进正火的工艺来降低能耗是一个较为突出的应用。三、绿色机械产品制造的方法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节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化。环保型制造技术是指在制造过程中最大限度地减少环境污染，创造安全、舒适的工作环境。包括减少废料的产生及废料有序地排放;减少有毒有害物质的产生及有毒有害物质的适当处理;减小振动与噪声;实行温度调节与空气净化;对废料的回收与再利用等。其下简要介绍一些绿色制造技术。3.1精确成形工艺精确成形工艺，亦称少无切屑加工，它主要是通过精铸、精锻、冷挤、粉末冶金等加工方法来获得零件或精坯。20世纪以来，人们开始探索各种减少切削或不切削的精密成形新方法和新材料，以减少工时和材料耗费。例如，采用挤压、冷镦、搓丝等工艺生产螺栓、螺母和机械配件，使材料利用率大大提高，有时列'完全不需要切削;采用金属模压力铸造制造铝合金件。与普通铸造相比，制件质量提高，且可基本不用切削加工;采用粉末冶金方法可制造高强度、高密度的机械零件，如精密齿轮等;工程塑料的压塑和注塑件强度高、成型容易，基本上没有加工余量;通过提高传统铸造、锻压工艺的精度也能减少加加工余量，实现毛坯精化。总之，精确成形工艺具有显着的技术经济效益，能实现多种冷、热工艺综合交叉、多种材料复合选用，把材料与工艺有机地结合起来，是机械制造技术的一项突破。对轻工机械制造业来说，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。3.2高速切削机床我们知道，机械干式加工在切削区域会产生大量的切削热，如果不及时散热，会使机床受热不均而产生热变形，这个热变形就成为影响工件加工精度的一个重要因素，因此机床应配置循环冷却系统，带建切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件、刀具和机床上的热景。干切削时产生的切屑是干燥的，这样可以尽可能的将干切削机床设计成立轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板用绝热材料制成，在机床上配置过滤系统排出灰尘，对机床主要部位进行隔离。现在切削加工已朝着高速、超高速方向发展，高速切削机床的发展给千切削的实现创造了良好的条件，对于精密切削机床，可在机床上装上监控系统，以检测切削区域的温度变化、切削力的变化以及刀具的磨损，井配以机床补偿装置。3.3工程机械绿色化实现工程机械生命周期的绿色化，对工程机械实行绿色使用也是必不可少的。工程机械大部分是露天作业，作业地点经常变动，所以其性能受到作业场地的温度、污染、路况及天气等因索的影响很大。如果在施工现场采取有效措施，采取绿色使用策略，通过绿色保养、维修是可以有效防止机械故障，保证设备的完好率。相应减少了废弃排放物对环境的危害，提高机械寿命，也就是节省了资源，比如设备维修技术以最少的资源消耗，保持、恢复、延长和改善设备的功能，实现材料利用的高效率，减少材料和能源消耗，从而提升经济运行质量和效益。一般说来。通过维修恢复一种产品的性能所消耗的劳动量和物质资源，仅是制造同一产品的几分之一，甚至十几分之一，这种消耗的减少就意味着对环境污染的减少而有利于社会的持续发展。3.4工作环境绿色化工作环境设计，即研究如何给劳动者提供一个安全、舒适宜人的环境。舒适宜人的工作环境包括作业空间足够宽大；作业面布置并然有序;工作场地温度与湿度适中;空气流畅清新；没有明显的振动与噪声;各种控制机构、操作手柄位置合适，工作环境照明良好、色彩协调等。机械制造中各种机床设备照明系统如果设计成可调。工件装卸时照明功率大，切削加工时照明功率小，这样既能保证工作环境照明良好，又能节省电能。四、绿色材料的选择材料是构成工程机械产品的基础，当前工程机械产品绿色化的一个重要发展方向是产品绿色材料的使用比重不断提高。绿色材料义称环境协调性材料或生态材料，是指那些具有良好使用性能或功能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、使用、废弃直到再生循环利用的整个过程中，与环境协调共存的一大类材料。传统的材料选择方法已不能适应绿色产品及绿色没计的要求，必须从更广泛的角度考虑材料的选择，不仅应考虑基本性能要求，更要着重考虑材料的环境属性。在现阶段，选择工程机械绿色材料的主要原则包括：材料本身性能的先进性；材料与环境协调相容性，包括易加工、低毒害、污染小等；尽量采用不加涂镀工艺的材料以及易回收、可再生、分解或降解的材料；尽可能采用回收率较高的零部件和材料；尽量减少所用材料种类、数量。五、绿色制造的国内外发展现状1.国外现状：国外许多国家的政府部门早已推出了以保护环境为主题的“绿色计划”。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环境无害产品的绿色消费的新动向，促进了绿色制造的发展。产品的绿色标志制度相继建立，凡产品标有“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。国际经济专家分析认为，目前“绿色产品”比例已经占据很大一部分，再过一些时间，所有产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，在不久的将来，绿色产品会成为世界商品市场的主导产品。2.国内现状:国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究探索。机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目一一清洁生产技术选择与数据库的建立、机械工业基金项目一一绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。绿色制造是机械加工业等制造业发展的必由之路。绿色制造的理念必将使传统的制造业产生巨大的革命。各制造企业可以通过对产品生命周期中的从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中贯彻绿色制造，充分、合理地利用资源、节约能源、最大限度地降低环境污染，打造出优质绿色产品，实现企业、人类的可持续发展。结论：简单的说，实现绿色制造的途径有三条。首先，是改变观念，树立好良好的环境保护意识，并体现在具体行动上，可以通过加强立法、宣传教育来实现。环境意识不是与生俱来的，必须靠后天的培养与教育，这是一个长期和复杂的教育过程。只有公众的