机械制造技术 课件 9绿色制造技术

机械制造技术玖9.1引言.9.2绿色设计9.3绿色制造工艺9.4绿色包装绿色制造技术教学提示：绿水青山就是金山银山，制造业进行绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使得产品从设计、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（副作用）最小，资源效率最高。绿色制造技术内容包括绿色设计、绿色材料、绿色制造工艺、绿色包装和绿色处理等方面。绿色制造是机器零件加工质量的一个重要指标。绿色制造是从绿色设计的研究开始，进而是绿色制造工艺的研究，它是实现绿色制造的重要环节，同时还要进行绿色包装的研究:主要包括绿色包装材料选择和改进产品结构两方面。教学要求：本章主要讨论绿色制造技术。在绿色制造技术中，对绿色设计、绿色制造工艺、绿色包装等问题从理论上作出阐述，提出机械制造技术进行绿色制造的途径。9.绿色制造技术引言9.1.1加工表面质量的概念9.1.2国内外研究现状9.19.1.3绿色制造技术的意义资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。制造业是将可用资源(包括能源)通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业产品或生活消费品的产业。制造业一方面是制造人类财富的支柱产业；另—方面又产生大量废弃物(物料废弃物、能源废弃物、产品使用终结后的废弃物等)，对环境造成污染，是当前环境污染的主要源头。有鉴于此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前研究的一个重要方面。绿色制造GM（GreenManufacturing），是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、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（副作用）最小，资源效率最高。它包括绿色设计、绿色材料、绿色制造工艺、绿色包装和绿色处理等方面。本章在总结国内外现有研究状况的基础上，对绿色制造技术的研究内容进行简单介绍，主要集中在以下几个方面。1.绿色设计的研究；2.绿色制造工艺的研究:它是实现绿色制造的重要环节；3.绿色包装的研究:主要包括绿色包装材料选择和改进产品结构两方面9.绿色制造技术20世纪60年代以来，全球经济以前所未有的高速度持续发展，但由于忽略了环境污染，结果带来了全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、空气污染、水源污染、土地沙化等恶果。与此同时，消费品的扩散和产品生命周期的缩短，造成了废旧产品数量猛增。在欧洲，每年约有80万吨的旧电视机、电脑、测量装置和300万吨废旧汽车被扔进垃圾场。在美国，由家庭和工厂产生的城市垃圾(MSW)每人每天大约有4磅。据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，这些废弃物包括废金属、废玻璃、废塑料、废纸、工业废渣等。我国仅在1995年，我国的工业固体废弃物就达66.41亿吨，各种工业固体废弃物的综合利用率约为40%。工业生产低效率且过度利用资源和能源，同时大量的产生并向环境排放各种废水、废气、废渣、噪音、电磁等污染物质，使得人类的健康和生存空间受到了严重的威胁。因此，采用绿色的加工手段和工艺措施，将是机械制造业迫切需要解决的问题。9.1引言9.1.1绿色制造产生的客观背景绿色制造(Greenmanufacturing)在国际上的兴起与发展是近十几年的事情，而真正使人们产生共识是1996年美国制造工程师学会(CSME)系统阐述绿色制造的定义、内涵的绿色制造蓝皮书。此后，绿色制造作为当今现代制造模式而引起了发达国家的关注，并使其完善。旨在保护环境、实现资源和能源合理化利用的“绿色”行动在世界各国纷纷兴起，“生命周期评价”（LifeCycleAssessment）、“绿色产品”（GreenProduct）、“绿色设计”（GreenDesign）、“绿色制造”（GreenManufacturing）、“清洁化生产”（CleanerProduction）、“再制造工程”以及“绿色消费”（GreenConsumption）等新理论、新方法、新概念不断涌现。美国、德国、加拿大等国家的学者提出了制造过程的生态影响及其分析方法、环境资源消耗影响最小的持续工业生产模式、“生态工厂”计划、材料生命周期的处理和回收技术，国际上许多跨国公司如IBM、福特、通用、卡特彼勒、丰田、西门子、日立等公司也相继制订绿色制造实施规划目标和具体措施，且已取得实用性成果。9.1引言9.1.2国内外研究现状与世界发达国家相比，我国绿色产品无论是在范围还是数量上都有很大的差距，尚处于初步的萌芽阶段，绿色产品设计方法的研究仅刚刚起步，缺乏系统的绿色产品设计理论和设计原则，没有适宜的绿色产品设计支持工具。不过，绿色设计的研究已经得到国内各方面的广泛重视，环保产业的投资在以15%—20%的速度逐年增加，国内已有几所高校开设这方面的专业和研究方向，针对某些产品和行业，如汽车、电冰箱等，在可拆卸性、可回收性及绿色产品的评价理论和方法方面取得了阶段性的研究成果，但尚待进一步完善。9.1引言9.1.2国内外研究现状目前，在机械加工过程中，许多企业仍沿用高能耗、高投入、低效益的粗放型工业发展模式，资源、能源浪费严重，工业产品的回收利用率很低，既加速了自然资源的耗竭，又污染了环境，非常不利于可持续发展战略的实施。据有关部门统计，我国从1952年到1988年间，国民经济增长8.9倍，而能源消耗增长14.9倍，有色金属增长23倍，铁矿石消耗量增长24倍。如按现在的单位能耗和排放量计算，如不采取有效措施，我国脆弱的生态环境将面临难以承受的境地。绿色产品具有可回收、易拆卸、部件或整机可翻新和循环利用的特性，绿色设计是采取从源头控制污染，可有效地利用自然资源，减少环境保护的费用。可以预测，在不久的将来，绿色产品必将商品市场的主导产品，而绿色产品的设计则将成为工业生产行业的规范。如果不实行绿色设计，产品则无法进入国际市场。据统计，2021年北美绿色产品贸易额高达2060亿美元；西欧约2000亿美元；亚太地区1000亿美元。绿色制造作为二十一世纪现代制造模式已成为工业化国家发展的必由之路，尤其是对人均自然资源较少、浪费严重的中国，具有更大的意义。9.1引言9.1.3绿色制造技术的意义绿色设计9.2.1绿色设计概述9.2.2绿色设计的意义9.29.2.3绿色设计的特点9.2.4绿色设计目前所存在的问题产品能否达到绿色制造标准要求，其决定因素是该产品在设计时是否采用绿色设计。传统设计在设计过程中，设计人员通常根据产品基本属性（功能、质量、寿命、成本）指标进行设计，其设计指导原则是：只要产品易于制造并满足所要求的功能、性能，而较少或基本没有考虑资源再生利用以及产品对生态环境的影响。这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环境，影响生产发展的持续性。绿色设计是以绿色技术为原则所进行的产品设计，绿色技术（GreenTechnology——GT）或称为“环境友善技术”（EnvironmentalSoundTechnology——EST），是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。因此，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，在综合考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化相关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到最小。9.2绿色设计9.2.1绿色设计概述绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使所设计的产品满足绿色产品的要求。它包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，涉及产品的整个生命周期。绿色设计要求，在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生产。绿色设计是20世纪90年代开始出现的一股国际设计潮流，是绿色制造技术的关键性环节，它是源于人们对于现代技术文化所引起的环境及生态破坏的反思。在很长一段时间内，工业技术在为人类创造了现代生活方式和生活环境的同时，也加速了资源、能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了巨大的破坏。9.2绿色设计9.2.1绿色设计概述对于绿色设计产生直接影响的是美国设计理论家维克多·巴巴纳克(VictorPapanek)。早在20世纪60年代末著名的工业设计师及教育家维可多·佩帕尼克就出版了在设计界引起强烈反响的著作《为现实生活而设计》(Designfortherealworld)，在书中提出了在当时与众不同的观点，他认为我们周遭的事物都是由设计师创造的，设计师在市场销售和用户满意度方面不单单只是起到“美化”的作用，同时应强调设计师的社会及道德的伦理价值。巴巴纳克认为，设计的最大作用并不是创造商业价值，也不是在包装及风格方面的竞争，而是一种适当的社会变革过程中的元素。他强调，设计应认真考虑有限的地球资源的使用问题，并为保护地球的环境服务。对于他的观点，当时能了解人不多。但是，自从70年代“能源危机”爆发，他的“有限资源论”得到了普遍的认同。这本书的深远影响一直延续到今天。9.2绿色设计9.2.1绿色设计概述尽管绿色设计并不注重美学表现或狭义的设计语言，但绿色设计强调尽量减少无谓的材料消耗,重视再生材料使用的原则在产品的外观上也有所体现。在绿色设计中“小就是美”、“少就是多”具有了新的含义。从80年代开始，一种追求极端简单的设计流派兴起，将产品的造型化简到极致，这就是所谓的“减约主义”(Minimalism)。法国著名设计师菲利普·斯塔克(PhilipStarck,1949－)是减约主义的代表人物。菲利普是一位全才，设计领域涉及建筑设计、室内设计、电器产品设计、家具设计等等。他的家具设计异常简洁，基本上将造型减化到了最单纯但又十分典雅的形态，从视觉上和材料的使用上都体现了“少就是多”的原则。斯塔克设计的路易20椅及圆桌。椅子的前腿、座位及靠背由塑料一体化成型，就好像靠在铸铝后腿上的人体,简洁而又幽默。1994年，斯塔克为沙巴法国公司设计的一台电视机采用了一种用可回收的材料——高密度纤维模压成型的机壳，同时也为家用电器创造了一种“绿色”的新视觉。9.2绿色设计9.2.1绿色设计概述当今人类面临着人口增长迅速、自然资源短缺、环境污染严重等问题，人类无节制地开发利用自然资源，给自身生存环境造成危机。除了工业、农业等生产过程造成的破坏之外，人们日常生活中制造的大量垃圾也给生态环境造成极大的破坏。家庭日常生活资源消耗的大幅度增加。不仅是由于人口的增加，还由于人均物资消费量的增加。有证据表明，地球上50％以上的人在近40年里依然希望生活水平有所提高，这就意味着将消耗更多的资源，产生更多的废弃物。在过去的几十年中，环保技术在制造过程中的运用取得了相当大的进步，如采用适当技术和清洁生产等。现在人们逐渐认识到设计对环保所起的重要作用，“绿色设计”成为关注的焦点。传统的产品设计理论与方法，是以人为中心，从满足人的需求和解决问题为出发点进行的，而无视后续的产品生产及使用过程中的资源消耗以及对环境的影响。因此，对传统产品开发设计的理论与方法必须进行改革与创新。9.2绿色设计9.2.2绿色设计的意义例如，在不少国家和地区，交通工具不仅是空气和噪声污染的主要来源，并且消耗了大量宝贵的能源和资源。因此交通工具，特别是汽车的绿色设计备受设计师们的关注。新技术、新能源和新工艺的不断出现，为设计出对环境友善的汽车开辟了崭新前景。不少工业设计师在这方面进行了积极的探索，在努力解决环境问题的同时，也创造了新颖、独特的产品形象。绿色设计不仅成了企业塑造完美企业形象的一种公关策略，也迎合了消费者日益增强的环保意识。另外，研究表明，为了改变对环境产生影响的挥霍性消费的现状，人类社会的可持续发展和地球资源的可持续利用将是一项极为紧迫的课题，绿色设计必然会在重建人类良性的生态家园的过程中发挥关键性的作用。9.2绿色设计9.2.2绿色设计的意义绿色设计是面向产品全生命周期的设计。从设计开发的角度，产品生命周期有传统设计的产品生命周期和绿色设计的产品生命周期之分。传统设计的产品生命周期包括从环境中提取原材料、加工成产品并流通给消费者使用等几个环节。为了消除或减轻环境污染，产品制造企业不得不去思考，如何通过再循环和重复利用来适当地处置产品，并把产品废弃问题，如回收与拆卸作为设计需求纳入其设计过程。因此绿色设计的产品生命周期是指从原材料生产、产品生产制造、装配、包装、运输、销售、使用直至回收重用及处理处置所涉及的各个阶段的总和。绿色设计的产品生命周期一般主要包括以下几个阶段：(1)原材料获取阶段；(2)绿色产品的规划、设计与生产制造阶段；(3)产品的分配和使用阶段；(4)产品维护和服务阶段；(5)废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置阶段。9.2绿色设计9.2.3绿色设计的特点产品生命周期的各个阶段需要有物料和能源的输入，也有各类废弃物向自然界的输比。绿色设计要对产品生命周期的各个阶段对环境的影响进行分析评价，依据评价结果，产品设计人员即可选择合理的设计方案。绿色设计在产品寿命周期各阶段中都把其绿色程度作为设计目标，即在概念设计及粗略设计阶段，就充分考虑到产品在制造、销售、使用及报废后对环境的各种影响，与产品有关的技术人员都应密切合作，信息共享，运用环境评价准则约束制造、装配、拆卸、回收等设计过程，并使之具有良好的经济性。绿色设计必须遵循一定的系统化设计程序，其中包括：环境规章评价，环境污染鉴别，环境问题的提出，减少污染、满足用户要求的替代方案，替代方案的技术与商业评估等。绿色设计人员应该考虑这样的问题：制造过程中可能产生的废弃物是什么，有毒成分的可能替代物是什么，报废产品如何管理，设计对产品回收性有什么影响，零件材料对环境有何影响，用户怎样使用产品等。9.2绿色设计9.2.3绿色设计的特点绿色设计所关心的目标除传统设计的基本目标外，还有两个；一是防止影响环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。也就是说，避免废弃物产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。绿色设计通常有三个主要阶段，即：①跟踪材料流，确定材料输入与输出之间的平衡；②对特殊产品或产品种类分配环境费用，并确定相应的产品价值；③对设计过程进行系统性研究，而不是将注意力集中在产品本身。从产品的整体质量考虑，设计人员不应只根据物理目标设计产品，而应以产品为用户提供的服务或损害为主要依据。由此可见，绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。9.2绿色设计9.2.3绿色设计的特点综观目前国内外对绿色制造的研究，虽然取得了许多进展，但还有许多方面有待于进一步完善，主要表现在：

(1)在绿色设计中，设计者必须对产品进行生命周期评价，依据评价结果，设计者才能知道是否与环境协调。目前，在评价方法以及与之相应的评价软件工具的发展中还有不少困难有待克服。①首先是缺乏材料和工艺的环境影响数据，设计者不可能同时又是材料、工艺、环境科学方面的专家;②其次，是综合评价不同方面的环境影响还缺乏合理一致的意见；③产品使用和报废阶段对环境影响难以进行量化评价，因为它们取决于用户方面的很多因素。

(2)设计者对产品设计方案的量化评价还不够准确，国外现有的计算机评价软件或多或少地带有主观色彩，可信度也有待提高。国内外虽己建立相应的网站，提供相关的软件和数据，但由于不同国家和不同工艺流程所得出的数据相差较大，因此，还不能作为研究与评价的依据。9.2绿色设计9.2.4绿色设计目前所存在的问题(3)在绿色产品设计中，把环境方面的设计要求转换成特定的、易于应用的设计准则来具体指导设计还难以做到，符合环境要求的绿色材料和工艺选择也还不多，某些对环境并不理想的材料，尚无其他理想材料替代，设计者只得选用这种材料。

(4)在绿色产品设计中，要减少产品对环境的影响，产品生命周期的每一阶段都要妥善对待。产品设计者和制造者只能控制产品最初阶段对环境的影响，要减少产品后续阶段对环境的影响在很大程度上要靠用户。如果产品报废后对环境的影响难以按设计者预定的理想途径进行回收，使产品的设计期望得不到充分的发挥。因此，要使绿色产品设计充分发挥作用需要全社会共同的努力和支持。9.2绿色设计9.2.4绿色设计目前所存在的问题绿色制造工艺9.3.1绿色制造工艺概述9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用9.39.3.3绿色制造工艺的评价指标体系制造是一个复杂的输入输出过程，即输入物料和能源，通过制造过程输出产品和废弃物的过程。绿色制造是一种现代制造模式，它综合考虑了制造业对环境的影响和对资源效率的利用，它的目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售、使用的整个过程中，对资源的利用率最高，对环境造成的有害影响最小。绿色制造工艺是实施绿色制造的基础，它综合考虑制造T(时间)、Q(质量)、C(成本)、R(资源)、E(环境)五大目标，制定出最优的工艺方案，该方案能可以有效地减少废物和有害物的产生，可以减少加工业对环境的影响，也可以节约资源，降低能量损耗，以提高产品的质量，降低产品的成本，使产品具有更大的市场竞争力。9.3绿色制造工艺9.3.1绿色制造技术的意义绿色制造工艺(GreenManufacturingProcess——GMP)是未来工艺技术的发展方向之一。在具体的物料转化过程中，通过充分考虑制造过程中的资源消耗和环境影响问题，根据制造系统的实际，对制造工艺方法和过程进行优化选择和规划设计，尽量规划和选取物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线，从而减少制造资源消耗，减少对环境的影响。绿色制造工艺技术是以传统的工艺技术为基础，并结合材料科学、表面技术、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。其目标是对资源的合理利用，节约成本，降低对环境造成的污染。根据这个目标可将绿色制造工艺划分为三种类型：节约资源的工艺技术、节省能源的工艺技术和环保型工艺技术。节约资源的工艺技术是指在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。它的实现可从设计和工艺两方面着手。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、少无切屑加工技术、干式加工技术、新型特种加工技术等方法减小材料消耗。由于全球不可再生资源的大量利用，为人类以后的生存提出严峻的挑战。这就是可持续发展的问题，所以节约资源的工艺技术显得尤为重要。9.3绿色制造工艺9.3.1绿色制造技术的意义节省能源的工艺技术是指在生产过程中，降低能量损耗的工艺技术。目前采用的方法主要有减磨、降耗或采用低能耗工艺等。环保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完全消除。目前最有效的方法是在工艺设计阶段全面考虑，积极预防污染的产生，同时增加末端治理技术。在对绿色制造工艺的研究方面，国际上许多大学和研究机构对此做了大量的工作。例如，加州大学Berkeley分校环境意识设计与制造联盟对绿色工艺规划进行了研究，并提出了一种基于特征的绿色制造工艺规划方法和多Agent网络工艺规划；密歇根技术大学的JohnW.Sutherland教授对环境意识机床系统和加工过程中的废物流进行了研究；新加坡南洋理工大学的P.S.Sreejith等人对干切削技术进行了研究；国内在这方面也取得了一些初步成果。目前，绿色制造工艺具有以下特点:9.3绿色制造工艺9.3.1绿色制造技术的意义(1)绿色制造工艺的技术先进性技术先进性是绿色制造工艺实施的前提。在制造过程中应采用先进的技术，以保证可靠地实现加工工艺。需要强调的是，技术先进性并不是指不切实际、不计成本地使用最新技术，而是应选择满足绿色制造要求并符合本厂生产实际的工艺。(2)绿色制造工艺的绿色性资源消耗少和环境污染小是绿色制造工艺的最显著特征。制造过程中资源消耗和环境污染的减少不仅能减少对社会环境的危害，同时有利于劳动者的安全和身体健康。(3)绿色制造工艺的经济性经济性是绿色制造工艺的必不可少的条件。一个产品若不具备用户可接受的价格，就不能走向市场。制造工艺的成本是影响产品成本的最重要因素之一，因此实施绿色制造工艺同样必须考虑工艺成本。9.3绿色制造工艺9.3.1绿色制造技术的意义在机械加工中，绿色制造工艺技术主要是在切削和磨削上采用干式加工的方法来进行加工。常规加工方法中，例如车削、铣削、磨削等，都需要切削液来帮助加工，切削液在加工中主要有冷却、润滑、排屑和清洗的作用。但是，随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。大量切削液的使用造成了很多有害影响，如零件的生产成本大幅度提高，环境污染严重，对工人的身体健康造成危害等。干式加工是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。由于在加工过程中不采用切削液，所以可获得洁净无污染的切屑，省去了切削液及其处理的大量费用。这种加工方法从原理上来讲并不陌生，比如铸铁的干铣削加工就在实际生产中使用了很长时间。但是现在我们所说的干式加工并不是只在铸铁材料的加工中应用，而是要在所有材料的加工中采用干式加工技术。目前，德国在干式加工方面的研究和应用处于国际领先地位。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用一、干式加工干式加工常用有干切削加工和干磨削加工两种方法。干切削加工方法有很多种，如干车削、干铣削、干钻削、干式螺纹加工、干式齿轮加工等。其中干车削是研究和应用最多的一种加工方法。美国Leistritz公司在加工丝杠时，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，加工一根丝杠需要近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。在干磨削加工中，现在采用的一种较为有效的方式是强冷风磨削。强冷风磨削是通过热交换器，把压缩空气用液氮（－190°C）冷却到－110°C，然后经喷嘴喷到磨削点上（由于温度下降，原来空气中的水份会冻结在管道中，因此需使用空气干燥装置），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10μm以内的椭圆度。目前，采用CBN砂轮的强冷风磨削技术在实际应用中有很好的效果。CBN砂轮的磨削比约为30000，在加工过程中砂轮几乎不磨损，所以在磨屑中也没有砂轮的粉末，设置在磨削点下方的真空泵吸入的磨屑的纯度很高，易于直接再次回收利用。由于在加工中不采用磨削液，所以磨削效率也更高。干式加工并不是简单的取消切削液就可以实现，它对刀具材料、机床结构、工艺技术等均有较高的要求。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用1、刀具技术干式加工对刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性，良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性，现在立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）、超细晶粒硬质合金等超硬材料已经广泛应用于干切削。经研究表明，高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后也可以用于干切削。在对刀具的几何参数和结构设计时，要满足干切削对断屑和排屑的要求。对韧性材料的加工来说，断屑是很关键的，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。2、机床技术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，带走切削热量，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，这样可以减少热量传到工件、刀具和机床上。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。现在的切削加工技术已朝着高速、超高速方向发展，高速切削机床的发展给干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，并配以机床补偿装置。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用3、工艺技术对机械加工来说，要实现干切削，工件材料在很大程度上起着决定性的作用。其中，超硬合金最难进行干切削，钢次之，而铸铁的干切削性能最好。另外，铝合金材料在加工过程中产生的切屑很容易与刀具发生"咬焊"式粘连，采用高速干切削这种方法可以解决这种问题，实验表明在高速切削中95％～98％的切削热都传给了切屑，切屑与刀具前刀面接触的部分被局部熔化，很容易被切离工件表面，减少了积屑瘤的产生，可提高铝合金的加工精度和表面质量。为了减少高温条件下刀具和工件之间材料的粘结和扩散，要注意刀具材料和工件之间的搭配，还可以采用硬车和激光辅助切削等方法对不适合进行磨削加工的零件和抗拉强度极高的零件进行加工。钛铝钒合金（Ti6Al4V）和反应烧结氮化硅(RBSN)是典型的难加工材料，采用液氮冷却刀具可以对其进行加工。采用干切削和干磨削技术能够节约资源，降低能耗，就目前来看其加工的范围还比较有限，对于干切削来说，应该利用现有的刀具材料探索新的加工条件，以达到干切削的要求；干磨削会使磨削液的作用完全丧失掉，在实际应用中还不太多，在研究干磨削方式的同时，还应该积极探索新的磨削方式以达到绿色制造的要求。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用二、准干式加工干式加工并不是简单的取消切削液就可以实现，它对刀具材料、机床结构、工艺技术等均有较高的要求，所以目前它的应用范围还比较有限，而完全采用湿加工又有资源浪费和环境保护等方面的问题，如果将干、湿加工的优点结合，既能够达到加工要求，又能够使切削液的费用降到最低，达到与干切削相同的要求，这种切削方式称为准干式切削。准干式切削是一种介于湿式切削和纯干式切削之间的一种切削方式。一般湿式切削时切削液消耗量可能在5L/min以上，而准干式切削时切削液消耗量可能在50mL/h以下。

"汽束"喷雾冷却切削就是目前应用较多的一种准干式切削方式。在切削时采用一定压力（0.3～1MPa）的压缩空气使微量切削液（50～125mL/h）雾化，并以高速喷向切削区，使在该区域高温下呈雾化状态的切削液很快汽化，由于液体在汽化时会吸收大量热量，因而可使切削区域内的热量大幅度下降，使工件变形很小，所产生的切屑通过重力作用落入切削区域下方的收集区内。实验表明，当机床调整到最佳状态时，每工时所消耗的切削液在50～125mL/h之间，刀具、工件和切屑都是干燥的。清洁干净的切屑还可以回收再利用，既不污染环境又可以节约资源。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用三、风冷却切削技术干式加工是绿色制造工艺研究的重点，但是在一定条件下，没有任何冷却措施的干式加工还很难实现，还需要对刀具进行冷却和润滑。在这种情况下，可以采用风冷却切削技术。风冷却切削技术是将空气供给源的空气经过除湿器将水份除去后，送入空气冷却器冷却至－30℃，再经绝热管由风嘴将冷风送至切削部位，同时向加工点喷少量的无害植物油，以防锈并且有一定润滑作用。在风嘴的对面设有集尘装置以收集废屑和风尘，通过集尘器内的过滤器将切屑滤去。但是目前风冷却切削技术还存在以下问题，如切屑收集、纯风冷时刀具的润滑、已加工工件的防锈、冷风的噪声，还要从解决这几个问题着手，对风冷却切削技术进行研究。总之，绿色制造加工技术已是世界工业发展的潮流，它必将随着人类可持续发展战略的提出和经济全球化的趋势，显示出它的优势。因为追求生存环境的质量已是人类共同的价值趋向，绿色加工业作为符合人类这一价值趋向的新兴工艺前景广阔，做好绿色制造工艺的产、学、研已成为当务之急。9.3绿色制造工艺9.3.2绿色制造工艺技术在机械加工中的应用制造业要实现可持续发展，就需要经济效益和社会效益的协调优化。但长期以来，由于技术水平落后、环境意识薄弱，我国制造业的资源浪费和对环境的污染都极其严重，劳动者的生产环境安全和健康保护也不能得到很好的保障，这对于21世纪的制造业来说已不合时宜。从对产品的开发设计、加工制造、流通、使用、报废处理到再生利用的整个生命周期的分析可以很容易的发现，造成资源浪费和环境污染的原因是多方面的，生命周期的每个阶段都需要考虑。产品的开发设计是造成资源浪费和环境污染的关键环节，但当产品设计方案己定的情况下，资源消耗和环境污染的大小就很大程度上取决于制造工艺方案的好坏，即制造工艺的绿色性如何。对机械加工工艺而言，工艺规划的主要内容包括产品零件的合理设计和制造加工工艺方法的选择、工艺设备的选择、工艺参数的优化以及工艺方案的制定等，以上内容实际上是根据加工要求和目标而进行的一系列决策过程。由于产品零件与工艺方案之间存在多对多的关系，同一零件可采用不同的工艺过程加工制造，甚至同一零件的同一加工面都可以采用很多种工艺方法来加工，采用不同的工艺方法，零件在加工过程中的资源消耗情况是大不一样的，即使采用同一工艺，工艺条件(如工艺参数、工艺设备)不同，加工过程中所消耗的资源也会有很大差别，从而对环境的影响也不一样。为减少资源消耗和环境污染，需要寻求一种符合实际生产情况的绿色制造工艺方案。工艺前景广阔，做好绿色制造工艺的产、学、研已成为当务之急。9.3绿色制造工艺9.3.3绿色制造工艺的评价指标体系传统工艺的目标主要是追求更短的加工时间T(Time)、更好的加工质量Q(Quality)和更低的加工成本C(Cost)，对绿色制造工艺而言，只考虑上述三个目标显然是不够的，而应该把资源消耗R(Resource)和环境影响E(Environment)作为重要因素加以考虑。绿色制造工艺在追求TQC的基础上，强调尽可能少地消耗资源R(Resource)(这里的R主要指物料、设备资源和能源)和尽可能少地影响环境E(Environment)，即形成绿色制造工艺规程的TQCRE评价目标，如图9.2所示。9.3绿色制造工艺9.3.3绿色制造工艺的评价指标体系图9.2中各目标变量旁边的箭头表示追求的目标变量的变化方向，即时间希望越小越好，质量希望越高越好，成本希望越低越好，资源消耗希望越少越好，环境影响希望越小越好。以上5个目标之间存在着密切的联系，绿色制造工艺中任何一个评价和决策问题都与上述5个目标变量中的某些或全部有关。绿色制造工艺包括五大方面的目标，而每一个目标又包含多指标，通过对制造工艺的分析研究，可以得出绿色制造工艺的评价指标体系，如图9.3所示。9.3绿色制造工艺9.3.3绿色制造工艺的评价指标体系绿色包装9.4.1绿色包装概述9.4.2绿色包装的发展概况9.49.4.3绿色包装的主要内容及特点9.4.4绿色包装的分级9.4.5绿色包装的实现在全球化考虑生态平衡，保护环境，节约能源的背景下，国际社会普遍进行绿色包装项目。本节将对简要的介绍绿色包装的有关知识。产品的包装已经成为绿色设计与制造的一个研究热点。各式各样的废弃包装物占据了废弃物中很大的份额。据报道，1990年美国约产生2亿吨城市固体废物，其中1/3为产品包装。这些包装材料的使用和废弃后的处置给环境带来了极大的负担。尤其是一些塑料和复合化工产品，很多是难以回收和再利用的，有的材料的降解周期甚至长达上百年，只能焚烧或掩埋处理，给环境带来了极大的危害。为此，许多发达国家都制定了欧洲标准委员会最近制定了新的规定，强调要在包装物的设计制造中就考虑包装品使用后能够尽量被回收，从而减少对环境的污染。欧共体则从包装品的生产及其成分，可被多次运输及使用和再利用三个方面实施新的环境标准。1993年，德国还颁布了“回收”法令，强制要求制造商回收所有的包装材料。一方面要求制造商减少包装材料的使用，另一方面也要求减少有毒（害）材料的使用（税收相对较重）。产品包装一方面应摒弃求新、求异的消费理念，另一方面应该从设计的角度，去改善现有产品包装浪费资源、污染环境以及处置费用昂贵的不足。关于绿色包装设计方面的研究主要集中在：(1)选择和开发绿色包装材料，例如，英国ICI综合化学公司利用名为Alcaligenceseutrophus的微生物，由葡萄糖和丙酸发酵生产出名为Biopol的“生态聚合物”，这种聚合物可以融化、注塑和回收，性能和基于石油的塑料非常近似。而且，废弃后可以完全分解为二氧化碳。由于该材料的年产量仅有600吨左右，价格3000日元/kg，非常昂贵，因此这种产品目前主要应用于医疗器械和高档化妆品的包装。但由于可降解材料的研究才刚刚起步，在品种和材料特性等方面还远远不能满足人们的要求。9.4绿色包装9.4.1绿色包装概述(2)尽量使用回收得到的材料用于产品包装，回收重用包装材料，不仅能提高包装材料的利用率，减少生产成本，而且可以在包装材料的形成过程中节省大量的能源和其他的资源消耗，同时减少对环境的排放。例如目前铝制饮料罐在世界上非常流行，在日本铝制饮料罐的年产量高达三十几万吨，占铝总产量的8%，而将废铝罐再生成铝罐的年生产能力只有约2万吨，只占回收量的1/4～1/3。然而在铝的生产过程中的能量消耗主要是在脱氧阶段，而金属铝的再生只需适当加热熔化，其能量消耗只占原铝（从氧化物提炼的纯铝）生产过程能耗的1/20。另外，金属铝的再生还可以减少对宝贵的不可再生资源铝矾土的开发（回收一吨废铝可节省五吨铝矾土），因此通过加大废铝罐的收集、分类力度，经过一些加工实现铝的重用，将产生巨大的社会和经济效益。(3)尽量选用无毒性材料，减少危险材料的使用；包装设计时应该尽量避免采用有毒有害的包装材料。欧美一些发达国家对此已有越来越严格的立法和规定，要求减少和避免使用含铅、铬、镉等对人体健康和生态环境有害的材料；一些国家和组织还限制PVC（聚氯乙稀）等材料的使用，以减少其制造和废弃后对环境造成的危害，尤其是对添加了Phthalate（邻苯二甲酸酯，一种增加PVC塑性的材料）的PVC，因为这种添加剂极易污染所包装的食品，对人体健康有很大损害。(4)改进产品结构，改善包装改进产品结构，减少重量，也可改善包装，降低成本并减小对环境的不利影响。如增加产品的结构强度及其抗破坏能力，从而降低对包装材料的要求。DEC公司的研究表明，增加其产品的内部结构强度，可以减少54％的包装材料需求，并可降低62％的包装费用。9.4绿色包装9.4.1绿色包装概述绿色包装（GreenPackage），又称环境之友包装（EnvironmentalFriendlyPackage）或生态包装（EologicalPackage）。作为可持续发展的组成部分，绿色包装日益引人关注。它起源于1987年联合国环境与发展委员会《我们共同的未来》报告，到1992年6月联合国环境与发展大会通过了《里约环境与发展宣言》、《21世纪议程》，得到了进一步的完善。1975年，世界第一个绿色包装的“绿色”标识在德国问世。之后，许多国家也开始实行产品包装的环境标志。如加拿大的“枫叶标志”，日本的“爱护地球”，美国的“自然友好”和证书制度，中国的“环境标志”、欧共体的“欧洲之花”，丹麦、芬兰、瑞典、挪威等北欧诸国的“白天鹅”等。9.4绿色包装9.4.2绿色包装的发展概况1993年6月国际标准化组织成立了“环境管理技术委员会”（TC207），制订环境管理标准。迄今为止，TC207委员会己制定部分标准（如ISO14000）并颁发实施。美国的企业界、包装界纷纷实施ISO14000标准，并制定了相关的“环境报告卡片”，对包装进行寿命周期评定，完善包装企业的环境管理制度。日本1994年10月成立了环境审核认证组织。欧共体也于1993年3月提出了《欧洲环境管理与环境审核》，并于1995年4月开始实施。目前，我国部分企业也开始实施ISO14000系列标准，但与国外相比，尚有一定差距。9.4绿色包装9.4.2绿色包装的发展概况绿色包装是指符合环保要求，无毒、无污染、可以回收利用的包装。在绿色包装革命中，不仅对包装废弃物的处理方式有全新的变革，也使得包装材料的安全性、包装标准等许多方式都面临新的挑战，由于包装问题造成的环境污染十分严重，治理污染的代价也大得惊人。因此，世界许多国家都纷纷立法，把推行“绿色包装”作为头等大事。绿色包装一般应具有五个方面的内容：一、实行包装减量化（Reduce）。包装在满足保护、方便、销售等功能的条件下，材料用量最少。二、包装应易于重复利用（Reuse），或易于回收再生（Recycle）。如在日本兴起了多功能包装，这种包装用过了之后，可以制成展销陈列架、储存柜等；三、包装废弃物可以降解腐化（Degradable），其最终不形成永久垃圾。目前已开发研制出多种可降解塑料。如有的塑料包装品能够在被弃理入土壤后，成为土壤中微生物的食物，在很短时间内化为腐殖质等。即当今世界公认的发展绿色包装的3R1D原则。四、包装材料对人体和生物应无毒无害。包装材料中不应含有有毒性的元素、病菌、重金属；或这些含有量应控制在有关标准以下。五、包装制品从原材料采集、材料加工、制造产品、产品使用、废弃物回收再生，直到其最终处理的生命全过程均不应对人体及环境造成公害。值得注意的是绿色包装是个动态概念，具有阶段性，其标准会随科技与生产发展而变化。例如，相对于200～400年方可降解的普通塑料而言，两周内便可降解的纸质模塑，当然算绿色包装；但技术到一定程度后，又有了更节约的包装了。同时，绿色包装不仅取决于本身材料特点，还取决于外部条件。例如：欧盟禁止使用纸、金属复合包装，因为它不利于企业回收与利用，将其排除在绿色包装之外。而日本最新研制出一种新技术，可以把铝箔或聚乙烯从纸上剥下来，这样易于回收再生利用，它便可算成绿色包装。总之，绿色包装的内容随着科技的进步，还将有新的内涵。9.4绿色包装9.4.3绿色包装的主要内容及特点绿色包装分为A级和AA级。A级绿色包装是指废弃物能够循环复用、再生利用或降解腐化，含有毒物质在规定限量范围内的适度包装。AA级绿色包装是指废弃物能够循环复用、再生利用或降解腐化，且在产品整个生命周期中对人体及环境不造成公害，含有毒物质在规定限量范围内的适度包装。上述分级，主要考虑是首先要解决包装使用后的废弃物问题，这是当前世界各国保护环境关注的热点，也是提出发展绿色包装的主要内容。在此基础上，进而解决包装生产过程中的污染。采用两级分级目标，可使我们在发展绿色包装中突出解决问题的重点，重视发展包装后期产业。在我国现阶段，对于所有有利于减少或解决废弃物污染的措施或材料，都应给予积极的扶持和促进，最终筛选出理想的绿色包装材料。9.4绿色包装9.4.4绿色包装的分级绿色包装的实现包括材料选取、包装的外形设计技术和包装技术等要素，材料要素包括基本材料(纸类材料、塑料材料、玻璃材料、金属材料、陶瓷材料、竹木材料以及其他复合材料等)和辅助材料(黏合剂、涂料和油墨等)两大部分，是包装三大功能(保护、方便和销售)得以实现的物质基础，直接关系到包装的整体功能和经济成本、生产加工方式及包装废弃物的回收处理等多方面的问题。一、绿色包装设计中的材料1.可降解材料可降解材料是指在特定时间和特定环境下，其化学结构发生变化的一种塑料。可降解塑料包装材料既具有传统塑料的功能和特性，又可以在完成使用寿命之后，通过阳光中紫外光的作用或土壤和水中的微生物作用，在自然环境中分解和还原，最终以无毒形式重新进入生态环境中。目前国际上流行的“可降解新型塑料”就具有废弃后自行分解消失、不污染环境的优良品质。德国发明了一种由淀粉做的、遇到流质不溶化的包装杯，可用于盛装奶制品，这项发明为德国节省40亿只塑料瓶，其废弃后也容易分解掉。美国研究出一种以淀粉和合成纤维为原料的塑料袋，它可在大自然中分解成水和二氧化碳。荷兰和意大利等国已立法规定某些塑料包装材料必须采用可降解塑料，有害环境的包装一律不得投放市场。

9.4绿色包装9.4.5绿色包装的实现2.纸制品包装由于纸制品包装使用后可再次回收利用，少量废弃物在大自然环境中可以自然分解，对自然环境没有不利影响，所以世界公认纸、纸板及纸制品是绿色产品，符合环境保护的要求，对治理由于塑料造成的白色污染能起到积极的替代作用。目前，国内外正在研究和开发的纸包装材料有一次性纸制品容器、利用自然资源开发