機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)探析

王文平 孫潤(rùn)晗

摘 要：隨著環(huán)保理念的逐步深入人心，綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)生態(tài)工業(yè)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)要求在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等全過(guò)程中，綜合考慮機(jī)械產(chǎn)品的全壽命周期，最大限度地減少機(jī)械產(chǎn)品全壽命周期中對(duì)于環(huán)境的不良影響，以優(yōu)化資源配置，提高資源利用效率。文章結(jié)合綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的內(nèi)涵，對(duì)綠色設(shè)計(jì)、綠色制造技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；綠色設(shè)計(jì)；綠色制造技術(shù)

近些年來(lái)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，并對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展及人類(lèi)生活質(zhì)量造成了不良的影響。在這一背景下，綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，旨在確保機(jī)械產(chǎn)品的使用效能的前提下，最大限度地減少用戶、制造商及環(huán)境成本，在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造全過(guò)程，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)方法，遵循機(jī)械產(chǎn)品與自然環(huán)境的交互規(guī)律，全面提高機(jī)械產(chǎn)品的綠色性能。

1 綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的內(nèi)涵

綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是一項(xiàng)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，其全面考慮了自然環(huán)境的影響與資源的綜合利用效率，是可持續(xù)發(fā)展理念在機(jī)械制造行業(yè)中的充分體現(xiàn)。其內(nèi)涵如下：綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，是以自然環(huán)境影響及資源利用效率為依據(jù)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，旨在確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、制造、包裝、物流運(yùn)輸、使用、報(bào)廢處理等各個(gè)環(huán)節(jié)及全壽命周期中，最大限度地降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響，實(shí)現(xiàn)資源利用效率的最大化，全面提升經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益。

綠色設(shè)計(jì)與制造借助于綠色設(shè)計(jì)、材料、工藝、包裝、管理等生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)行綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)，較傳統(tǒng)制造而言存在本質(zhì)的差別，綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，充分體現(xiàn)了當(dāng)代機(jī)械制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是一種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)與制造模式，順應(yīng)了機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是現(xiàn)代化機(jī)械制造企業(yè)全面提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的必經(jīng)之路。

2 機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用中最大限度地節(jié)約資源、能源，無(wú)污染，報(bào)廢后能夠回收與循環(huán)利用。

2.1 節(jié)約資源

采用綠色設(shè)計(jì)所得機(jī)械產(chǎn)品，應(yīng)是資源節(jié)約型產(chǎn)品。在完成相同功能與效能的情況下，綠色設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品所耗資源量最少。例如，在刀具設(shè)計(jì)時(shí)，利用機(jī)夾式不重磨刀具來(lái)替代傳統(tǒng)焊接刀具，能夠有效節(jié)約刀柄的材料；而采用空心軸傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)，也節(jié)約了大量的優(yōu)質(zhì)鋼材。

2.2 節(jié)約能源

綠色設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)是能源節(jié)約型產(chǎn)品，以更好地順應(yīng)日趨緊缺的能源形勢(shì)。例如，可以在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，這樣其在低功率下運(yùn)行時(shí)可以有效節(jié)約電能。調(diào)查顯示，金屬切削機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中約50%以上的時(shí)間均處于低功率狀態(tài)，由此可見(jiàn)，在金屬切削機(jī)床中可以應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，能夠取得顯著的節(jié)能效果。

2.3 無(wú)污染

無(wú)污染指的是對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)污染、對(duì)操作者無(wú)危害。為了確保綠色設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品無(wú)污染或最大限度地減少污染，在綠色設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇無(wú)毒、無(wú)害、綠色、環(huán)保材料進(jìn)行制造，并對(duì)機(jī)械產(chǎn)品有害物生成及排放量進(jìn)行嚴(yán)格控制。例如，在液壓傳動(dòng)設(shè)備的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用新型防污過(guò)濾技術(shù)，以便有效延長(zhǎng)液壓油的壽命及使用周期，有效減少污染物的排放次數(shù)與排放量，最大限度地減少污染。為防止對(duì)操作人員安全健康產(chǎn)生危害，要求機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)必須滿足人機(jī)工程學(xué)理論相關(guān)要求。例如，在沖壓設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以應(yīng)用雙手觸摸開(kāi)關(guān)，替代傳統(tǒng)腳踏式開(kāi)關(guān)，以防腳踏失誤引發(fā)設(shè)備及操作人員的人身安全事故。

2.4 回收與循環(huán)利用

近些年來(lái)，隨著社會(huì)物質(zhì)的極大豐富及產(chǎn)品使用周期的日趨縮短，機(jī)械產(chǎn)品在報(bào)廢之后如何有效處理成為擺在設(shè)計(jì)制造人員面前的重大課題。傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、加工、制造、使用、報(bào)廢過(guò)程中都處在一個(gè)開(kāi)放性的環(huán)境系統(tǒng)中，機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)過(guò)程必須全面考慮到產(chǎn)品報(bào)廢之后的回收、處理與循環(huán)利用，將機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造、使用、報(bào)廢等過(guò)程作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，并組成一個(gè)閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，正如圖1所示。如金屬切削機(jī)床報(bào)廢時(shí)，可進(jìn)行回爐冶練處理，而機(jī)床很多零部件，如床身導(dǎo)軌等等，只需稍作加工即可用于新機(jī)床的床身導(dǎo)軌。

3 機(jī)械產(chǎn)品綠色制造技術(shù)

綠色制造過(guò)程可以采取如下三種技術(shù)：資源節(jié)約型制造技術(shù)、節(jié)能環(huán)保型制造技術(shù)、再生利用制造技術(shù)，這三種技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械產(chǎn)品綠色制造過(guò)程的核心技術(shù)。

3.1 資源節(jié)約型制造技術(shù)

資源節(jié)約型制造技術(shù)主要包括如下內(nèi)容：節(jié)約制造過(guò)程所消耗的能源，節(jié)省所耗用的原材料，節(jié)約制造中的輔料消耗。

3.1.1 節(jié)約制造過(guò)程所消耗的能源

制造中所耗費(fèi)的能量，除一部分轉(zhuǎn)換成為所需的有用功效以外，多數(shù)能量都轉(zhuǎn)化為熱能等而白白浪費(fèi)掉了。如普通機(jī)床切削量?jī)H占機(jī)床總能耗量的30%左右，其余約70%的能量由于摩擦、空轉(zhuǎn)、發(fā)熱、振動(dòng)、噪聲而損失掉。為了有效減少這部分能量消耗，一方面，應(yīng)注重提升機(jī)械產(chǎn)品的傳動(dòng)效率，減少摩擦、空轉(zhuǎn)等情況。如可以采用數(shù)控等技術(shù)，借助于電主軸，減少傳動(dòng)鏈傳動(dòng)過(guò)程所引發(fā)的能量消耗；另一方面，優(yōu)化加工制造工藝，選用合適的加工設(shè)備，合理確定切削用量，確保設(shè)備能夠在高效、滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。在機(jī)械產(chǎn)品制造過(guò)程中，應(yīng)分階段開(kāi)展，粗加工過(guò)程中可利用大功率設(shè)備，精加工過(guò)程中換用小功率設(shè)備；同時(shí)，注重優(yōu)化產(chǎn)品、工藝設(shè)計(jì)，借助于現(xiàn)代化成形技術(shù)，以便最大限度地縮減制造中可能產(chǎn)生的能耗。在零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能減少加工表面積，可以借助于凈成形技術(shù)，以便縮減機(jī)械加工量。

3.1.2 節(jié)約所消耗的原材料

一方面，合理利用原材料，盡可能避免采用有毒、有害、貴重的材料，積極采用可再生利用材料，推行廢棄材料的再生與利用。如大型沖裁模具制造過(guò)程中，可采用組合式凹模，以節(jié)約優(yōu)質(zhì)模具鋼；另一方面，對(duì)毛坯進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，借助于精密鑄造、鍛造等先進(jìn)毛坯制造技術(shù)，最大限度地縮減毛坯余量；同時(shí)，還應(yīng)注意對(duì)排料與排樣工藝加以優(yōu)化，以減少各種邊角余料，利用無(wú)屑加工等現(xiàn)代化技術(shù)，采用冷擠壓成形技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工成形技術(shù)，采用快速原形制造技術(shù)代替去除加工，以減少材料損耗。

3.1.3 節(jié)約制造中的輔料消耗

此外，制造中還會(huì)產(chǎn)生很多輔料消耗，包括刀具、液壓油、潤(rùn)滑油、冷卻液、包裝材料等消耗。因此，必須選取適當(dāng)?shù)牡毒卟牧系?，確定合理的切削用量，借助于不重磨機(jī)夾刀具等，科學(xué)確定刀具的角度及耐用度等等；就液壓油、潤(rùn)滑油而言，應(yīng)注意優(yōu)化完善液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保系統(tǒng)不存在滲漏情況，并采用有效的過(guò)濾、清潔裝置，以便延長(zhǎng)液壓油、潤(rùn)滑油的使用壽命及周期。對(duì)于注射機(jī)等設(shè)備而言，可對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)加以智能化控制，以便最大限度地減少用油消耗；就冷卻液而言，可借助于高速干式切削技術(shù)，這樣就無(wú)需使用冷卻液，采用高性能冷卻液及冷卻方式，以節(jié)約冷卻液，采用過(guò)濾、清潔裝置，以延長(zhǎng)其使用壽命及周期。

3.2 節(jié)能環(huán)保型制造技術(shù)

節(jié)能環(huán)保型制造技術(shù)，是在制造中避免污染環(huán)境，營(yíng)造一個(gè)安全、健康的生產(chǎn)環(huán)境。主要包括如下內(nèi)容：減少?gòu)U料生成，實(shí)現(xiàn)有序排放；減少有害物質(zhì)生成，實(shí)現(xiàn)有害物的科學(xué)處理；減小噪音及振動(dòng)，合理調(diào)節(jié)溫度，凈化空氣；實(shí)現(xiàn)廢料的循環(huán)利用等。

3.2.1 減少有害物生成

為了有效避免或減少有害物生成，最佳辦法即加強(qiáng)預(yù)防，將廢氣、廢水事后處理方式轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防。就機(jī)械加工處理中的冷卻這一環(huán)節(jié)而言，如今已發(fā)展了各種新型加工技術(shù)工藝，如水蒸氣、液氮、空氣冷卻方式等。

3.2.2 減少噪音污染

采用現(xiàn)代化制造工藝與先進(jìn)設(shè)備，如利用金屬型鑄造替代傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝，可以有效減少粉塵，采用壓力機(jī)鍛壓工藝替代鍛錘鍛壓工藝，可以降低噪音；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用新型低噪音、環(huán)保材料，以有效降低設(shè)備的運(yùn)行噪聲；合理確定工藝參數(shù)，避免自激振動(dòng)與噪音過(guò)大；構(gòu)建封閉式加工制造單元結(jié)構(gòu)，借助于抽風(fēng)、隔音、降噪等新技術(shù)，避免粉塵擴(kuò)散、噪音傳播。

3.2.3 優(yōu)化工作環(huán)境

舒適、安全的工作環(huán)境，需要足夠的作業(yè)空間，且作業(yè)面布置有序，溫濕度適宜，空氣清新，無(wú)顯著的噪聲，機(jī)械色斑控制結(jié)構(gòu)、操作手柄等位置恰當(dāng)，照明良好等。若將各機(jī)床照明系統(tǒng)設(shè)置為可調(diào)節(jié)式，在工件裝卸過(guò)程中提高照明功率，切削時(shí)減小照明功率，如此可以確保環(huán)境照明條件良好，還可節(jié)約用電。安全的環(huán)境需要設(shè)置必要的安全保護(hù)措施，制定安全規(guī)程，避免機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中對(duì)操作人員帶來(lái)危害。例如，高速機(jī)床等設(shè)備不僅需要設(shè)置安全門(mén)，還需要確保操作過(guò)程中若安全門(mén)開(kāi)啟，則設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)，這樣可以防止操作人員由于未關(guān)閉安全門(mén)而引發(fā)不必要的安全事故。

3.3 再生利用制造技術(shù)

該技術(shù)，是在產(chǎn)品報(bào)廢之后能夠?qū)ζ溥M(jìn)行拆卸、清洗，對(duì)某類(lèi)零部件采用表面工程、其他加工技術(shù)再加工、處理，恢復(fù)零部件的原有性能，從而實(shí)現(xiàn)再生利用。例如，注射模具型腔由于磨損而報(bào)廢時(shí)，可利用噴鍍堆焊及打磨加工技術(shù)進(jìn)行處理，恢復(fù)零件尺寸與形狀，從而實(shí)現(xiàn)再利用。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)具有如下特點(diǎn)：（1）可持續(xù)運(yùn)用。可以將綠色制造技術(shù)持續(xù)不斷地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各領(lǐng)域及持續(xù)發(fā)展全過(guò)程中；（2）預(yù)防性。結(jié)合環(huán)境影響等一系列因素，由末端治理追溯至源頭，制定有效的方案措施，盡可能減少污染物生產(chǎn)；（3）一體化特點(diǎn)。將大氣、水資源、土地因素作為一個(gè)有機(jī)整體來(lái)考慮，防止污染物在各環(huán)境介質(zhì)中傳播和轉(zhuǎn)移?？偠灾?，作為一項(xiàng)新技術(shù)，綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)順應(yīng)了未來(lái)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展潮流，促進(jìn)了該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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