制造业的绿色生产技术1

1、制造业的绿色生产技术我国制造业的高速发展导致了资源、能源、环境生态以及可持续发展等方面的许多问题。特别是在机械制造工业中与资源（含能源）和环境密切相关的原材料开采方式、使用方法以及对制造装备设计、零件材料的合理选取等问题，一直受着人们关注，但尚未完全解决。因此，材料的合理使用、管理及整个产品的设计、制造和使用过程按照可持续发展目标，统一在节约资源和防止污染的绿色生产意识之下，乃是本世纪我国制造业的一项主要战略任务。制造业的迅猛发展，对自然资源造成极大污染和浪费，在国内机械制造领域中随处可见，因而 绿色生产技术的推广，宜从防止生态环境污染、 节约资源两方面出发，充分考虑产品的生命周期从零件材料选

2、取直到设计、制造、 管理使用和回收等各个方面，提高产品零部件及其材料的可更新率、可回收率和可重用率。机械制造业的生产模式分析我国制造业的现状，可归纳为如下两种生产模式。（ 1）传统生产模式目前，机械制造业大多数采用传统生产模式，是一个开环生产系统。 社会财富主要通过掠夺自然资源累积起来，从原材料到机械设备的整个生产过程及其生命周期如图1 所示。传统生产模式的典型特征是从自然界获取资源，经提炼后成为各种工程材料。在此过程中大量废气、废水和残余杂质等污染性物质进入环境。 在毛坯成型过程中同样存在大量污染问题。对产品设计一般还需投入大量的人力物力，在产品的制造过程中，不仅有大量的废物归于自然，而且由

3、于生产制造中缺乏柔性，造成了设备资源利用上的严重浪费。在产品使用过程中噪声、废气、废物等的污染问题仍然是破坏环境的主要因素。特别是在部件和设备损坏后，往往成为废弃物造成资源的极大浪费，同时许多有毒有害及无法回收的材料，对环境及主宰环境的人也会造成极大的伤害。（ 2）绿色生产模式绿色生产模式是一种闭环生产系统。它是一种清洁生产方式和废弃物循环利用的生产模式。欲达到这种生产模式，就必须从原料开采到产品报废的整个产品生命周期对材料的回收、利用、处理等全部过程进行考虑。诸如在冶炼时考虑废气、 废水的彻底净化，在材料选择时要详细考虑到产品报废时的材料回收重用及处理之类的问题。在绿色生产模式中这些问题可通

4、过特定的工艺手段和技术措施对整个过程中的每个环节逐一安排解决。比如在零件的设计和制造中标注出它们材料类型和回收方式的代码，便于成组归类处理，实施科学管理，做到有效地利用资源。绿色生产中主要阶段的模式（ 1 ）材料选用及绿色材料选择模式长期以来，由于人们在产品设计中的材料选择上过多地考虑了材料的性能和作用而忽视了其对环境的影响，因而在产品的制造和使用并且也由于较少考虑到材料的回收及循环利用等问题，致使产品成为废品后的回收利用率很低，造成了资源的严重浪费以及对环境的污染。为此，怎样选择材料、选择何种材料 是实现绿色产品设计和制造的一个关键。解决传统加工中的材料选择问题，就是使用绿色材料(Green

5、Material )，即选材时在满足设计要求的基本性能外，尽量选择加工中无污染或少污染且易回收的材料，以减轻对环境的压力，着环境的恶化和人们环保意识的增强，这方面的要求将越来越突出。图 3 为选择工业材料时应考虑的问题。( 2)产品设计及绿色设计模式传统设计方式的出发点是“为制造而设计”、“为产品的功能而设计”， 很少考虑产品的消耗、资源的再生与利用以及对环境的影响。 绿色设计的着眼点是将“为生产而设计”和“为环境而设计”两者紧密相连，综合地考虑了产品的可行性及回收性。绿色设计是绿色生产中至关重要的一环在这个阶段就应考虑产品生命周期全过程的无污染资源低耗和回收性好和对环境的适应性等问题。绿色设

6、计中我们至少应考虑到如下几个问题： 产品的简化复杂的产品结构将导致生产工艺、产品运输及管理上的复杂化，还将造成生产、时间和材料上更多的浪费。因此在设计时，尽量简化那些仅仅起装饰作用的部件，尽量使用多功能部件来简化产品结构，做到既节省原材料，又减少浪费和环境污染。 工艺方法工艺设计应尽量避免一些会产生危害作用和产生危害物质的方法，尽量避免采用那些零件再生使用时材料难处理的工艺方法。例如，镀层或涂复层的金属难于处理，高分子材料在燃烧时会产生有毒气体，电镀时产生含铬（或其它金属）的电镀液也会严重污染环境等。所以在绿色设计中考虑的工艺方法就要注意到产品零件在废弃后带来难处理的工艺问题，从而减少对环境的

7、影响及材料的浪费。 产品的可拆卸性产品设计时，不仅要考虑零件易于装配，在结构设计中还要考虑零部件设计的可拆卸性，应选用易于连接与分离的方式来代替传统的连接方式（如改焊接结构为嵌接结构等），以保证拆卸过程中所要求重用或回收的零件能安全分离，毫无损伤。若拆卸性不好，将造成产品中能回收重复利用的零部件减少，或可能造成零部件的拆卸费用大于零部件的回收价值，使回收变得得不偿失。因此，综合各种因素，无需增加任何成本，在设计阶段时考虑到产品的可拆卸性是完全必要的。 回收再利用回收再利用设计就是在产品设计时就充分考虑产品报废后能回收再利用。实现回收再利用工程，其核心内容要做到原材料的循环使用和零部件的再利用。

8、设计人员在产品开发和设计阶段就综合考虑零部件及材料回收再利用的可能性和可行性回收价值分析、回收处理方法、 回收结构工艺性和回收再制造系统模式等问题，以达到材料资源充分有效利用、环境负面影响最小的绿色设计目的。一般废弃产品的回收处理可以分为图4 所示的几个层次，即整台产品整修翻新后重用；零部件整修翻新后的重用；材料回炉重新熔炼后再用。 显然回收利用的经济效益大小如同上述层次的叙述顺序。无法利用被掩埋的材料纯属资源浪费，至于被焚烧掉的，还可以作为能源被再次开发使用。一般来说，经过产品零部件的回收再利用可使产品成本下降10%30%左右。 产品远输方便性在不减少产品任何功能、不增加其成本的情况下，产品

9、设计时注意到运输的方便性也是至关重要的，因为运输方式的复杂和运输过程中的不当之处可能造成产品损坏报废。总之， 设计阶段考虑环境问题，提高资源利用率控制与减少废物排放的总量，不但可以解决环境问题还可以提高经济效益。 3）制造工艺及绿色制造模式在现阶段，许多产品的生产，基本上仍沿用以消耗资源为特征的生产方式，机械制造过程中，自动化和先进制造技术采用程度的不高，不但浪费了大量的原材料，产品质量难以保证，使废品率提高，而且还会带来环境的污染。净化环境和减少污染的要求日益严格，使绿色制造过程日趋重要， 它将成为本世纪制造业的一个特征标志。目前我国的资源尚不丰富， 并且环境污染问题又非常突出，我国制造业不

10、仅要解决生产过程中的污染和资源浪费问题，更重要的是为社会提供在全生命周期内没有污染、节约资源的各类产品。图 5 所示是绿色生产中的内容及其分层结构，其中涉及的各项制造技术，目前已得到应用，有必要引起关注和重视。 4）管理和绿色管理模式为开创经济与环境协调发展的途径，绿色管理模式也是不容忽视的。在管理方面，政府已颁布和推行必要的质量标准和法规条文，迫使一些企业采取必要的措施来减少废物的产生，并对环保业提出了以预防为主、防治并重的新要求。现有的ISO14000系列的环境管理体系标准， 也是着眼于提高绿色管理水平来达到提高经济效益和减少环境污染的目的。目前， 各企业也根据自己的实际情况，推出一系列环

11、境保护措施，图 6 就是环境管理方面的一种Plan Do Check Action 的管理模式， 它是贯彻绿色管理的一种有效方式，可根据企业中环保措施的实施结果，不断改进，予以完善。结论面向环境和生态的绿色生产是现代工程设计的一种发展趋势。我国的资源并不丰富，环境污染问题已非常突出，推行绿色生产技术是一个非常迫切的课题，况且绿色设计和绿色制造是一个比较新的理念，目前还没有形成一个比较系统、比较完整的设计制造规范和理论体系。这就需要我们先从产品材料的选择、产品的设计、制造、管理等各个方面综合来考虑，促进绿色生产技术的发展一、引言20世纪60年代以来，随着世界经济飞速发展和人口爆炸性增长， 地球环

12、境加速恶化，资源日趋枯竭，生态环境受到严重破坏，危及到 人类的生存和发展。制造业是全社会消耗资源、污染环境的一个重要 方面，据统计，制造业每年约产生 55亿吨无害废物和7亿吨有害废 物，其污染物排放量占总量的70犯上。传统的环境治理方法主要采 用过程末端治理(End of Pipe )，但存在诸多弊端，如部门分割、 增量发展、成本高昂、经济效益恶化、科技惰性等，难以从根本上实 现环境保护与治理。为了从源头上治理环境污染，在宏观上必须遵循 热力学第二定律，在中观上必须采用工业生态学原理， 在微观上必须 实施清洁生产和绿色制造。据美国工业有害废物来源统计表明：金属加工业占工业有害废物 来源的5%在

13、各污染源中名列第4位。传统机械加工的资源利用率 不高，对环境污染严重，损害人体健康。因此，开发和应用绿色机械 加工技术是企业贯彻可持续发展战略的必由之路。二、绿色机械加工的内涵在企业生产力构成中，制造技术的作用约占 60%作为制造业的 基础环节，机械加工能否实现“绿色化”，对于实现绿色制造、清洁 生产和可持续发展起着举足轻重的作用。 绿色机械加工是在企业内部 贯彻可持续发展战略和实施绿色制造的微观体现， 它是在保证产品功 能、质量的前提下，实现整个机械加工过程的优质、高效、低耗及清 洁化，使企业效益与社会效益协调优化。实施绿色机械加工可提高资 源利用率，降低对环境的危害和负面影响，改善机械加工

14、时的人一机 友善性，提高机械加工生产率，提高产品质量，降低制造成本，改善 机械加工柔性，实现机械加工整体最优化。三、实施绿色机械加工的基本程序实施绿色机械加工通常有5个基本程序：预审-评审一方案优选 一方案实施一持续绿色机械加工，其核心内容是机械加工过程评审和 绿色机械加工方案优选两个基本环节。四、绿色机械加工过程评审及方案优选4.1 绿色机械加工过程评审绿色机械加工过程评审是对机械加工过程的现状及废物流、能流等进行调查了解、诊断认识的过程。评审时，根据加工系统特点及其 投入、产出关系，确定企业机械加工过程及加工系统中存在的“非绿 色部位”。通过对机械加工过程及加工系统进行深入、客观的现状审

15、核、分析研究以及对物料平衡和能流的分析，阐明机械加工过程及各 加工单元的功能状态和特性，特别是有关加工过程中资源利用转化、能源物料消耗、废物产生排放的现状及差距。在机械加工过程评审的 基础上，针对系统中存在的差距，围绕机械加工过程中原材料投入、 加工工艺及设备、生产运行管理、产品和废物内部循环等环节，对可 能的节能、降耗、减污部位进行分析，寻找并确定可削减废物、提高 能效、提高效率、降低成本等的潜在因素。这些可能因素包括：原 材料替代和复用（或综合利用）；实施技术革新，对工艺流程设备 进行改造；加强运行与维护管理；调整产品结构，产品报废回用 及再生。上述各因素仅表示对机械加工过程进行优化的一种

16、可能性， 是制定绿色机械加工方案时需要考虑的一个方面，因此并不等同于实施绿色机械加工的具体措施。4.2 绿色机械加工方案优选绿色机械加工方案的优选是按照绿色机械加工评价方法，对加工 方案的技术性、经济性和环境性进行评估。机械加工方案的技术性主要包括加工时间、加工柔性和加工质 量。加工时间是指产品加工时间要短，效率要高；加工质量是指加工 过程中产品所能达到的精度；加工柔性是指加工系统适应外部和内部 环境变化的能力，加工柔性越高越好。机械加工方案的经济性包括硬件和软件两方面。硬件包括基础设 施、设备、原材料、能耗、劳动力、切削液以及废物处理费用等；软 件包括员工培训、保健费用以及各种应用软件。经济

17、性是产品生产过 程中必须考虑的重要因素，一个加工方案若不具备企业可接受的成本 水平，就不具备实际可行性，从而不可能给企业带来效益。机械加工方案的环境性主要包括节能、降耗、环保、劳保四方面 内容。节能是指在生产过程中能源消耗最少；降耗是指在生产过程中资源利用率最高，废物排放量最小；环保是指在生产过程中产生的环 境污染最小；劳保是指在生产过程中确保生产者安全， 对人体健康损 害最小。根据对方案技术性、经济性、环境性的评估结果，即可推荐可具 体实施的机械加工方案，要求所推选的方案与国内外同类方案相比具 有先进性，并在本企业生产中具有适用性和可实施性， 可获得显著的 环境和经济效益。对于推荐方案应编制

18、可行性分析报告，供主管单位 组织专家论证。如在评估过程中未找到可行方案， 就必须返回重新进 行预审、评审程序。当确定的方案实施完毕后，应及时总结经验，找 出缺陷与不足，然后再开始新一轮绿色机械加工的改进，即实现持续绿色机械加工。五、实现绿色机械加工的主要途径按照实施绿色机械加工的基本程序，确定了机械加工过程和加工 系统中的“非绿色部位”，就可以按照选定方案实施绿色机械加工。 实施绿色机械加工的主要途径为网络化、信息化和柔性化。1、网络化制造的网络化，特别是基于Internet/Intranet的制造已成为重要的发展趋势。作为机械制造重要基础的绿色机械加工也需要大力推 进网络化。通过企业局域网将

19、各个分散的加工中心、 数控设备等联接 起来，可便于机械加工控制中心对整个加工进程进行总体监控，同时 还可与企业中的工程设计系统、管理信息系统等各子系统实现集成， 便于优化决策。2、信息化绿色机械加工的追求目标是实现整体最优化加工，即从系统的观点出发，全面考虑企业和整个社会的综合成本，综合分析不同的材料、 零部件、设备等加工因素，优化选择冷却方式、冷却介质及用量、加 工参数等，确定最合理的加工方案，以实现加工时间少、生产效益高、 环境污染小、综合成本低的目标。信息化是实施绿色机械加工的关键 要素及有效手段。为实现整体最优化加工，需要建立加工设备、切削 刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源

20、等相关资料的机械 加工数据库，采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种 绿色机械加工方法（如高速切削、干切削、硬切削、MQL» 进行建模、仿真、虚拟加工和决策，并通过 Intranet与企业的其它数据库 系统互联共享，实现并行设计与生产。3、柔性化现代生产方式已由大批量、单一品种生产逐渐转变为小批量、 多 品种生产，要求生产企业能够根据市场变化作出敏捷反应，快速适应市场需求。绿色机械加工的柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性 和扩展柔性。加工系统应能实现快速重构，对新产品开发及产品更新 换代具有快速响应能力，以最小成本和最短时间适应加工任务及环境 的变化。六、结论(1)实施绿

21、色机械加工的基本程序步骤为：预审一评审一方案 优选一方案实施一持续绿色机械加工。(2)按照实施绿色机械加工的基本程序对整个机械加工过程进 行评审，可找出企业实行绿色机械加工的机会， 进而制订出可削减资 源消耗、减少生产过程有毒物质使用、降低各种废弃物排放、提高生 产效率、降低综合成本的加工方案。(3)通过实施绿色机械加工的基本程序，可核实加工过程中资 源、能源和环境污染的相关资料，确定废弃物的来源、数量及类型， 制定废弃物削减目标及有效的废弃物控制对策， 判定影响企业生产效 率的瓶颈部位和管理不善之处，进而实现绿色机械加工。(4)实现色机械加工的绿基本途径为网络化、 信息化和柔性化。喷雾冷却技

22、术及其应用钛基、银基等高温合金和高强度合金钢等难加工材料的大量应 用，给切削加工带来了很大的困难。由于切削时产生的大量切削热不 能及时散发，不仅使切削刀具的耐用度降低，而且难以保证工件的精 度和表面粗糙度，严重时甚至无法切削。因此，降低切削热对于难加 工材料的加工具有重要意义。对于一般的材料切削加工而言。如何提 高切削效率、延长刀具寿命也是人们一直努力解决的问题。 特别是在 重型车削、铳削加工中，如果能使切削效率提高一倍，则相当于价格 昂贵的重型机床增加了一倍，也就是说，在不增加固定资产投资的情况下，使生产能力翻了一番。而刀具寿命的延长，降低了刀具费用的 消耗，使得生产成本得以降低。刀具在工作

23、过程中的冷却与润滑是解决上述问题的有效手段在工作过程中，有无冷却润滑、冷却润滑的方式对刀具耐用度、切削效 率及加工精度等的提高有很大影响。 近年来，工业发达国家在金属切 削过程中应用喷雾冷却技术，为切削加工提供了新的冷却技术的选 择。目前，除部分进口机床采用了喷雾冷却技术外， 国内其它机床上 应用较少。本文结合我国国情，对生产实践中应用该项技术进行分析 并提出了改进措施。1 .喷雾冷却的机理切削液在金属切削中主要起两个作用， 一是润滑作用；二是冷却 作用。切削液能否充分发挥有效的润滑作用，其渗透能力强弱是一个 重要的因素。常规的浇注式切削液在切削加工中的渗透以液体渗透和 气体渗透两种方式进行：

24、浇注的液体渗透效率较低，在高速切削时效 率更低；气体渗透是由于浇注在切屑表面裂纹中的液体随着切削温度 的上升发生汽化而向前刀面进行渗透的。 试验证明，常规切削液的渗 透能力不强，能够被汽化的液体量很少，使润滑效果受到限制。而喷 雾冷却形成的两相流体，能够弥补切削液渗透能力的不足。气液两相 流体喷射到切削区时，有较高的速度，动能较大，因此渗透能力较强。 此外，在气液两相射流中微量液体的尺寸很小， 遇到温度较高的金属 极易汽化，可从多个方面向刀具前刀面渗透。 虽然射流中的液体量很 少，但被汽化的部分则比连续浇注切削液时多，因而润滑效果较好。在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形，切削区的冷却过

25、程就是固体与流体之间的传热过程。由于流体与固体分子之间的吸引力 和流体粘度作用，在固体表面就有一个流体滞流层，从而增加了热阻。 滞流层越厚，热阻越大，而滞流层的厚度主要取决于流体的流动性即 粘度。粘度小的流体冷却效果比粘度大的流体冷却效果好。汽液两相流体的动力粘度可用下式表示：w = wf ( f - wg)x式中，wf为流体的动力粘度，wg为气体的动力粘度，X为质量 系数，x = Wf/WfWg(Wf为液相质量流量，W耿气相质量流量)。显然，式中w<wf,即气液两相混合流体的粘度 w总小于单相液体 的粘度，亦即喷雾冷却的降温效果要优于单相切削液。气液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做功

26、，消耗了内能，可使温度降低10c左右。喷雾冷却中两相流体有较高的速度，能够及时将铁屑冲走，并 带走大量的热量，进一步增强了降温效果。因此，喷雾冷却实际上综 合了气液两种流体的降温效果和优点。2 .喷雾冷却装置的工作原理喷雾冷却就是把微量液体混入压力气流中，形成雾状的气液两相 流体，通过喷雾产生射流，喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷 却和润滑。喷雾冷却装置工作时，压缩空气经分水滤气器滤除水分等杂质， 通过电磁阀后一小部分压缩空气进入冷却液箱内，将冷却液压出到喷 嘴；绝大部分压缩空气经调压阀将压力调至 0.320.35MPa后经压缩 空气软管到喷嘴与冷却液混合，雾化后喷射到切削区。喷雾冷却技术

27、的关键在于能否把冷却液充分雾化。由于冷却液的 压力略大于压缩空气的压力，二者在气液混合室内混合后，经蛇皮管 式冷却管5由喷嘴头喷出。反之，若冷却液的压力小于压缩空气的压 力，则冷却液将被压回到冷却液箱内。 在一些进口机床的喷雾冷却装 置中，压缩空气是从调压阀后进入冷却液箱的， 因此喷出冷却液时往 往有“喘气”现象。若将压缩空气改为从电磁阀后直接进入冷却液 箱，就可避免“喘气”现象。为了调节喷出的冷却液流量，在喷嘴上安装了冷却液流量调节 阀。一些进口机床所采用的喷雾冷却装置，其喷嘴调节阀为锥形，使 用时通过调整锥面配合间隙的大小来调节冷却液流量。由于加工这种 结构的喷嘴调节阀比较困难，阀杆与阀体锥面的同心度不易保证，从 而不能有效地调节冷却液的流量。试验证明，如将锥阀改成平阀、将 锥面改成平面，并增加一个密封圈，则冷却液的流量可以任意调节。3 .冷却液的选择由于从喷嘴喷出的冷却液成雾状，其中大部分喷到切削区，一小 部分弥散在空气中，为了避免环境污染及对操作者造成伤害，冷却液 的选择非常重要。油类冷却液除了会造成环境污染外，弥散在空气中 的油雾吸附在操作者身上和衣服上， 可能会危害其健康，因此不宜使 用。为了提高防锈、防腐性能，多数常用的乳化液、水剂冷却液都含有亚硝酸钠和三乙醇胺等成份。因亚硝酸盐是一种对人体有害的