機械工程中節(jié)材的幾條途徑

索世磊

摘要： 近年來，雖然我國工程機械工業(yè)得到了快速發(fā)展，但由于機械工程中耗材嚴(yán)重，與經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展相矛盾。本文通過對機械工程中耗材現(xiàn)狀的分析，提出了節(jié)材的途徑，并對以后的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞： 機械工程材料消耗節(jié)材途徑

進入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟進入了突飛猛進的發(fā)展期，作為經(jīng)濟發(fā)展重要基石的機械工業(yè)也隨之取得了飛速發(fā)展。然而，在取得成績的同時，還應(yīng)該看到，我們付出了高額的能源代價，能源短缺已成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的致命瓶頸。我國GDP占全世界的4%，而能源消耗卻占到了10%，已成為世界第二大能源消耗國。為維持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，我們必須節(jié)約資源消耗，在機械工程中節(jié)材是社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

一、機械工程中材料消耗的現(xiàn)狀

（一）在機械產(chǎn)品成本中，原材料費用過高。

根據(jù)國家有關(guān)部門對機械系統(tǒng)近萬個企業(yè)進行的統(tǒng)計結(jié)果表明：每年消耗鋼材1000萬噸，占全國的15%—20%。原材料費用平均占機械產(chǎn)品成本的60%以上。

（二）鋼材利用率低。

據(jù)統(tǒng)計，我國機械工業(yè)鋼材利用率權(quán)為60%左右，與發(fā)達國家相比，有10%—15%的差距。每提高一個百分點就意味著可節(jié)約10萬噸鋼材。我國機械工業(yè)的鑄、鍛件綜合廢品率偏高，造成原材料和能源的浪費，有人調(diào)查過部分企業(yè)，鑄鐵件廢品率為12%—14%，鑄鋼件廢品率為10%—11%，有些廠甚至高達20%，而國外一般低于5%。另外我國重要的基礎(chǔ)件的壽命短，如模具僅為發(fā)達國家的1/3。與國家有關(guān)機械系統(tǒng)節(jié)約材料技術(shù)政策中的要求相差甚遠。

二、機械工程中節(jié)材的途徑

機械工業(yè)節(jié)約材料的重點是鋼材等金屬材料，同時也要注意節(jié)約其他原材料。從技術(shù)經(jīng)濟角度來看，機械工業(yè)節(jié)材必須考慮以下四個方面：降低產(chǎn)品的材料消耗；減少制造過程中的材料消耗量；提高產(chǎn)品質(zhì)量；延長產(chǎn)品規(guī)定的服役期間。

（一）采用先進技術(shù)，提高利用率。

采用先進制造技術(shù)，提高鑄件精度，推廣精密性成形技術(shù)，在金屬件生產(chǎn)中擴大中精鍛件比例，使模鍛、精鍛件比例提高60%以上；繼續(xù)推行集中下料、科學(xué)套材、改進下料工藝和裝備，推廣各種精密，自動、數(shù)控編排的切割技術(shù)，采用帶鋸床、中溫剪切等下料新設(shè)備；大力采用先進焊接技術(shù)，減少焊條用量；采用先進的熱處理技術(shù)，提高零部件壽命；推廣可控氣氛，少、無氧化熱處理工藝和鍛造用保護氣氛加熱工藝和裝備，減少金屬氧化損失；采用材料表面處理技術(shù)，提高材料表面性能，實現(xiàn)節(jié)材低耗；對于關(guān)鍵基礎(chǔ)體（軸承、齒輪、彈簧、液壓氣動元件、模具等），擴大采用精煉鋼和脫氧鋼，以及行之有效的熱處理和表面熱處理新技術(shù)，顯著延長其使用壽命。如上海某公司采用切削活塞，其材料利用率為43.5%，改用冷擠壓后可達92%。某大型軸承廠采用高速鐓鍛生產(chǎn)線，使直徑在50mm以下的套圈材料利用率從9.9%提高到42%，一年節(jié)鋼1800噸。

（二）采用先進的防腐蝕技術(shù)，延長設(shè)備的使用壽命。

在國民經(jīng)濟中不論哪個部門都毫無例外地存在著腐蝕問題。腐蝕給人們造成的危害是很大的，它一方面造成設(shè)備、零件等材料的直接損失，另一方面還造成影響正常生產(chǎn)，惡化操作環(huán)境，影響產(chǎn)品質(zhì)量，新工藝不能上馬，設(shè)計保守，以及發(fā)生人身安全事故等一系列重大的損失。據(jù)有關(guān)資料介紹，估計全世界每年腐蝕損失100億英鎊（折合人民幣約590.8億元）。全世界每年金屬的腐蝕損失約為全年總產(chǎn)量的20%，也就是說全世界每年約有1億噸金屬因腐蝕而損失掉。由此可見，腐蝕是自然界的浪費之一。因此，防腐蝕也是機械工程中節(jié)材的又一重大技術(shù)課題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的防腐蝕材料和方法的不斷涌現(xiàn)，防腐蝕技術(shù)也在不斷提高。例如：我軍裝備維修表面工程研究中心在海軍獵潛艇上推廣新型電弧噴涂防腐技術(shù)，可使獵潛艇鋼結(jié)構(gòu)的防腐壽命從5年延長到15年。

（三）擴大應(yīng)用新材料，改善用材結(jié)構(gòu)。

擴大應(yīng)用新材料，改善用材結(jié)構(gòu)，提高用材水平，積極推廣各種高強度低合金鋼、冷成形鋼、冷拔鋼管等高效鋼，使用切削鋼、新型模具鋼、感應(yīng)淬火鋼等節(jié)能節(jié)材新材料；擴大硬質(zhì)合金材料的使用，以及節(jié)約高速鋼和模具鋼等，擴大粉末冶金材料在汽車、拖拉機和家用電器等方面的應(yīng)用；在汽車、農(nóng)機和交通運輸設(shè)備中，開發(fā)應(yīng)用工程塑料和復(fù)合材料。比如用高強度低合金鋼代替普通碳鋼制作一般承載構(gòu)件，重量可以減輕10%—30%的。

（四）提高產(chǎn)品設(shè)計水平，充分發(fā)揮材料潛力。

提高產(chǎn)品設(shè)計水平，充分發(fā)揮材料潛力，降低材料消耗以輕量化為目標(biāo)，大力推廣計算機輔助設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計，有限壽命設(shè)計、防腐蝕設(shè)計和價值工程方法，使產(chǎn)品既可靠安全又結(jié)構(gòu)緊湊，用材合理；適當(dāng)提高材料使用強度等級，充分發(fā)揮材料性能潛力，降低材料消耗。如對EQ-140汽車橋殼進行疲勞研究和優(yōu)化設(shè)計后，每臺減少5千克，新設(shè)計的經(jīng)濟型數(shù)控車床與普通塔車床相比，采用數(shù)控伺服機構(gòu)后，省去刀架和溜板等，零件數(shù)目減少2/5。

（五）大力推廣再制造工程的研究及應(yīng)用。

再制造工程是正在發(fā)展中的一個新興研究領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)，在國外也僅有十幾年的歷史，國內(nèi)有許多單位正在進行再制造領(lǐng)域的研究。全軍裝備維修表面工程研究中心、西安交通大學(xué)等單位使用表面工程技術(shù)進行設(shè)備零部件的再制造研究和應(yīng)用；裝甲兵工程學(xué)院、空軍第一研究所、空軍工程大學(xué)和海軍工程大學(xué)對裝甲車輛、軍用飛機，艦艇的延壽作了大量的試驗和研究工作。20世紀(jì)90年代初以來，國內(nèi)的一些部門對修復(fù)熱處理已經(jīng)做了嘗試工作，如對長期服役過的發(fā)電設(shè)備上的某些重要零件進行修復(fù)熱處理。應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)對重載坦克車輛零件進行再制造修復(fù)和強化，實車考核證明用再制造技術(shù)修復(fù)和強化的零部件比新品的相對耐磨性提高1.9—8.3倍，壽命提高2—3倍。對首鋼從比利時購進的二手連鑄設(shè)備中的三百多件大型軸承座和軋輥，經(jīng)再制造修復(fù)后，已使用數(shù)年。目前一些單位已經(jīng)開始了汽車、計算機、空調(diào)、電冰箱、摩托車等產(chǎn)品零部件再制造的研究工作。再制造工程技術(shù)不僅能恢復(fù)原產(chǎn)品的技術(shù)性能，而且能及時引進新技術(shù)、新工藝和新材料，改進提高產(chǎn)品的技術(shù)性能和可靠性，從而延長產(chǎn)品的使用壽命。再制造產(chǎn)品的費用僅為新品價格40%—60%，達到廢物利用，變廢為寶的目的，為降低材料消耗，節(jié)約原材料開辟了一條新的途徑。

三、對節(jié)材途徑的展望

（一）面臨進入WTO新技術(shù)發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)，發(fā)展再制造業(yè)是應(yīng)付這種挑戰(zhàn)的一種有效手段，使用再制造產(chǎn)品將再制造業(yè)降低成本，節(jié)約資源，減少污染。

（二）將節(jié)約原材料貫穿于原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品設(shè)計制造及使用的全過程，其中在制造過程中節(jié)材是潛力最大、最易見效的一個環(huán)節(jié)。因此要大力開發(fā)和使用先進技術(shù)、工藝和裝備，大幅度提高國產(chǎn)技術(shù)裝備水平，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。

（三）基于以上論述，我建議在上世紀(jì)90年代出臺的有關(guān)節(jié)約材料技術(shù)政策的基礎(chǔ)上，力爭在行業(yè)平均鋼材利用率達80%，鑄造綜合體廢品率下降5%以下，重點骨干企業(yè)下降到3%以下，并將關(guān)鍵基礎(chǔ)件的平均使用壽命延長到30%以上。

四、結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，資源、能源及環(huán)境保護的問題日益突出。因此，材料的工程應(yīng)用必須對之有所考慮，特別是對于大批量生產(chǎn)的零件，所用材料應(yīng)該來源豐富，顧及國內(nèi)的資源及市場供給情況，并應(yīng)盡量選用生產(chǎn)過程耗能低的材料。節(jié)材與節(jié)能的結(jié)果必然減少了環(huán)境的污染，有利于保護生態(tài)環(huán)境。從人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā)，節(jié)約原材料，代用稀缺物資應(yīng)是現(xiàn)代機械制造工程必須繼續(xù)探討的重要內(nèi)容之一。

參考文獻：

［1］翁世修，吳振華.機械制造基礎(chǔ).上海交大出版社，2009.

［2］李柱國.機械設(shè)計與理論.科學(xué)出版社，2010.