機械產品綠色設計與制造技術探析

王文平 孫潤晗

摘 要：隨著環保理念的逐步深入人心，綠色設計與制造技術已經成為促進生態工業與循環經濟，推動社會可持續發展的重要途徑。綠色設計與制造技術要求在機械產品設計、制造等全過程中，綜合考慮機械產品的全壽命周期，最大限度地減少機械產品全壽命周期中對于環境的不良影響，以優化資源配置，提高資源利用效率。文章結合綠色設計與制造技術的內涵，對綠色設計、綠色制造技術在機械產品設計制造中的應用進行探討。關鍵詞：機械產品；綠色設計；綠色制造技術

近些年來，生態環境問題越來越嚴峻，并對經濟社會可持續發展及人類生活質量造成了不良的影響。在這一背景下，綠色設計與制造技術應運而生，旨在確保機械產品的使用效能的前提下，最大限度地減少用戶、制造商及環境成本，在機械產品的設計制造全過程，結合機械產品全壽命周期設計方法，遵循機械產品與自然環境的交互規律，全面提高機械產品的綠色性能。

1 綠色設計與制造技術的內涵

綠色設計與制造技術是一項現代化設計與制造技術，其全面考慮了自然環境的影響與資源的綜合利用效率，是可持續發展理念在機械制造行業中的充分體現。其內涵如下：綠色設計與制造技術，是以自然環境影響及資源利用效率為依據的設計制造技術，旨在確保產品設計、加工、制造、包裝、物流運輸、使用、報廢處理等各個環節及全壽命周期中，最大限度地降低對生態環境的不良影響，實現資源利用效率的最大化，全面提升經濟、社會、生態效益。

綠色設計與制造借助于綠色設計、材料、工藝、包裝、管理等生產過程，進行綠色產品的設計、制造與生產，較傳統制造而言存在本質的差別，綠色設計與制造技術，充分體現了當代機械制造領域的可持續發展戰略，是一種現代化設計與制造模式，順應了機械制造行業的發展趨勢，也是現代化機械制造企業全面提高市場競爭力的必經之路。

2 機械產品綠色設計

機械產品綠色設計應滿足如下條件：機械產品設計、制造、使用中最大限度地節約資源、能源，無污染，報廢后能夠回收與循環利用。

2.1 節約資源

采用綠色設計所得機械產品，應是資源節約型產品。在完成相同功能與效能的情況下，綠色設計機械產品所耗資源量最少。例如，在刀具設計時，利用機夾式不重磨刀具來替代傳統焊接刀具，能夠有效節約刀柄的材料；而采用空心軸傳動軸結構替代傳統的實心結構，也節約了大量的優質鋼材。

2.2 節約能源

綠色設計機械產品應當是能源節約型產品，以更好地順應日趨緊缺的能源形勢。例如，可以在機械設備中應用變頻調速裝置，這樣其在低功率下運行時可以有效節約電能。調查顯示，金屬切削機床運行過程中約50%以上的時間均處于低功率狀態，由此可見，在金屬切削機床中可以應用變頻調速裝置，能夠取得顯著的節能效果。

2.3 無污染

無污染指的是對生態環境無污染、對操作者無危害。為了確保綠色設計機械產品無污染或最大限度地減少污染，在綠色設計時，應盡可能選擇無毒、無害、綠色、環保材料進行制造，并對機械產品有害物生成及排放量進行嚴格控制。例如，在液壓傳動設備的液壓系統進行設計時，可以采用新型防污過濾技術，以便有效延長液壓油的壽命及使用周期，有效減少污染物的排放次數與排放量，最大限度地減少污染。為防止對操作人員安全健康產生危害，要求機械產品綠色設計必須滿足人機工程學理論相關要求。例如，在沖壓設備的設計過程中，可以應用雙手觸摸開關，替代傳統腳踏式開關，以防腳踏失誤引發設備及操作人員的人身安全事故。

2.4 回收與循環利用

近些年來，隨著社會物質的極大豐富及產品使用周期的日趨縮短，機械產品在報廢之后如何有效處理成為擺在設計制造人員面前的重大課題。傳統機械產品在設計、加工、制造、使用、報廢過程中都處在一個開放性的環境系統中，機械產品綠色設計過程必須全面考慮到產品報廢之后的回收、處理與循環利用，將機械產品的設計、加工、制造、使用、報廢等過程作為一個整體進行考慮，并組成一個閉環循環系統，正如圖1所示。如金屬切削機床報廢時，可進行回爐冶練處理，而機床很多零部件，如床身導軌等等，只需稍作加工即可用于新機床的床身導軌。

3 機械產品綠色制造技術

綠色制造過程可以采取如下三種技術：資源節約型制造技術、節能環保型制造技術、再生利用制造技術，這三種技術已經成為機械產品綠色制造過程的核心技術。

3.1 資源節約型制造技術

資源節約型制造技術主要包括如下內容：節約制造過程所消耗的能源，節省所耗用的原材料，節約制造中的輔料消耗。

3.1.1 節約制造過程所消耗的能源

制造中所耗費的能量，除一部分轉換成為所需的有用功效以外，多數能量都轉化為熱能等而白白浪費掉了。如普通機床切削量僅占機床總能耗量的30%左右，其余約70%的能量由于摩擦、空轉、發熱、振動、噪聲而損失掉。為了有效減少這部分能量消耗，一方面，應注重提升機械產品的傳動效率，減少摩擦、空轉等情況。如可以采用數控等技術，借助于電主軸，減少傳動鏈傳動過程所引發的能量消耗；另一方面，優化加工制造工藝，選用合適的加工設備，合理確定切削用量，確保設備能夠在高效、滿負荷狀態下運行。在機械產品制造過程中，應分階段開展，粗加工過程中可利用大功率設備，精加工過程中換用小功率設備；同時，注重優化產品、工藝設計，借助于現代化成形技術，以便最大限度地縮減制造中可能產生的能耗。在零部件設計時，應盡可能減少加工表面積，可以借助于凈成形技術，以便縮減機械加工量。

3.1.2 節約所消耗的原材料

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程中，可采用組合式凹模，以節約優質模具鋼；另一方面，對毛坯進行科學設計，借助于精密鑄造、鍛造等先進毛坯制造技術，最大限度地縮減毛坯余量；同時，還應注意對排料與排樣工藝加以優化，以減少各種邊角余料，利用無屑加工等現代化技術，采用冷擠壓成形技術代替傳統的切削加工成形技術，采用快速原形制造技術代替去除加工，以減少材料損耗。

3.1.3 節約制造中的輔料消耗

此外，制造中還會產生很多輔料消耗，包括刀具、液壓油、潤滑油、冷卻液、包裝材料等消耗。因此，必須選取適當的刀具材料等，確定合理的切削用量，借助于不重磨機夾刀具等，科學確定刀具的角度及耐用度等等；就液壓油、潤滑油而言，應注意優化完善液壓潤滑系統，確保系統不存在滲漏情況，并采用有效的過濾、清潔裝置，以便延長液壓油、潤滑油的使用壽命及周期。對于注射機等設備而言，可對潤滑系統加以智能化控制，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，這樣就無需使用冷卻液，采用高性能冷卻液及冷卻方式，以節約冷卻液，采用過濾、清潔裝置，以延長其使用壽命及周期。

3.2 節能環保型制造技術

節能環保型制造技術，是在制造中避免污染環境，營造一個安全、健康的生產環境。主要包括如下內容：減少廢料生成，實現有序排放；減少有害物質生成，實現有害物的科學處理；減小噪音及振動，合理調節溫度，凈化空氣；實現廢料的循環利用等。

3.2.1 減少有害物生成

為了有效避免或減少有害物生成，最佳辦法即加強預防，將廢氣、廢水事后處理方式轉變為事前預防。就機械加工處理中的冷卻這一環節而言，如今已發展了各種新型加工技術工藝，如水蒸氣、液氮、空氣冷卻方式等。

3.2.2 減少噪音污染

采用現代化制造工藝與先進設備，如利用金屬型鑄造替代傳統的砂型鑄造工藝，可以有效減少粉塵，采用壓力機鍛壓工藝替代鍛錘鍛壓工藝，可以降低噪音；優化結構設計，選用新型低噪音、環保材料，以有效降低設備的運行噪聲；合理確定工藝參數，避免自激振動與噪音過大；構建封閉式加工制造單元結構，借助于抽風、隔音、降噪等新技術，避免粉塵擴散、噪音傳播。

3.2.3 優化工作環境

舒適、安全的工作環境，需要足夠的作業空間，且作業面布置有序，溫濕度適宜，空氣清新，無顯著的噪聲，機械色斑控制結構、操作手柄等位置恰當，照明良好等。若將各機床照明系統設置為可調節式，在工件裝卸過程中提高照明功率，切削時減小照明功率，如此可以確保環境照明條件良好，還可節約用電。安全的環境需要設置必要的安全保護措施，制定安全規程，避免機械設備運行中對操作人員帶來危害。例如，高速機床等設備不僅需要設置安全門，還需要確保操作過程中若安全門開啟，則設備無法啟動，這樣可以防止操作人員由于未關閉安全門而引發不必要的安全事故。

3.3 再生利用制造技術

該技術，是在產品報廢之后能夠對其進行拆卸、清洗，對某類零部件采用表面工程、其他加工技術再加工、處理，恢復零部件的原有性能，從而實現再生利用。例如，注射模具型腔由于磨損而報廢時，可利用噴鍍堆焊及打磨加工技術進行處理，恢復零件尺寸與形狀，從而實現再利用。

4 結束語

機械產品綠色設計與制造技術具有如下特點：（1）可持續運用。可以將綠色制造技術持續不斷地應用于社會生產各領域及持續發展全過程中；（2）預防性。結合環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；（3）一體化特點。將大氣、水資源、土地因素作為一個有機整體來考慮，防止污染物在各環境介質中傳播和轉移。總而言之，作為一項新技術，綠色設計與制造技術順應了未來機械制造行業的發展潮流，促進了該行業的可持續發展。

參考文獻

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