現代制造方法

——綠色制造機械工程系：陳春何為綠色制造？綠色制造技術是指在保證產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式。它使產品從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環境污染或環境污染最小化，符合環境保護要求，對生態環境無害或危害極少，節約資源和能源，使資源利用率最高，能源消耗最低。綠色制造內涵2個實現目標：一是保護環境,一是最有效地利用有限的資源。全過程控制：在構思、設計、制造、裝配、運輸、銷售、售后服務及產品報廢后回收的整個產品周期中每個環節均充分考慮資源和環境問題，以實現最大限度地優化利用資源和減少環境污染。3項具體內容：綠色生產過程、綠色產品和綠色資源。背景制造業給人類帶來了前所未有的文明和財富,也帶來了嚴重的環境問題。據統計，制造業每年約產生55億t無害廢物和7億t的有害廢物，其污染物排放量占總量的70%以上。背景地球上的資源是有限的。據專家估計，金、銀、鉑、鋅、銅、鎢等貴金屬及石油、煤等將于21世紀中期被采完。背景

1992年里約熱內盧聯合國環境與發展大會提出了可持續發展的新思路。我國制定了《中國21世紀議程》，將環境保護作為我國21世紀可持續發展的核心內容之一，并將采取包括實施“綠色計劃”在內的一系列環境保護行動。日本提出面向21世紀的智能制造系統(IMS)研究開發計劃中的一個重要研究內容就是清潔制造。美國21世紀戰略—敏捷制造也強調企業對社會的正效應。德國“制造2000”戰略計劃的主要目標之一是清潔制造綠色制造研究的內容1、宜人性盡量減少和消除產品在制造和使用過程中對人體的危害，如電磁輻射、噪音等；采用人機工程學的原理，在產品制造和使用過程中讓人感到舒適。綠色制造研究的內容2、節約資源（能源、材料資源和人力資源）所謂節能，就是要求產品的制造和使用較以前能顯著地節省能量，能高效率地利用能源。或者是以安全、可靠和取之不盡的能源為基礎。如太陽能；所謂節材，就是要求盡量減少使用地球上稀少的礦物材料和與生態環境密切相關的動植物資源；充分利用高度發達的信息技術、通訊技術和計算機技術，最大限度地充分合理地利用包括人力資源在內的各種資源。綠色制造研究的內容3、延長產品的使用周期①提高產品質量②可擴展升級③可重復使用綠色制造研究的內容4、可回收性①產品中所用材料種類盡量簡化，這將有利于產品報廢后的材料分離工作。②可拆卸設計，因為拆卸和材料分類是產品失效后回收利用的必經之路，可拆卸產品還可減少包裝和運輸費用。③材料的可重用性，如選用可回收的塑料。綠色制造研究的內容5、清潔性是指產品制造和使用過程中對環境的少無污染性。因此要研究和采用少污染、無污染的制造技術，減少乃至消除制造過程中的“三廢”(廢氣、廢液和廢物)的排放；同時在產品設計選材時，對那些還無法回收的零件要盡量采用在自然環境中容易分解的材料，如包裝材料采用以玉米為原料的生態泡沫塑料，它不存在用后處理問題。綠色制造主要技術1、綠色原材料綠色制造原材料的選擇要求設計人員改變傳統的選材方法，在滿足基本功能的前提下，要考慮具有良好的環境兼容性的材料，盡量選用無毒、低能耗、少污染材料，選用可再生材料及可回收材料,提高資源利用率。綠色制造主要技術2、綠色設計綠色設計是一種全新的設計理念，又稱為生態設計、環境設計、生命周期設計。是在產品全部生命周期內，著重考慮產品環境屬性(節能性、可拆卸性、長壽命、可回收性、可維護性、可重復利用性等)。要求產品在生命周期的各個階段并行考慮。綠色制造主要技術3、綠色生產是將綠色設計的思想轉化為最終產品的過程，主要包括綠色工藝、綠色生產設備、綠色環境、綠色管理等。綠色生產要求比常規方法能顯著地節約能源、節省資源。同時在生產過程中，最大限度地避免或減少對人體的危害，如電磁輻射、噪音、有毒氣體、有毒液體對環境的污染。綠色制造主要技術4、綠色包裝從環境保護的角度出發，摒棄那些求新立異的消費理念，優化產品包裝方案，使得資源消費和廢棄物產生最少。實施綠色包裝設計，減少包裝材料，考慮包裝材料的回收、處理和循環利用；使用無毒、無污染、可以再生和降解的材料。使包裝做到“3R1D”(Reduce減量化、Refuse回收重用、Recycle循環再生、Degradable可降解)。綠色制造主要技術5、綠色使用充分利用人機工程學的原理，使產品在使用過程中舒適、省力、方便、并且令人愉快，絕對保證使用過程的安全、無污染。綠色制造主要技術6、綠色回收和處理產品的回收處理是個系統工程，從產品設計的開始就要充分考慮這個問題。要采用針對拆卸的設計，考慮回收中的后勤運輸問題、回收產品狀態的可能變化、一些零件被損害或腐蝕等問題。報廢的產品應及時回收、處理。一方面，經拆卸后，零部件可以重新使用，節省了大量原材料；另一方面,也減少了環境污染。因此在產品考慮過程中，要使產品易于拆卸，是不同的材料可以很方便地分離開，以便于循環使用、再生或降解。綠色產品循環圖一、綠色設計1、綠色設計概念在產品設計過程中，通過工業設計師充分考慮社會——經濟——技術因素，對產品的全壽命周期進行合理的設計，使得產品在實現自身功能的同時，兼顧資源、環境因素以及用戶的綠色實用感知因素，實現產品的可持續發展。維護人類地球綠色環境的設計。就是不破壞地球資源、不危害地球環境的設計。系統有序地探索人類產業發展與社會文明的關系，有效合理地緩解高科技下工業化社會與生態環境的沖突，在此基礎上進行產品的設計和開發。1、綠色設計概念制止不必要的不合時宜的浪費資源和片面宣傳的所謂不斷變化和出奇的需求刺激及風格追求。綠色設計要求設計師們從設計倫理學出發，詳盡考察研究新產品的生命周期的全過程，考慮新產品在生產全過程以及使用全過程中對自然環境，對人的影響，除此之外還要考慮產品廢棄的后果和處理方面是否可行，也就是盡可能鼓勵企業生產壽命更長一些的產品和選用那些可以馬上再生產或再使用的材料進行生產，以有效地利用地球的資源與能源。1、綠色設計概念一般設計：產品的功能、性能、壽命、成本等技術和經濟屬性綠色設計：除上述屬性外，還要重點考慮產品在生產、使用、廢棄和回收的過程中，對環境和資源的影響。2、綠色設計原則從工業設計的角度談，設計的物品要盡量符合4R的綠色設計資源回收系統的原則。減量（REDUCTION）重復使用（REUSE）回收（RECYCLING）再生（REGENERATION）2、綠色設計原則減量設計準則在不影響產品功能的前提之下，減少產品的體積和用料。在產品設計時應力求結構之單純及外觀的簡單樸實。減少電鍍、印刷、燙金，以咬花等方式替代。減少不必要之功能。減少產品制造和使用之能量消耗。2、綠色設計原則重復使用設計原則延長產品壽命，產品外型改變長期化產品功能模組化零件規格化，容易取得，設計易替換零件之結構加強售后服務及維修的體系2、綠色設計原則回收設計準則設計時設計師必須使產品易于拆卸分類原料的使用種類盡量單一化，避免不相容之復合使用最好標示每一種原料，以利于分類再處理、利用產品的回收及再利用是綠色設計步驟之最后一道防線，所以產品應設計成具有易回收或再利用的特性。2、綠色設計原則再生設計原則簡化表面加工程序盡量多使用二次回收料多利用回收材特性于新產品設計2、綠色設計原則設計的要點：在新產品設計中盡可能節省材料。在產品設計中選用可以再生或是易于再生的原材料。在產品設計中，盡最大可能避免使用危害環境的材料或不易回收再生產的材料。在產品設計中需考慮工藝生產過程與家庭消費使用中的節能問題。所設計的產品是否可以重復使用。新產品設計必須是健康的、安全的、與環境融洽的生命周期長的設計。綠色設計中的材料選擇準則序號準則內容1材料相容性2提高材料的利用率3盡量選擇綠色材料和可再生材料4采用清潔型可再生能源5材料能量利用率最高6材料生命周期的排放最小7材料的毒性最小……面向制造階段的綠色設計準則序號準則內容1改善構件的承載能力2合理設計機械運動方案3機械裝置的輕型化設計4按照節材原則進行工藝設計5選擇恰當的工藝參數、設備6盡量采用無毒無害的原材料7適度自動化加工……面向包裝運輸的綠色設計準則序號準則內容1通過包裝結構設計，減少包裝物數量2包裝設計中使用回收標志、不同顏色或輔助辨識系統，增強包裝物的回收3盡量選用易于回收的材料4盡量使用回收得到的材料5避免過度包裝6包裝物的重用和重新裝填7包裝體上設計一些易于搬運的結構……面向使用維護的綠色設計準則序號準則內容1減小運動部件的質量2減少運動副之間的摩擦3改進傳動系統，提高傳動效率4采用節能控制，如變頻、模糊控制等5選擇絕熱材料減少散熱和蓄熱損失6進行合理的壽命設計（長壽命設計、均衡壽命設計）7進行維修性設計……面向拆卸回收的綠色設計準則序號準則內容1盡量使用標準件和通用件2通過零部件合并，減少零部件數量3盡量使用兼容性能好的材料組合4盡量減少聯接件的數量和類型5盡量使用易拆卸或易破壞的聯接方式6盡量使用簡單的拆卸路線7設計合理的拆卸基準……3、綠色生命周期設計綠色生命周期設計各階段所需考慮的要點生產階段:設計師可以透過改良產品功能、運用較佳的科技、選擇適當的材料和表面處理的手段，將環境影響減少到最低的程度。運輸階段:設計師可藉由減輕產品重量、減少產品體積、選擇使用最少有害材料和制造的包裝材料等方法，有效減輕運輸階段問題。3、綠色生命周期設計使用階段:設計師應運用其豐富的創造力，設計能解決使用時能源消耗過大與垃圾量增加的產品。再生階段:設計師可藉由節省材料、延長產品壽命、易于支解回收和再生利用的零組件設計，避免不必要的環境傷害。4、產品永續設計策略短程策略(綠色生命周期設計)以現有的產品與服務在設計。產品的重新設計主要著重在制造程序的改善。具體原則有強調耐用運用[潔凈技術]減少能源使用只使用較少毒性物質運用綠色生命周期評估(LCA)4、產品永續設計策略中程策略(綠色功能設計)以提供環保效益的新產品與服務。利:創新產品強調環保品質的保證，同時增加市場競爭力。弊:高度創新產品與服務，其接受程度也可能在市場中產生風險。具體原則有重新定義滿足需求的方式多方了解技術可行性原理導入系統運作強調多功能特性4、產品永續設計策略長期策略(綠色系統設計)以系統服務達到環保效益。期望建立全面[系統架構]，發展新的需求，則更能符合環保效益。具體原則有設計出產品可符合使用習慣并改變行為鼓勵使用更少量的產品強調服務著重系統發展5、綠色設計發展的主要技術永生設計宗旨:延續產品生命周期。具體原則考慮產品適當的使用環境選擇最合適的原料材料要求產品的堅固耐用與造型美觀不退流行以最簡單的功能方式減少故障延長產品使用壽命5、綠色設計發展的主要技術模組化設計主旨:使產品之維修與替換更容易，故障排除快速提升產品使用年限。5、綠色設計發展的主要技術易維修之設計主旨:簡化拆解工作，使不同的材料以快速的分門別類，在考慮過每一組件設計原則后，整個產品應檢查每一項要求是否有達到標準。

具體原則減少零件數目減少材料種類避免使用膠合扣件材料統一5、綠色設計發展的主要技術分離扣應顯而易見，易操作拆解軸操作方向應一致考慮手工拆解的可能性與難易度事先設定零件的拆解程序從下而上組裝連接卡應標準化5、綠色設計發展的主要技術多功能設計主旨:同樣體積、用料及成本，通過產品設計適時的增加產品功能，提升產品的附加價值5、綠色設計發展的主要技術材料使用單一化設計產品生命周期最后階段所需考慮的設計，是為產品廢棄回收流程所做的一種體貼設計，這樣的設計有利于產品的分解回收，節省回收的成本與能源的花費。5、綠色設計發展的主要技術回收再生設計產品回收處理過后，零組件即可在被使用，按其回收的特性加以利用，通過創新設計方法使產品重現再生價值。二、綠色制造工藝什么是綠色制造工藝綠色制造工藝技術是以傳統的工藝技術為基礎并結合材料科學、表面技術、控制技術等新技術的先進制造工藝技術。其目標是對資源的合理利用，節約成本，降低對環境造成的污染。根據這個目標可將綠色制造工藝劃分為三種類型：節約資源的工藝技術、節省能源的工藝技術、環保型工藝技術。什么是節約資源的工藝技術節約資源的工藝技術是指在生產過程中簡化工藝系統組成、節省原材料消耗的工藝技術。它的實現可從設計和工藝兩方面著手。在設計方面，通過減少零件數量、減輕零件重量、采用優化設計等方法使原材料的利用率達到最高；在工藝方面，可通過優化毛坯制造技術、優化下料技術、少無切屑加工技術、干式加工技術、新型特種加工技術等方法減小材料消耗。什么是節省能源的工藝技術節省能源的工藝技術是指在生產過程中，降低能量損耗的工藝技術。目前采用的方法主要有減磨、降耗或采用低能耗工藝等。什么是環保型工藝技術環保型工藝技術是指通過一定的工藝技術，使生產過程中產生的廢液、廢氣、廢渣、噪聲等對環境和操作者有影響或危害的物質盡可能減少或完全消除。目前最有效的方法是在工藝設計階段全面考慮，積極預防污染的產生，同時增加末端治理技術。綠色制造工藝技術具體內容干式加工在機械加工中，綠色制造工藝技術主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法來進行加工。干式加工是在加工過程中不采用切削液的一種加工方法。冷卻液作用在加工過程中經常要用到冷卻液。它們可降低刀具磨損；散掉工件和機床上的熱量，幫助排屑，并去除附在工件、刀具和設備上的切削殘留物。總而言之，它們是保證平穩制造工藝的一個重要前提。制造成本在生產加工中的分配情況干切削干切削加工方法有很多種，如干車削、干銑削、干鉆削、干式螺紋加工、干式齒輪加工等。其中干車削是研究和應用最多的一種加工方法。如美國一家公司在加工絲杠時，采用超硬刀具進行旋風銑削加工，以硬旋風銑削取代軟車削和精磨工序，明顯提高了金屬切除率，加工時間由原170工時減少為1.75h，提高效率近1000倍。干切削干切削干切削干磨削在磨削中不使用切削液,如強冷風磨削干式加工關鍵技術1刀具技術干式加工要求刀具材料要具有很高的紅硬性和熱韌性，良好的耐磨性，耐熱沖擊和抗粘結性現在立方氮化硼（CBN），聚晶金剛石（PCD），超細晶粒硬質合金等超硬材料已經廣泛應用于干切削。高速鋼和硬質合金經過PVD涂層處理后也可以用于干切削。在對刀具的幾何參數和結構設計時，要滿足干切削對斷屑和排屑的要求。干式加工關鍵技術2機床技術干式加工在切削區域會產生大量的切削熱，如果不及時散熱，會使機床受熱不均而產生熱變形，這個熱變形就成為影響工件加工精度的一個重要因素，因此機床應配置循環冷卻系統，帶走切削熱量，并在結構上良好的隔熱措施。干式加工關鍵技術3工藝技術要實現干切削，工件材料在很大程度起著決定性的作用。半干式加工將干、濕加工的優點結合，既能夠達到加工要求，又能夠使切削液的費用降到最低，達到與干切削相同的要求，這種切削方式稱為準干式切削。準干式切削是一種介于濕式切削和純干式切削之間的一種切削方式。一般濕式切削時切削液消耗量可能在5l/min以上，而準干式切削時切削液消耗量可能在50ml/h以下。半干式加工半干式加工相關技術半干式加工“汽束”噴霧冷卻切削就是目前應用較多的一種半干式切削方式。在切削時采用一定壓力（0.3~1MPa）的壓縮空氣使微量切削液（50~125）ml/h霧化，并以高速噴向切削區，使在該區域高溫下呈霧化狀態的切削液很快汽化，由于液體在汽化時會吸收大量熱量，因而可使切削區域內的熱量大幅度下降，使工件變形很小，所產生的切屑通過重力作用落入切削區域下方的收集區內。半干