绿色制造技术及其应用

绿色制造技术的概念及其应用江苏理工学院贡林欢12机研12110104摘要：绿色制造是实现生态工业和社会可持续发展的关键技术，正在引起人们的高度重视。绿色制造要求在产品的设计和制造过程中考虑产品的整个生命周期，从而实现产品全生命周期对环境的负面影响最小，资源利用率最高。本文介绍了绿色制造技术的内容，同时列举了绿色制造在数控机床上的应用。关键字：绿色制造绿色制造技术数控车床1引言自70年代以来，全球掀起了一场空前壮阔的绿色革命，它从经济到政治，从观念到行为，对整个世界和人类生活产生了巨大的冲击和影响。“建立一个可持续发展的社会”，正成为21世纪全球性社会改革浪潮的一个重要主题。1992年联合国在巴西里约热内卢召开的环境与发展会议发表了《21世纪议程》，提出了全球可持续发展的战略框架。随后，中国政府向全世界推出《中国21世纪议程》，把可持续发展战略列为国家发展战略。《21世纪议程》指出：“地球所面临的最严重的问题之一，就是不适当的消费和生产模式，导致环境恶化、贫困加剧和各国的发展失衡。若想达到合理的发展，则需要提高生产的效率并改变消费，以最高限度地利用资源和最低限度地产生废弃物。”可持续发展战略的提出，使我国企业界面临挑战和机遇并存的局面。它要求企业顺应可持续发展的全球性潮流。然而，对于制造业来讲，一方面，在工业发展史上，制造业以其绝对的优势奠定了其在工业上的基础地位。另一方面，在目前的技术水平及观念模式下，由制造业所带来的各种问题也日益显露。其中十分突出的一项就是对于环境的威胁，现代科学技术日新月异使人类逐步摆脱贫穷，同时亦使人类陷入日益恶劣的自然环境中。“回归自然”已成为人类的共同心声。在当今时代，绿色环境保护运动的兴起，浸染了现代科学技术，也蕴育了绿色制造技术。众所周知，制造业是将可用资源(包括能源)通过制造过程，转化为可供人们使用和应用的工业品和生活消费品的产业。20世纪80年代，特别是80年代后期以来，世界制造业市场竞争不断加剧，给企业带来了越来越大的压力，迫使企业纷纷寻求有效方法：一方面加速技术进步的步伐，促使现代制造过程的组织发生重大的变化，其目的在于使企业能适应市场的需要和变化，以最快的速度设计和生产出高质量的产品，并以最低的成本和合理的价格参与市场竞争。另一方面，制造业在生存和竞争的同时，又不断消耗资源，产生废弃物，造成环境污染，使得环境问题日益恶化，并正在对人类的生存与发展造成严重威胁。制造业是环境污染的主要源头，因此，如何使制造业尽可能较少地产生环境污染是当前环境问题研究的一个重要方面。于是绿色制造(GreenManufacturing)这一全新的概念便产生了。2绿色制造技术的内容2.1绿色设计绿色设计是在产品及其寿命的全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的性能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体负影响减到最小。绿色设计又称为面向环境的设计DFE(DesignfortheEnvironment)。绿色设计的主要内容如图1的框架所示[1]，面向环境的产品设计应包括的内容很广泛，像材料的选择、产品的包装方案设计等环节，考虑这些环节对资源消耗和环境的影响甚大，应把它们单独作为面向环境设计问题的一个子项加以考虑。其中，面向环境的产品方案设计一般是指涉及产品原理、方法、总体布局、产品类型、包装运输等方面的选择和设计。面向环境的产品结构设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的结构(包括有利于包装运输和良好的人机工程的·结构)，以减少资源消耗和浪费，从而减少对环境的负面影响，面向环境的产品包装设计方案，就是要从环境保护的角度出发，优化产品的包装方案(从包装材料的选取、包装制品的制造到包装制品的回收处理及包装成本等的优化)，使得资源消耗和环境负影响最小。图1绿色制造技术的内涵2.2绿色材料绿色材料(GreenMaterials)是指在制备、生产过程中能耗低、噪声小、无毒性并对环境无害的材料和材料制品，也包括那些对人类、环境有危害，但采取适当的措施后就可以减少或消除的材料及制成品。绿色制造中所强调的绿色材料是指在满足一定功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料。绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段，具有最大的资源利用率和最小的环境影响。绿色材料又被称为生态材料(Eco—material)或环境意识材料(Environmentallyconsciousmaterials)。选择绿色材料是实现绿色制造的前提和关键因素之一。绿色制造要求选择材料应遵循以下几个原则：①优先选用可再生材料，尽量选用回收材料。提高资源利用率，实现可持续发展；②尽量选用低能耗、少污染的材料；③尽量选择环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射特性的材料。所用材料应易于再利用、回收、再制造或易于降解。2.3绿色工艺采用绿色工艺是实现绿色制造的重要一环，绿色工艺与清洁生产密不可分。1992年在里约联合国环发大会上，清洁生产被正式认定为可持续发展的先决条件，《中国2l世纪议程》也将其列入其中，并制定了相应的法律。清洁生产要求对产品及其工艺不断实施综合的预防性措施，其实现途径包括清洁材料、清洁工艺和清洁产品。我们所提出的绿色工艺是指清洁工艺，指既能提高经济效益，又能减少环境影响的．工艺技术。它要求在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物及其它有毒化学品的用量，改善劳动条件，减少对操作者的健康威胁，并能生产出安全的与环境兼容的产品。绿色工艺的实现途径包括：①改变原材料投入，有用副产品的利用，回收产品的再利用以及对原材料的就地再利用，特别是在工艺过程中的循环利用；②改变生产工艺或制造技术，改善工艺控制，改造原有设备，将原材料消耗量、废物产生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态的损坏减少到最低程度；③加强对自然资源使用以及空气、土壤、水体和废物排放的环境评价，根据环境负荷的相对尺度，确定其对生物多样性、人体健康、自然资源的影响评价。总之，我们应从生命周期的全过程对绿色工艺进行研究。推行绿色工艺既要从技术人手，更要重视管理和宣传问题。2.4绿色包装选择绿色包装材料作为产品的包装已经成为一个研究的热点。各种包装材料占据了废弃物的很大一部分份额。据报道，1990年美国约产生2亿吨城市固体废物，其中1／3为产品包装。这些包装材料的使用和废弃后的处置给环境带来了极大的负担。尤其是一些塑料和复合化工产品，很多是难以回收和再利用的，只能焚烧或掩埋处理，有的降解周期可达上百年，给环境带来了极大的危害。因此，产品的包装应摒弃求新、求异的消费理念，简化包装，这样既可减少资源的浪费，又可减少环境的污染和废弃物后的处置费用。另外，产品包装应尽量选择无毒、无公害、可回收或易于降解的材料，如纸、可复用产品及可回收材料(如EPS聚苯乙烯产品)等。通过改进产品结构，减少重量，也可达到改善包装，降低成本并减小对环境的不利影响。DEC公司的研究表明，增加其产品的内部结构强度，可以减少54％的包装材料需求，并可降低62％的包装费用。我国一些在产品上过分铺陈讲究，常常大瓶套小瓶，大盒装小盒，不仅加大成本，还造成不必要的材料浪费。相反，西方一些发达国家不再提倡繁杂精美的包装，重兴简约之风，这也是绿色包装思想的一种体现。2.5绿色处理产品的绿色处理(即回收)在其生命周期中占有重要的位置，正是通过各种回收策略，产品的生命周期形成了一个闭合的回路。寿命终了的产品最终通过回收又进入下一个生命周期的循环之中。它们包括重新使用(Reusing)、继续使用(usingion)、重新利用(Reutilization)和继续利用(Utilizingon)。为了便于产品的绿色处理，一般在设计中主要考虑产品的材料和结构设计，如采用面向拆卸的设计方法(designforDisassembly，DFD)。拆卸是实现有效回收策略的重要手段。只有拆卸才能实现完全的材料回收和可能的零部件再利用。只有在产品设计的初始阶段就考虑报废后的拆卸问题，才能实现产品最终的高效回收。3绿色制造技术在数控机床中的应用3.1绿色材料的选择绿色材料[2]是指那些具有良好的使用性能、优良的环境协调性及具有环境净化和治理污染功能的材料。绿色材料能节约资源和能源，减少环境污染、避免温室效应、臭氧层破坏等，也容易回收和循环再生利用。在数控机床各零件材料的选择过程中，遵循了以下基本原则：（1）选择先进的新型材料。数控机床床身材料选用焊接钢板纤维混凝土复合材料，使机床床身结构较简单、阻尼较大从而吸振性较好，节约钢材，成本较低。在数控机床的防护罩、导轨的材料选择中选择梯度功能材料，一种新型的复合材料，是按零件的最佳使用功能要求来设计、制造的呈梯度变化的组织成分和一定规律分布的精细结构的材料与均质材料所组合而成的，它能满足零件的力学性能、热学性能和电磁学性能等，从而达到既节约资源又提高零件性能的目的。（2）选用可再生材料。使用可再生材料不仅可以减少资源的消耗，还可以减少原材料在提炼加工过程中对环境的污染。数控机床的防护罩、操作面板选择可回收利用的热塑性塑料制成。（3）尽量减少机床零部件所选材料种类。使用较少的材料种类，不仅可以简化产品结构，便于零件的生产、管理和材料的标识、分类，而且在相同的产品数量下，可以得到更多的回收材料。（4）选用无毒材料。在机床的数字控制系统材料选择中，避免使用铅、锡等有毒材料，以免在机床报废时对环境造成污染。在机床液压润滑、冷却系统中，选择对环境无污染的清洁的切削液，减少传统切削液中有毒化学成分对环境的影响。3.2面向拆卸与回收的数控机床模块化设计面向拆卸与回收设计（DesignforDisassemblyandRecycling）[3]是在产品的设计阶段考虑产品使用后的拆卸与回收问题，使产品在材料、结构等方面能方便地进行拆卸、经济地回收，减少使用周期结束后减少废弃物的产生，达到节约资源、保护环境的目的。数控机床的设计采用面向拆卸与回收的模块化设计，模型如图2所示。（1）焊接钢板纤维混凝土床身。机床床身应具备较好的热稳定性、足够的静、动刚度及较好的热稳定性，以满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求。床身采用焊接钢板结构的突出优点是生产周期短，比铸造结构快1.7～3.5倍，省去制造模具和铸造等工序，且废品率低、结构灵活，便于产品更新、结构改进[4]。（2）电主轴模块。机床主轴由内置电动机直接驱动，使机床主轴的传动链长度缩短为零，电主轴模块的使用的优点：①电主轴模块使主轴模块的零件数量降至最少，降低了加工成本，同时提高了产品的可靠性；②电主轴模块省去了所有带轮、齿轮等中间传动环节，转速快、生产率高；③由于没有中间传动环节的外力作用于冲击，传动更加平稳，加工精度更高；④电主轴模块更容易实现产品的拆卸与回收。（3）直线电动机驱动的进给模块。直线电动机驱动的进给模块直线电动机所产生的力直接作用于移动部件，其优势在于：①由于电动机与直线运动部件间没有、滚珠丝杠和螺母、联轴器及齿形带等传动环节，使进给模块的结构大大简化，便于机床的拆卸与回收；②直接驱动进给系统的运动速度、加速度和运动精度高，符合数控机床高速、高精度的生产要求。图2数控机床面向拆装与回收的模块化设计模型（4）自动换刀模块。数控机床为了能在工件的一次装夹中完成尽量多的加工，以减少辅助时间和多次安装产生的误差，需要配置自动换刀系统，如数控车床的自动回转刀架、加工中心的机械手换刀系统、无机械手换刀系统等。在选择自动换刀模块时，需要根据机床类型、规格、加工工件复杂程度等选择满足要求且经济性好的换刀系统。（5）开放式的数控系统模块。开放式数控系统采用模块化的结构，各模块相互独立，便于用户根据需求选择不同控制模块，也有利于功能的扩展和产品回收后的升级改造，同时在数控系统出现故障后，减少了诊断、维修时间。开放式数控系统还允许用户二次开发。系统厂、机床厂及用户可以独立开发专用的模块或个性模块，提高数控系统的扩展性，有利于数控系统的持续利用，延长了它的使用寿命，提高了数控系统的绿色