机械产品绿色设计与制造技术探析

王文平 孙润晗

摘 要：随着环保理念的逐步深入人心，绿色设计与制造技术已经成为促进生态工业与循环经济，推动社会可持续发展的重要途径。绿色设计与制造技术要求在机械产品设计、制造等全过程中，综合考虑机械产品的全寿命周期，最大限度地减少机械产品全寿命周期中对于环境的不良影响，以优化资源配置，提高资源利用效率。文章结合绿色设计与制造技术的内涵，对绿色设计、绿色制造技术在机械产品设计制造中的应用进行探讨。关键词：机械产品；绿色设计；绿色制造技术

近些年来，生态环境问题越来越严峻，并对经济社会可持续发展及人类生活质量造成了不良的影响。在这一背景下，绿色设计与制造技术应运而生，旨在确保机械产品的使用效能的前提下，最大限度地减少用户、制造商及环境成本，在机械产品的设计制造全过程，结合机械产品全寿命周期设计方法，遵循机械产品与自然环境的交互规律，全面提高机械产品的绿色性能。

1 绿色设计与制造技术的内涵

绿色设计与制造技术是一项现代化设计与制造技术，其全面考虑了自然环境的影响与资源的综合利用效率，是可持续发展理念在机械制造行业中的充分体现。其内涵如下：绿色设计与制造技术，是以自然环境影响及资源利用效率为依据的设计制造技术，旨在确保产品设计、加工、制造、包装、物流运输、使用、报废处理等各个环节及全寿命周期中，最大限度地降低对生态环境的不良影响，实现资源利用效率的最大化，全面提升经济、社会、生态效益。

绿色设计与制造借助于绿色设计、材料、工艺、包装、管理等生产过程，进行绿色产品的设计、制造与生产，较传统制造而言存在本质的差别，绿色设计与制造技术，充分体现了当代机械制造领域的可持续发展战略，是一种现代化设计与制造模式，顺应了机械制造行业的发展趋势，也是现代化机械制造企业全面提高市场竞争力的必经之路。

2 机械产品绿色设计

机械产品绿色设计应满足如下条件：机械产品设计、制造、使用中最大限度地节约资源、能源，无污染，报废后能够回收与循环利用。

2.1 节约资源

采用绿色设计所得机械产品，应是资源节约型产品。在完成相同功能与效能的情况下，绿色设计机械产品所耗资源量最少。例如，在刀具设计时，利用机夹式不重磨刀具来替代传统焊接刀具，能够有效节约刀柄的材料；而采用空心轴传动轴结构替代传统的实心结构，也节约了大量的优质钢材。

2.2 节约能源

绿色设计机械产品应当是能源节约型产品，以更好地顺应日趋紧缺的能源形势。例如，可以在机械设备中应用变频调速装置，这样其在低功率下运行时可以有效节约电能。调查显示，金属切削机床运行过程中约50%以上的时间均处于低功率状态，由此可见，在金属切削机床中可以应用变频调速装置，能够取得显著的节能效果。

2.3 无污染

无污染指的是对生态环境无污染、对操作者无危害。为了确保绿色设计机械产品无污染或最大限度地减少污染，在绿色设计时，应尽可能选择无毒、无害、绿色、环保材料进行制造，并对机械产品有害物生成及排放量进行严格控制。例如，在液压传动设备的液压系统进行设计时，可以采用新型防污过滤技术，以便有效延长液压油的寿命及使用周期，有效减少污染物的排放次数与排放量，最大限度地减少污染。为防止对操作人员安全健康产生危害，要求机械产品绿色设计必须满足人机工程学理论相关要求。例如，在冲压设备的设计过程中，可以应用双手触摸开关，替代传统脚踏式开关，以防脚踏失误引发设备及操作人员的人身安全事故。

2.4 回收与循环利用

近些年来，随着社会物质的极大丰富及产品使用周期的日趋缩短，机械产品在报废之后如何有效处理成为摆在设计制造人员面前的重大课题。传统机械产品在设计、加工、制造、使用、报废过程中都处在一个开放性的环境系统中，机械产品绿色设计过程必须全面考虑到产品报废之后的回收、处理与循环利用，将机械产品的设计、加工、制造、使用、报废等过程作为一个整体进行考虑，并组成一个闭环循环系统，正如图1所示。如金属切削机床报废时，可进行回炉冶练处理，而机床很多零部件，如床身导轨等等，只需稍作加工即可用于新机床的床身导轨。

3 机械产品绿色制造技术

绿色制造过程可以采取如下三种技术：资源节约型制造技术、节能环保型制造技术、再生利用制造技术，这三种技术已经成为机械产品绿色制造过程的核心技术。

3.1 资源节约型制造技术

资源节约型制造技术主要包括如下内容：节约制造过程所消耗的能源，节省所耗用的原材料，节约制造中的辅料消耗。

3.1.1 节约制造过程所消耗的能源

制造中所耗费的能量，除一部分转换成为所需的有用功效以外，多数能量都转化为热能等而白白浪费掉了。如普通机床切削量仅占机床总能耗量的30%左右，其余约70%的能量由于摩擦、空转、发热、振动、噪声而损失掉。为了有效减少这部分能量消耗，一方面，应注重提升机械产品的传动效率，减少摩擦、空转等情况。如可以采用数控等技术，借助于电主轴，减少传动链传动过程所引发的能量消耗；另一方面，优化加工制造工艺，选用合适的加工设备，合理确定切削用量，确保设备能够在高效、满负荷状态下运行。在机械产品制造过程中，应分阶段开展，粗加工过程中可利用大功率设备，精加工过程中换用小功率设备；同时，注重优化产品、工艺设计，借助于现代化成形技术，以便最大限度地缩减制造中可能产生的能耗。在零部件设计时，应尽可能减少加工表面积，可以借助于净成形技术，以便缩减机械加工量。

3.1.2 节约所消耗的原材料

一方面，合理利用原材料，尽可能避免采用有毒、有害、贵重的材料，积极采用可再生利用材料，推行废弃材料的再生与利用。如大型冲裁模具制造过程中，可采用组合式凹模，以节约优质模具钢；另一方面，对毛坯进行科学设计，借助于精密铸造、锻造等先进毛坯制造技术，最大限度地缩减毛坯余量；同时，还应注意对排料与排样工艺加以优化，以减少各种边角余料，利用无屑加工等现代化技术，采用冷挤压成形技术代替传统的切削加工成形技術，采用快速原形制造技术代替去除加工，以减少材料损耗。

3.1.3 节约制造中的辅料消耗

此外，制造中还会产生很多辅料消耗，包括刀具、液压油、润滑油、冷却液、包装材料等消耗。因此，必须选取适当的刀具材料等，确定合理的切削用量，借助于不重磨机夹刀具等，科学确定刀具的角度及耐用度等等；就液压油、润滑油而言，应注意优化完善液压润滑系统，确保系统不存在渗漏情况，并采用有效的过滤、清洁装置，以便延长液压油、润滑油的使用寿命及周期。对于注射机等设备而言，可对润滑系统加以智能化控制，以便最大限度地减少用油消耗；就冷却液而言，可借助于高速干式切削技术，这样就无需使用冷却液，采用高性能冷却液及冷却方式，以节约冷却液，采用过滤、清洁装置，以延长其使用寿命及周期。

3.2 节能环保型制造技术

节能环保型制造技术，是在制造中避免污染环境，营造一个安全、健康的生产环境。主要包括如下内容：减少废料生成，实现有序排放；减少有害物质生成，实现有害物的科学处理；减小噪音及振动，合理调节温度，净化空气；实现废料的循环利用等。

3.2.1 减少有害物生成

为了有效避免或减少有害物生成，最佳办法即加强预防，将废气、废水事后处理方式转变为事前预防。就机械加工处理中的冷却这一环节而言，如今已发展了各种新型加工技术工艺，如水蒸气、液氮、空气冷却方式等。

3.2.2 减少噪音污染

采用现代化制造工艺与先进设备，如利用金属型铸造替代传统的砂型铸造工艺，可以有效减少粉尘，采用压力机锻压工艺替代锻锤锻压工艺，可以降低噪音；优化结构设计，选用新型低噪音、环保材料，以有效降低设备的运行噪声；合理确定工艺参数，避免自激振动与噪音过大；构建封闭式加工制造单元结构，借助于抽风、隔音、降噪等新技术，避免粉尘扩散、噪音传播。

3.2.3 优化工作环境

舒适、安全的工作环境，需要足够的作业空间，且作业面布置有序，温湿度适宜，空气清新，无显著的噪声，机械色斑控制结构、操作手柄等位置恰当，照明良好等。若将各机床照明系统设置为可调节式，在工件装卸过程中提高照明功率，切削时减小照明功率，如此可以确保环境照明条件良好，还可节约用电。安全的环境需要设置必要的安全保护措施，制定安全规程，避免机械设备运行中对操作人员带来危害。例如，高速机床等设备不仅需要设置安全门，还需要确保操作过程中若安全门开启，则设备无法启动，这样可以防止操作人员由于未关闭安全门而引发不必要的安全事故。

3.3 再生利用制造技术

该技术，是在产品报废之后能够对其进行拆卸、清洗，对某类零部件采用表面工程、其他加工技术再加工、处理，恢复零部件的原有性能，从而实现再生利用。例如，注射模具型腔由于磨损而报废时，可利用喷镀堆焊及打磨加工技术进行处理，恢复零件尺寸与形状，从而实现再利用。

4 结束语

机械产品绿色设计与制造技术具有如下特点：（1）可持续运用。可以将绿色制造技术持续不断地应用于社会生产各领域及持续发展全过程中；（2）预防性。结合环境影响等一系列因素，由末端治理追溯至源头，制定有效的方案措施，尽可能减少污染物生产；（3）一体化特点。将大气、水资源、土地因素作为一个有机整体来考虑，防止污染物在各环境介质中传播和转移。总而言之，作为一项新技术，绿色设计与制造技术顺应了未來机械制造行业的发展潮流，促进了该行业的可持续发展。

参考文献

[1]李方义，李剑峰，段广洪，等.面向绿色设计的产品AHP生命周期环境影响评价模型[J].山东大学学报（工学版），2008，5：57-61.

[2]任东利，栾忠权.面向绿色设计的生命周期环境影响评价模型[J].中国仪器仪表，2010，1：48-51.

[3]许萍.基于产品生命周期的绿色机械制造技术体系构建[J].中国城市经济，2012，3：405.

[4]张国政，刘有余.机械产品的绿色化途径分析[J].新乡学院学报（自然科学版），2011，5：449-451.