机械设计制造中绿色制造技术的应用

2019-01-23高崖苒

中国设备工程 2019年1期

高崖苒

随着全球能源的紧张以及人们对于生态环保的重视，绿色制造技术越来越多地被提及，并付诸于工业生产中。基于对环境的保护与资源的合理利用，绿色制造技术以绿色发展理念为原则，从产品的设计到最终生产，包括回收处理与再制造整个生命周期，做到环境保护、节约成本、最大程度的利用资源。绿色制造技术不单指绿色制造，还包括绿色设计、绿色包装、绿色回收等诸多方面，在机械设计制造中，绿色制造技术具有着广泛的应用前景。在机械设计制造领域里，合理运用科学设计方法，采用先进加工制造手段，在保证产品质量、生产效益的前提下，减少对环境的破坏与资源的浪费，实现可持续发展。

1 绿色设计在机械设计制造中的应用

绿色设计是指在设计产品的过程中，以绿色理念为指导，利用科学的设计方法对产品的结构、尺寸、加工工艺等方面进行优化设计，从而实现制造过程的简化、成本的降低、生产的清洁。绿色设计要充分考虑产品性能、结构、成本以及与应用环境的关系等因素，最大程度实现可持续、可循环的特点。下面讨论几种机械设计中的绿色设计方法。

1.1 数学建模与仿真技术

数学建模方法与仿真模拟技术是绿色设计中极为重要的部分，将建模与仿真技术与绿色设计思想相结合在一起，采用绿色设计达到资源合理利用、环境无污染的目的。

数学建模过程是通过建立数学模型来表征实际情况，通过对数学模型进行分析，优化设计参数，解决工程问题。仿真技术是采用硬件或软件仿真实验来模拟实际工作情况，然后进行系统的模拟计算，最终得出产品性能的测试结果。在过去为了获取良好的产品设计参数以达到最佳功效，往往需要反复大量的实验数据，造成了制造成本提高、资源浪费。在机械设计中，合理利用建模与仿真技术等绿色设计手段来获取最佳参数，优化结构，进行产品性能的模拟测试，从而降低了实际试验过程所带来的不必要的原料损耗与污染。其优势在于能够有效缩短设计时长，减少能源的浪费，减少环境的污染，并能及时了解目标结构的各项参数来规避风险，解决其存在的隐性问题。

1.2 模块化设计

模块化设计是一种典型的绿色设计方法。其实质是一种只需通过少数的模块便可组建成更多产品的设计理念，是指通过重组的方式既实现不同功能的产品系列，又实现了各组件的充分利用。在机械设计中，体现在通过对产品结构模块划分，设计出一系列的具备通用功能的模块单元，根据生产需要，组合成各种结构的新产品。模块化设计可有效缩短研发与设计新产品的周期，以较小的成本增加产品系列，从而降低制造成本。

在制造过程中模块化设计同样具有重要意义。通过对不同模块的结构分工加工，将生产标准化，使产品在制造的不同环节都更加精确，这种制造模式效率更高，产品质量得以提升。另外，模块化设计在各组件组装、拆卸和升级以及产品损坏后的维修、处理和回收等方面，能够显著地降低对环境的破坏。

1.3 集成化设计

集成化设计是指将多个产品或功能集中在一个产品或系统上，实现单个产品或系统的多功能化。以往的产品加工往往需要工人和多台机械设备配合生产，操作流程的增加导致工序复杂，生产效率降低，质量控制成本增加。采用集成化设计的机械设备，只需一台设备即可完成所有或者大部分工作，其自动化程度高，加工过程不需要复杂工艺，人工成本降低，生产浪费减少。

集成化与模块化设计具备节约成本、降低能耗、保护环境的优势，两者相辅相成，是绿色设计在机械设计领域中应用的重要手段。

2 绿色制造在机械设计制造中的应用

随着对生态环境的重视以及计算机和电子信息技术的发展，一些先进的绿色制造技术正在兴起。对比传统的机械制造方式，绿色制造技术体现出可持续发展优势，其有着更高效的材料利用方式，更快的生产效率以及更环保的制造方法。下面介绍几种典型的先进绿色制造技术。

2.1 数字化制造技术

数字化制造是指采用计算机数字化技术控制设备进行加工处理的方法，加工方式更为高效，资源合理利用，使用材料绿色环保。在传统机械加工中，工人工作经验影响着产品的制造精度与质量，制造效率受到劳动力约束，由于加工环境多为开放式或半开放式，存在环境和噪声污染，同时具备一定的操作危险性。数控技术通过计算机数控系统直接控制机床设备，按照既定的程序与规划路径进行自动化加工，产品精度与加工效率均有提高，产品的破损率得到降低，从而节省了原材料，耗能减少，从而实现绿色制造。

随着技术的发展，数控技术往集成化方向发展，数控加工中心技术应运而生，进一步强化了数字化制造的优势。加工中心安装有车铣钻等各种刀具的刀库，配合自动换刀装置，实现了在一台设备上只需一次装夹即可进行多种工艺加工，由于省去了反复装夹的时间与不确定性，工人的工作强度大幅度减少，制造精度获得提升，制造效率提高很大，加工误差随之减小。数控加工中心技术的应用进一步减少了资源浪费，加工环境安全可靠，几乎没有污染，成为了绿色制造的重要方向。

2.2 干式切削技术

切削液具有冷却，切屑取出和润滑的功能，常用于各种机床切削加工中，然而多数切削液带有毒性，且由于其掺杂着加工碎屑，回收难度大且回收成本高，并且若切削液不慎泄漏或溢出，会对安全生产造成风险。

随着对环保与安全的重视，干式切削技术开始被研究并得以发展应用。干式切削技术是通过应用抗高温材料的刀具减弱刀具的变形与损坏的方法，或者采用涂层技术减小刀具与碎屑的摩擦来减少热量产生的方法，从而避免切削液造成的污染与安全隐患。此外，对于无法完全实现干式切削的情况，可采用气体混合微量润滑剂代替切削液等半干式切削技术，同样可避免环境污染。干式切削技术减少了切削液对环境的破坏，避免了资源的浪费，具备巨大的发展潜力。

2.3 增材制造技术

增材制造技术又称为3D打印技术，该技术使用高能束热源，将制造材料加热熔化，自下而上逐层堆积成预先设定的CAD零件，直接实现零件的近净成形。对比传统铸造锻造技术，增材制造技术具有诸多优点。由于没有模具的限制，增材制造技术具有更高的加工柔性，理论上可成型任意形状的零件，这在复杂零件和个性化零件制造中具有突出的优势。增材制造技术具有着很高的材料利用率，极大地减少了原材料的消耗，为工人创造了更优的加工环境。同时增材制造技术在一体化制造、轻量化制造中更加高效，大大简化了工艺步骤，节省人力与时间成本。增材制造技术颠覆了传统减材制造技术，不产生环境污染，资源高效利用，随着该技术的完善，其作为绿色制造技术应用将会更加深远。