绿色制造技术在机床全生命周期中的应用.pdf

2 0 1 0年 1 2月 第 3 8卷 第 2 4 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS De c ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 4 ． 0 0 4 绿色制造技术在机床全生命周期中的应用 崔海云 ，贾育秦 ，王培霞 ，李明磊 ，杜娟 1 ．太原科技 大学机 电学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ．太原科技 大学物理 系，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要针对机床制造、使用等过程中存在的浪费、污染问题，使用绿色制造技术对其进行研究和探讨。简单介绍绿色 技术在制造业 中的发展和应用 ，从机床设计 、选 购、使用到 回收等全生命周期 内研究探 讨如何使 用绿色制造技 术。在机床 全生命周期中考虑使用绿色制造技术 ，有助 于全 面考虑机床带来的影响 ，是 一个值得 继续研究 的方 向。 关键词 机床 ；绿色制造 ；全生命 周期 中图分类号 T H1 8 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 4 0 1 0 3 Ap p l i c a t i o n o f t he Gr e e n M a nu f a c t ur i n g i n t he Ful l Li f e Cy c l e o f t he M a c h i n e To o l C U I Ha i y u n ，J I A Yu q i n ，WAN G P e i x i a ，L I Mi n g l e i ，DU J u a n 1 ． C o i l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y， Ta i y u a n S h a n x i 03 0 0 2 4， Chi n a； 2 ． C o l l e g e o f P h y s i c s ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Abs t r ac tGr e e n ma nu f a c t ur i n g t e c hn o l o g y wa s u s e d t o s t u d y a nd di s c U S S wa s t e a n d p o l l u t i o n i n t h e p r o c e s s o f t h e ma c h i n e t o o l ma nu f a c t ur i n g a nd u s i n g． r he g r e e n t e c h no l o g y wa s b r i e fl y i nt r o d u c e d i n t h e d e v e l o pme n t a nd a p p l i c a t i o n o f t h e ma n ufa c t u r e． Ho w t o u s e t h e g r e e n ma n u f a e t u r l n g t e c h n o l o g y w a s s t u d i e d a n d i n v e s t i g a t e d i n t h e f u l l l i f e c y c l e o f t h e ma c h i n e t o o l t h a t wa s d e s i g n e d， p u r - c h a s e d，us e d a n d r e c y c l e d． I t i s a di r e c t i o n t h a t i s wo r t h y c o nt i nu i ng r e s e a r c h t h a t gre e n ma nu f a c t u r i n g t e c hn o l o g y i s u s e d t o he l p t a k e f u l 1 a c c o u nt o f t h e i mp a c t o f ma c h i n e t o o l s i n t he f u l l l i f e c y c l e． Ke ywo r ds Ma c h i n e t o o l ；Gr e e n ma nu f a c t u r i n g； Fu l l l i f e c y c l e 伴 随着经济的迅速发展 以及资源 的过度 开采 和使 用 ，全球的生存环境 日益恶化 ，人们对环境 问题越来 越重视 ，普遍认为实施绿色制造是解决该问题 的重要 途径之一。绿色制造是人类社会可持续发展战略在现 代制造业中的体现，是一个综合考虑环境影响和资源 效率 的现代 制造 模式 ，其 目标 是使 产 品从 设计 、制 造、包装 、运输、使用到报废处理的整个生命周期 中，对环境的负 面影响最小 ，资源效率最高 ，并使企 业经济效 益和社会效益协调优化。制造业考虑产品整 个生命周期对环境 的影 响 ，最大 限度地利 用原材料 、 能源，减少有害废物和固体、液体 、气体的排放物 ， 改进操作安全 ，减轻或 消除对环境的污染。绿色制造 是解决该 问题的根本方 法和途径 ，是 2 1世纪制 造业 的必 由之路 。 机床是制造 机 器的工 作母 机 ，将 毛坯 转 化成 零 件 ，在使用过程 中不仅消耗能源 ，还会产生 固体 、液 体和气体废弃物 ，对工作环境和 自然环境造成直接或 间接的污染。近年来 ，如何减少对环境 冲击的绿色生 态机床和绿色制造成为 大家关注 的热 点。2 0 0 9年初 ， 在福建 省厦 门市举 办 的 “ 2 0 0 9 第 二届 中国绿 色 制造新年论 坛 ” 中 ，同济 大学 现代 制造技 术研 究所 张 曙作 了题为 “ 绿色生 态机床 和加 工过程 ” 的报 告 ， 指出数控机床的发展趋势不仅是机床性能的提高，机 床的绿色化 绿 色生态机床 日益受到重视 。 但 是 ，现 阶段 国内对机床的绿色化研究还远远不 够 ，作者就绿 色制造技术在机床全生命周 期中的应用 做 了深入的探讨 。 1 绿色 制造 近年来 ，在反思传统制造业发展方式和工艺技术 系统对 消耗资源和破坏生态的认识 上 ，人们开始认同 这样 的思想 ，即制造技术应 当是一项与环境协调的技 术 ，应该是一项遵循 可持续发展原则 的技术 ，应该在 让人们充分拥有物质财 富的同时树 立科学 的发展 观 ， 这就是 “ 有序 有偿 ，供需 平 衡 ，结 构优 化 ，集 约 高 效” 。事实上 ，环境协 调和满足 个性消费是辩 证统一 的两个侧面。毋庸置疑 ，为 了使消费者充分享受制造 业提供的满 意程度 ，无论是政府或是行业协会 ，无论 是私营制造企业还是 国营制造企业都应该注意个性需 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 8 基金项 目山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划 2 0 0 9 1 0 9 1 ；校博士启动基 金项 目 2 0 0 7 8 7 作者简介 崔海云 1 9 8 3 一 ，男 ，硕 士研究 生 ，主要研究 方 向为数控 机床 。电话 1 5 1 3 5 1 4 6 6 2 5 ，Ema i l c h y 一 1 1 1 4 1 6 3． c o m。 第 2 4期 崔海云 等绿色制造技术在机床全生命周期中的应用 1 1 求的共性基础 ，减少产品生产和使用造成的环境危 害 。绿色制造 的概念 由此提 出 ，关 于绿色制造的研究 也非常活跃 。一般把绿色制造定义 为一种综合考虑环 境影响和资源效率 的现代制造方式 ，其 目标是使产 品 从设 计 、制造 、包装 、运输 、使用到报废处理 的整个 生命周期 中对环境 的影 响最 小 ，资 源效率 最高 ，并使 企业经济效益和社会效益协调优化 。绿 色制造具有非 常深 刻 的内涵 1 绿色 制造 问题涉 及 的领域包 括三部分 一 是 制造 问题 ，包括 产 品生命 周 期 全 过 程 ；二是 环境影响问题 ；三是资源优化 问题 。绿 色制 造就 是这 三部分 内容 的交叉 和集成 ； 2 绿 色制造 中的 “ 制造” 涉 及 到 产 品 整 个 生 命 周 期 ，是 一 个 “ 大制造 ”概念 ，同计算 机集成 制造 、敏捷制 造等概 念 中的 “ 制造 ” 一样 。绿 色制造 体 现 了现代 制 造科 学 的 “ 大制造 、大过 程 、学科 交 叉 ” 的特 点 ； 3 围绕制造过程 中的环境 问题 提出了许多与绿色制造相 关或相类似 的制造概念 。绿色制造和环境意识制造等 是 同一层次 的概念 ，其 内涵非常宽广 ，包括绿色设计 环境 设 计 、绿 色 工 艺 规 划 、清 洁 生 产 清 洁 技 术 、绿色包装等组成部分 ，而绿色设计又有面向环 境的产品方案设计 、可拆卸设计 、可回收性设 计等 内 容。可 以看 出 ，这些 问题均 是 从微 观 方 面 加 以研 究 的 ，但它又直接对 中观问题和宏观 问题产生 作用和影 响 ； 4 当前人类 社会 高度关 注在全 球化过 程 中的 可持续发展 主题 ，绿色制造实质上是人类社会 可持续 发展 战略在现代制造业的体现 。绿色制造作 为制造业 和整个社会 可持续 发展的重要生产方式 ，是实 现社会 可持续发展 目标 的有力 支撑 。从 这 一定义 可 以看 出 ， 绿色制造 问题 整 体上 是 一个 系 统优 化 问题 。简单 地 说 ，这一优化 问题 是一 个 “ 两 目标 ”优 化 问 题 ，一 方面 ，它要求 制 造 系统 给社 会 带来 的经 济 利 益最 大 化 ；另一方面 ，它要求制造业 给社会 带来的负面影响 最小化 。 2绿色制造技术在机床 中的应用 2 ． 1机床 的设 计 绿色生态机床 的远景是 1 机 床 主要零 部 件 由再生材料制造； 2 机床的质量和体积减少 5 0 ％ 以上 ； 3 通 过减 轻移 动部件 质 量 、降低 空运 转功 率等措施使功率消耗减少 3 0 ％ ～ 4 0 ％ ； 4 使用过 程产生的各种废弃物减少 5 0 ％ ～6 0 ％ ，保证基本没 有污染工作环境 ； 5 机床报废后的材料 1 0 0 ％可回 收 。 可见在机床设计之初 ，就要将 绿色制造的思想融 入进去 。据统计 ，机床使用过程 中用 于切除金属 的功 率只 占 2 5 ％左右 ，各种损耗 和辅助 装置 占去大 部分 。 绿 色生态 机床 则 提 出一种 全新 理 念 减 少 机床 的质 量 ，节省材料 ；同时降低机床使用 时的能源 消耗 。现 有机床质量 的 8 0 ％ 用 于 “ 保证 ” 机床 的 刚度 ，而 只 有 2 0 ％用于 满足 机床 运动 学 的需要 。因此 可 以通 过 采用新 结 构 和新 材 料 两 个 途 径 对 机 床 结 构 进 行 优 化⋯ 。并联机床和箱 中箱结构机床为机床 的结构提 出 了新的思路 ；树 脂 混凝 土 或 称矿 物 铸造 、人 造花 岗石 、碳素纤维 、陶瓷 和复合 材料等新 材料 的使用 也使机 床的质量大大降低 ，并且具有阻尼系数大 、抗 振性强 、热稳 定性好等一系列 的优点 。 2 ． 2加 工过程 的 改进 在 切削加 工过程 中通 常需 要 使用 切 削液 冷 却 润滑液 。切 削液的采 购 、存 贮 、使用 和废弃 处 置需 要专 门的技术 和物流系统 ，费用很 高 ，大约 占加工成 本 1 0 ％ ～1 5 ％ 。切削 液使 用 与处 置不 当会 对 环境 造 成污染 ，甚至对人的健康造成危害。随着对环保的重 视 ，处置切削液 的维护成本 和废弃 费用不断上升。针 对这 种 状 况 ，采 用 干 切 削 和 微 量 润 滑 MQ L技 术 可 以节省成本并 替代 高成本 、高污染和有害健康 的湿切削过程，促进机床的绿色化。于切削是不使用 润滑介质而仅借助压缩空气冷却的加工过程，其优点 是 1 省去切削液系统舶 费用 ，降低加工成本 ； 2 符合 环境保护 和劳动保 护 的要求 ； 3 有 时还 可以延 长刀具寿命。其缺点是 1 由 于没有 冷却 ， 工件尺寸精 度较难 控制 ； 2 加 工时 产生 的金 属尘 埃也难 以控制 ； 3 应用 领 域有一 定 限制 ，例 如加 工不锈 钢非常困难 。 2 ． 3机 床 的选 用 从机床设备 的角度 ，改善零件加工过程环境友好 性主要有两条 基本 途径 1 通过开 发 或改进 ，提 高机床设备的环境友好性 ，采用环境意识 绿色 机床进行零 件加 工 ； 2 充 分利 用 现有 设备 资 源 ， 通过机床设备 的优 化选 择 ，改善 加工 过程 的绿色性 。 因此一方面要进行绿 色机床 的开发 和改进 ，另一 方面 通过面 向绿色制造 的机床设备选择 ，优化 利用 现有设 备资源 ，改善零件加工过程 的绿色性 ，是一个有效 的 途径 。 根据绿色制造的要求 ，选择机床设备不仅要考虑 加工 质量 、生产率以及生产成本等 因素 ，还必须考虑 制造 过程 中的环境 友好性问题 ，即环境影响和资源消 耗 问题 。 目前在这 方面的研究十分少 ，缺乏一个模型 来对机床进 行选用 。文献[ 5 ]也 只是综 合考虑 资源 消耗 和环境影 响 ，建立 了一种面向绿色制造的机床设 备选择 的决策 目标分解参 考体 系。对机床设 备选择问 题进行 了三级分类 和数学 描述 ，包括零 件单个特征的 机床设备选择 、单个零件 的机床设备选 择和多个零件 的机床设备调度 。针对具 有代 表性的零件单个特征的 1 2- 机床与液压 第 3 8卷 机床设备选 择 问题 ，建 立 了一 种 多 目标 优化 决策 模 型 ，并将灰色关联 分析法 和层次分析法结合 ，应用于 上述模型的求解 ，指导机床设备的选用 。这方面的深 入研究将十分有助 于机床 的使用和管理 ，从软 的方面 促进机床绿色化 。 2 ． 4机床 的再制 造 废旧机床 的再 制造工 程 是 以产 品 的全 寿 命周 期设计 和管理为指导 ，以优质 、高效 、节能 、环保为 目标 ，以先进技术和产业化为手段 ，恢 复或改造废 旧 机床 的一系列技术措施 或工程活动的总称 。废 旧机床 的绿色再制造是废 旧机床高科技维修 的产业化 ，它的 成本仅是新品的 5 0 ％左右 ，节 能 6 0 ％ ，节材 7 0 ％ 以 上 ，而再制造后 的机床性能至少能持平甚至提高。因 此它是发展循环经济 、实现可持续发展的重要组成部 分 ，是值得迅速发展的新兴研究领域和新兴产业 。再 制造工程学科是在维修工程 、表面工程等学科交叉融 合 的基础上建立和发展 的新兴学科。它包含 的内容十 分广泛，涉及到机械工程、材料科学与工程 、信息科 学 、环境科学与工程 以及管理科学等多种学科 的知识 和研究成果。同时结合 了再制造工程实际情况 ，形成 了再制造设计基础 、再制造 工程技术 、再制造质量控 制 、再制造工程技术设计以及再制造产品的物流管理 等学科体 系。 2 ． 5机 床 的回收利 用 产品可拆 卸易回收设计是进行产品绿色化设计 的 一 种重要方法。可拆卸易 回收设计侧重考虑产品使用 期过后方便拆 卸并且无污染地 回收和给环境不造成危 害并且能有效利用设备原材料资源 。丁江 民 设计了 一 种数控车床 的可拆卸易 回收设计准则 ，具有一定 的 参考意义。根据数控车床产 品的特点 、从材料选择 和 结构设计两方面建立 可拆卸易 回收设计准则 。 材料选择准则。为使数控车床拆卸下来的零部件 易于再利用 、再制造或者材料易于得到回收，在设计 数控车床过程中进行材料选择时的准则为 1 整 台机床所用的材料种类要尽量少 。在产 品中所采用的 材料种类 越少 、所 需要 的拆 卸及 分类 的工 作量 就越 小 ，从 而有利于数控 车床 的拆 卸与 回收 ； 2 机床 中每种材料用量尽量少。在满足机床功能和性 能要求 的基础上尽可能地减少材料的使用量，以达到既节约 材料资 源又减少 回收量的 目的 ； 3 在机床 中尽 量 使用相容性材料。零部件应尽量采用相 同或者相容的 材料 ，因为 相 同 或者 相 容 的材 料 容 易 回收 和 利用 ； 4 在机 床 中尽 量选择 能容量 小 的材料 ，能容 量小 的材料 、其 回收和处理消耗 的能量 比较小 ，对环境造 成的污染也 比较小 ； 5 在产 品中尽量不用 或少 用 有毒或对人体有害的材料。使用有毒或对人体有害的 材料不符合绿色制造以及人类 可持续发展要求。如果 目前没有替代品 ，在国内外法规允许 的条件下尽量少 用 ； 6 尽量 选用供 应量 比较 丰富 的材料 ，少用 13 益匮乏并昂贵的材料 ； 7 尽量 使用可再 生的材料 ， 有利于节省 自然原材料并降低成本。 产 品结构相关 的原 则包括 1 尽量减 少产 品 所需 的零 件 数 量 ，这 有 利 于减 少 拆 卸 回收 工 作量 ； 2 尽量采 用易 于拆 卸的联 结方式 ，尽 量减少 如铆 接 、焊接和粘结等不易 拆卸 的联结方式 ； 3 紧 固 件类型尽量统一 ，其类 型少便于减少拆卸工具种类和 简化拆 卸工作 ； 4 减少 电线 和电缆的数 量及 长度 ， 这有利于减 少拆 卸 回收电线和 电缆 的困难 ； 5 对 产品尽可能采用模 块化设计 ，这便于 对产品 的维护 、 升级 和重用 ； 6 尽量将 高价值 的零部 件布置在易 于拆卸 的位置 ，先 回收高价值 的零部件 ，有利于提高 产品回收价值 ； 7 将包含 有毒有害材料 的零部件 布置在易于分离的位置，避免其与非有毒有害材料的 零部件在拆 卸 回收 时混杂 ，防止 负价值 零部 件 的增 加； 8 避免设计嵌入金属件或金属加强件的塑料 零件。嵌入金属件或金属加强件的塑料零件既不利于 粉碎 回收操作也不利于提高材料回收的纯度和价值。 3总结 机床是制造机器的工作母机 ，在制造业中得到广 泛 的应用 ，对其绿色化改造将 十分有助于我国制造业 整体水平的提升。随着绿色制造技术的不断发展推 广，机床的绿色化也在发展，提出了绿色生态机床， 以及开展将 机床从设计到管理使用到 回收全过程 的绿 色研究 。但是 ，相对于国外来说 ，国内对绿色机床 的 研究仅仅处于初级阶段，作者从全生命周期的角度对 几个方 面做 了简单 的探讨 ，深入 的研究还有待更多后 续努力 。 参考文献 【 1 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