张庆锋，戴惠良

(1.上海市材料工程学校，上海 200231；2.东华大学 机械工程学院，上海 201620)

基于绿色制造理念的机械设计及制造工艺技术研究

张庆锋1，戴惠良2

(1.上海市材料工程学校，上海 200231；2.东华大学 机械工程学院，上海 201620)

随着经济的发展和科学技术的进步，很多优良技术被广泛应用到机械制造业中，但并不是所有技术的应用都与环保理念相符合，有些可能会对生态环境造成不利影响，因此绿色制造理念开始被提出并应用于机械设计及制造中。从多角度探析基于绿色制造理念的机械设计及制造的相关问题。

绿色制造理念；机械设计；制造工艺技术

随着我国社会经济的迅速发展，整体工业化进程不断推进，环境污染也随之而来。作为我国经济发展的重要产业之一，机械制造业对于推动国民经济发展起到了关键作用。为了该行业的健康稳定发展，实现自然与社会经济协调发展的目标，有必要将机械制造领域发展的核心放在绿色工艺的研发上，基于绿色理念开展机械设计，充分重视机械设计制造中的绿色理念。

1 绿色机械设计制造的重要性

我国机械制造业发展到今天，有关绿色机械设计的研究内容非常丰富，研究的深度与广度也进一步拓展，很多人开始将绿色机械设计看成是“生态设计”，还有一些人将其等同于“环境意识设计”或“自然环境设计”等。传统的机械设计制造要求按照市场需求对产品的使用寿命、使用功能等进行设计，如果产品需求反复修改，必然会造成设计周期、制造周期的延长，甚至可能产生大量废弃的试制品,造成严重的资源浪费与环境污染。绿色设计的重点在于节省原料，减少能源的消耗，同时减少能源使用过程中废水与废气的排放，这有助于更好地保护自然生态环境，符合国家提出的可持续发展的要求。

2 绿色机械制造工艺类型

所谓绿色制造工艺实际上就是以传统制造工艺为基础，注重与表面技术、控制技术及材料科学等技术结合的新的工艺技术，当前绿色制造工艺主要有环境保护型工艺、资源节省型工艺及能源节省型工艺等三种类型。

2.1 环境保护型工艺

环境保护型工艺的生产过程实际上就是一个输入输出系统。将各要素输入到生产过程以后，该系统就可以将产品输出出来，在产品输出的同时降低对环境、工作人员造成危害或不良影响的物质的输出，如废液、废水、废渣或噪声等。经过多年的研究和探索，我们发现，环境保护型工艺技术在研发和应用过程中，应将重点放在末端治理技术上，从最大程度上预防生产过程中一些不必要污染的产生，如使用EPS、聚乙烯等在大自然中易于自然分解且不会污染环境的材料。

2.2 资源节约型工艺

所谓资源节约型工艺，其最大的特点在于低能耗，具体来说就是从最大程度上节省各种材料的消耗，同时极大地简化工艺系统，将重点放在工艺技术上。资源节约型工艺需要从工艺与设计两方面着手。首先，从设计方面来说，应注重选择一些低耗能、少污染及已加工的材料，注重选择绿色材料，并通过减轻零部件重量，减少零部件数量及优化设计等方式提升材料利用率。其次，从工艺技术方面来说，通过应用新型特种加工技术，少、无切削加工技术，干式加工技术及优化毛坯制造技术等方式，可以有效减少材料的消耗。

2.3 能源节省型工艺

能源节省型工艺就是在实际应用中，从最大限度上减少能源消耗造成的危害。传统的产品加工过程中只有少部分能源消耗可以转化为有用功，多数都以其他形式消耗掉。这种无用的能源消耗可能会引发很多危害，减少能源消耗造成的危害值得人们重视。

3 绿色机械设计及制造工艺技术

制造业的快速发展，对国民经济起到了巨大的推动作用，与此同时也对环境造成了严重影响，甚至威胁着人们的正常生活。绿色制造理念被西方国家首先提出，近年来我国开始将该理念引入机械制造领域中。从目前我国制造业的整体发展情况来说，急需引入并推广绿色制造工艺，坚持可持续发展，从根本上实现工业废物的无害化处理。

3.1 绿色设计方案

当前生命周期设计、模块化设计与可拆卸性设计是较为常用的几种绿色理念设计方案。生命周期设计是以环境保护、产品性能、机械产品成本需求等方面为基础的设计理念，包含产品回收、产品代替、污染物处理及再利用成本等问题；模块化设计需要对产品功能、产品模块重新组合等进行综合考虑，不仅可以实现产品更新换代，同时可以提高零部件充分利用的效率；可拆卸性设计主要是指在确保产品功能不受到影响的情况下有规律地拆卸，具体针对产品生产后期维护与产品再利用设计。另外，还要建立绿色机械设计的数据库，数据库建成后设计人员即可将机械设计制造中用到的数据存储其中，方便以后查询，为绿色设计提供理论基础。

3.2 选用绿色材料

在绿色设计中材料是主要内容，应首选健康、环保的材料，对材料的相容性、安全性及经济性进行综合考虑，同时还要分析材料可能会对环境造成的影响。传统机械制造材料的主要物质有铅、汞等，这些化学物质会造成严重的环境问题，威胁人体健康，产品使用报废之后其回收利用率也比较低。为了实现绿色机械制造的目标，必须从源头开始，谨慎选择机械制造材料。具体来说，绿色选材应注重产品需求基本性能的满足，切实保证材料的可用性，注意选择一些耐腐蚀性、抗冲击性及高温性能较强的材料，避免选用有毒有害材料。此外，材料管理工作也是非常重要的，应仔细审核材料性能，按照材料的不同功能分类管理，在材料投入应用后进行动态管理，及时回收并对产生的副产品、废弃物等进行有效回收应用。

3.3 选用先进的成型技术

3.3.1 快速原型制造技术

该技术主要利用快速成型机，借助三维CAD数据，基于一层层材料堆积成为实体原型。该技术与传统技术截然相反，在没有任何磨具、道具甚至工装夹具的情况下，即可准确、快速地形成三维零件或实体。不仅可以降低制造成本，同时还能有效减少对环境造成的污染，快速提升产品样件的加工速度。

3.3.2 无切削加工技术

近年来各项新技术、新工艺不断发展，冷挤压、直接沉积及精密铸造等材料成型技术开始在机械制造中应用，逐渐向精密成型等方向发展。切削加工逐渐被自由成型制造所代替，应用该技术的成型件可以被直接应用，大大减少了产品制造与生产的周期，同时还能节省传统毛坯制造所带来的能耗与物耗。

3.4 绿色切削加工技术

机械加工过程中，切削液是主要的污染源，据相关研究显示，零件制造的1/6成本为切削液，绿色切削技术可以很好地解决切削液的问题。所谓绿色切削技术实际上是一种综合考虑资源问题、环境问题的加工技术，要求在加工产品的过程中从最大程度上利用资源，同时使生产过程中对环境造成的污染降到最低。当前有关绿色切削的研究主要集中在绿色湿式切削、干式切削及低温切削等方面。从目前的情况来看，绿色切削加工技术的应用具有一定的可行性，但是切削液的研制、应用及净化处理等都是急需探索和解决的问题。

4 结语

综上所述，人们已经认识到保护环境的重要性，越来越重视环境污染的问题，绿色制造开始成为机械行业中的焦点，同时也成为该领域中急需解决的问题。将机械制造工艺与绿色制造理念融合到一起，可以促进我国机械制造业实现突破性的发展，从而打破传统经济与环境不兼容的发展模式，促进机械制造企业经济效益的提升，同时有效保护生态环境，实现经济与环境共赢的发展。

[1]秦健,邓银舟,江帆,等. 基于绿色制造的新型机械制造工艺及装备技术研究[J]. 中国锰业,2016,34(4):129-131.

[2]田阳,王昊. 机械设计制造中应用绿色节能理念存在的问题及改进对策[J]. 现代工业经济和信息化,2016,(17):34-35.

[3]章志荣,苏纯. 面向绿色制造的典型机械产品并行设计系统关键技术研究[J]. 软件导刊,2011,10(12):95-97.

[责任编辑：赵 伟]

Research of Mechanical Design and Manufacturing Technology Based on the Green Manufacturing Concept

ZHANG Qingfeng1，DAI Huiliang2

(1. Shanghai Material Engineering School, Shanghai 200231,China;2.College of Mechanical Engineering, Donghua University ,Shanghai 201620,China)

With the development of economy and the progress of science and technology, many excellent technology is widely used in machinery manufacturing, but not all technology application are consistent with environmental protection concept, some may cause adverse effect on the ecological environment, so the green manufacturing concept is beginning to be put forward and used in the mechanical design and manufacturing. This paper analyzes the related issues of mechanical design and manufacturing based on the green manufacturing concept.

green manufacturing idea; mechanical design; manufacturing process technology

2017-02- 20

张庆锋(1983—)，男，上海人，上海市材料工程学校讲师，东华大学工程硕士在读，研究方向为机械设计及制造。

TH16

A

1008-6811(2017)02-0010-03