绿色制造

基于绿色制造的材料成形加工新技术

姓名：路庆伟

学号：20134650

学院：材料科学与工程

专业：材料成型及控制工程

基于绿色制造的材料成形加工新技术

摘要

工业生产制造中环境污染问题日益受到关注，绿色制造被认为是21世纪实现制造业可持续发展的关键技术，对绿色制造的概念，目标及如何实施作出了全面论述。其中对于近净成形技术的应用尤为关键，如热等静压成形技术，半固态成形技术。

关键词：绿色制造；近净成形；干切削

1 引言

制造业是创造人类财富的支柱产业,它在人类社会发展的历史进程中起到了举足轻重的作用。但是制造业在将资源转化为产品的过程中,以及产品的使用和处理过程中,产生大量的废弃物,这种废弃物既包括对空气、水以及周围环境(如振动与噪声)的污染,又包括制造资源未被利用的部分,这一部分往往以废弃物的方式同样对环境产生污染。因此说,量大面广的制造业是环境污染的主要源头。

有资料表明,造成全球环境污染的排放物中,有70%以上是来自于制造业,它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨的有害废物。如何实现制造业的可持续发展对于改善人类生存环境将起到至关重要的作用。而绿色制造被认为是21世纪实现制造业可持续发展的关键技术,它是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理(回收)的整个产品生命周期中对环境负面影响极小,资源利用率极高,并使企业经济效益和社会效益协调优化[1]。实现绿色制造的关键在于实现产品的绿色加工，即减少资源转化为产品过程中的浪费，达到少无切削加工，做到近净成形。

2绿色制造

2.1概念

绿色制造技术[2]是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造技术要求产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低。

传统制造和绿色制造的最大区别就是传统制造只是根据市场信息设计生产和销售产品，而其余就考虑得较少，传统的制造模式是一个开环系统，即原料一工业生产一产品使用一报废。绿色制造则通过绿色生产过程(绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理)生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用，绿色制造技术是一个闭式循环系统，从设计、制造、使用一直到产品报废及回收的整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高，也就是说要在产品整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性，对环境保护从源头抓起，改变了传统的制造模式仅靠末端治理的环境保护办法，并考虑产品的基本属性，使产品在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。采用绿色制造能最大限度地减少对环境的负面影响，同时原材料和能源的利用效率能达到最高。

2.2核心内容

绿色制造的核心是在产品生命周期过程中实现“4R”减量化(Reduce)、重用(Reuse)、再生循环(Recycle)和再制造(Remanufacturing)。①减量化，从源头就注意节约资源和减少污染；②重用，要求产品及其零部件能够重复利用；③再生循环，要求生产出来的产品使用完后能重新生成可以利用的资源，而不是无用的垃圾；④再制造，对废旧机械产品实现性能恢复和提升，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以进绿色制造技术为手段，对废旧机械产品进行修复和改造。

因此，实现“绿色制造生产模式”包括3个层次：①绿色资源(绿色原材料和绿色能源)；②绿色生产过程；③绿色产品。一个绿色产品的生命周期应该做“五绿”：绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装和绿色回收处理。

2.3目标要求

（1）绿色产品的描述与建模:准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型。

（2）优良的环境友好性：即产品从生产到使用乃至废弃回收处理的各个环节都对环境无害或危害很小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料、清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；产品使用时不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。

（3）最大限度地利用利用材料资源：绿色产品尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料，并使产品中零件材料能最大限度地再利用。

（4）最大限度地节约能源：绿色产品在其生命周期的各个环节水消耗的能源最少，能源的节约本身也是很好的环境保护手段

（5）产品可拆卸性：在产品报废以后其零部件能够高效地、不加破坏的拆卸，有利于零部件的重新利用和材料的循环再生，达到节省资源、保护环境的目的。

（6）产品的可回收性：在设计时充分考虑产品的各零部件回收再用的可能性、回收处理方法、回收费用等问题。内容包括：可回收材料的识别及标志；回收处理工艺方法；可回收性的结构设计；可回收性的经济分析与评价。

2.4 结合国内制造业现状对绿色生产的推广

2.4.1实施绿色材料设计

实现绿色材料设计，不仅需要企业自身的努力，而且需要环保部门，研究单位与政府的共同协作．要合理选择材料。考虑其来源广阔、价格低廉，毒性和污染性低，在目前还难以做到。因为《机械设计手册》中只有常用材料的机械物理性能，如强度、延伸率、冲击值、硬度等数据。并无其毒性、副作用及来源是否广泛的说明，这就给工程技术人员在产品设计中实施绿色制造带来困难。因此，要编撰这种材料手册不是单靠材料生产厂家、材料研究所工程技术人员就能解决的，而是一个大的系统工程。

2.4.2 实施绿色毛坯加工方法，尽量减少毛坯废料

在毛坯制造阶段，由于过去物资缺乏且流通困难，各企业几乎都追求。麻雀虽小，五脏俱全”、“万事不求人”的运作方式，致使设备更新换代慢，设备能力严重不足。这样导致毛坯制造精度低，加工余量大、给后续机加工带来困难、致使材料浪费大，资源利用率低。有一些中、小企业由于缺乏毛坯制造的大型设备，切削加工完成后的零件只有毛坯的40%～50%，有些毛坯制造方法本身如一些小型铸造熔化设备(三节炉、冲天炉等)、锻件加热设备(燃煤、焦炭，燃重油的加热炉等易产生二氧化硫，并形成酸雨。也对环境有较大的污染。所以要减少毛坯制造阶段的污染，应减少中小厂自制毛坯，成立专业化铸锻厂，采用高效无污染、少污染的加热设备和铸锻设备，提高毛坯的制造精度。

2.4.3 实施绿色机械加工工艺方法

我国目前机械加工的水平还相当低。特别是一些中小工厂没有数控机床。造成切削效率低、加工精度低、能耗大。提高数控化水平，尽量采用高效设备和刀具进行加工是所有工厂的必由之路。然而，由于中小工厂缺资金、缺技术，数控化还要经历相当长的时期，所以建议首先采用经济型数控系统对现有机珠进行改造，并对工人进行数控技术的培训。

另外，要注意机加工时冷却液的选择和使用。如有的工厂在滚由．插齿，铣削等加工时，为了提高刀具耐用度，对刀具采用离子镀膜或涂层处理．使切削速度大大提高，而冷却液仍然使用原来低、中速切削时所用的极压切削油。由于切削油冷却能力不足，挥发性大，使车间里充满挥发的油雾，造成车间的空气污染。

在机械加工中，绿色制造工艺技术主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法来进行加工。常规的加工方法例如车削、铣削、磨削等，都需要切削液来帮助加工。切削液在加工中的作用主要有冷却、润滑、排屑和清洗的作用。但是，随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，其流量有时高达80～l00L/min。大量切削液的使用造成了很多有害影响，如零件的生产成本大幅度提高，环境污染严重，对工人的身体健康造成危害等。如在磨削加工时，采用油基磨削液会产生油气，烟雾，使生产环境恶劣，而且磨削液的后期处理成本太高，要改善这种情况可以采用干磨削方式来加工。干式加工是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。由于在加工过程中不采用切削液，所以可获得洁净无污染的切屑，省去了切削液及其处理的高额费用。

千切削加工方法有很多种，如干车削，干铣削、干钻削、干式螺纹加工、干式齿轮加工等。其中干车削是研究和应用最多的一种加工方法。干式加工并不是简单地取消切削液就可以实现，它对刀具材料、机床结构，工艺技术等均有较高的要求。所以，目前它的应用范围还比较有限，而完全采用湿加工又有资源浪费和环境保护等方面的问题。如果将干、湿加工的优点结合，既能够达到加工要求，又能够使切削液的费用降到最低，达到与干切削相同的要求，这种切削方式称为准干式切削。准干式切削是一种介于湿式切削和纯干式切削之间的一种切削方式。一般湿式切削时切削液消耗量可能在5L/min以上，而准干式切削时切削液消耗量可能在50mL/h以下，从而有效节约资源，降低能耗。

3 近净成形技术在绿色制造中的应用

3.1近净成形概述

近净成形技术[3]是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。它是建立在机电一体化、新材料、新能源、精密模具技术、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术的基础上,改进了传统的毛坯成形技术,使得成形的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。该项技术包括近净形铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理改性、表面改性、高精度模具等专业领域,并且是新工艺、新装备、新材料以及各项新技术成果的综合集成技术。近净成形改造了传统的毛坯成形技术,使机械产品毛坯成形实现由粗放到精化的转变,使外部质量作到无余量或接近无余量,内部质量作到无缺陷或接近无缺陷,实现优质、高效、轻量化、低成本的成形。

3.2 近净成形技术特点

近净成形技术具有以下几个特点:①成形体尺寸及形位精度高,为后续采用

高效、高精加工提供了理想的毛坯;②高效、低消耗、低成本,为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有利条件;③可方便、快捷地做出过去很难做出的复杂结构件,为新产品开发提供有力技术支撑;④较传统成形产品改善生产条件、减少对环境污染,成为一种清洁的绿色生产技术,为可持续发展创造有利条件。

3.3近净成形方法应用

3.3.1热等静压成形

热等静压工艺是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，在 900 ～2 000 ℃温度和 100 ～ 200 MPa 压力的共同作用下，向密闭容器中的制品施加各向同等的压力，对制品进行压制、烧结处理的技术［4］。热等静压成形的钛及钛合金制品可达到 100% 致密，具有良好的微观结构，晶粒细小，组织均匀，无织构、偏析现象。

3.3.2半固态成形

半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态转变时固液共存的特性,在成形中降低了加工温度,例如铝合金,与铸造相比,加工温度可降低120℃;变形抗力小,可一次加工形状复杂、精度要求高的零件[5]。这些特性,为零件近净成形实现,提供了一条新途径。半固态加工应该是一个温度概念,即从合金相图上所看出的,该加工是在固一液温度区间内完成。并未涉及合金在固一液温度区间内完成,并没有涉及金属在半固态区间处何种组织状态和持某种特性,即所谓流变性和触变性。

4 总结

人类社会的发展必将走向与自然界的和谐。制造必须充分保护自然环境，保护社会环境、生产环境和生产者的身心健康。制造必然要走“绿色”之路，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。发展现代加工新技术,运用近净成形技术进行工业生产,加速绿色制造进程，是未来工业发展方向。

参考文献

[1] 刘飞. 21世纪制造业的绿色变革与创新[J].机械工程学报,2000,

1(1): 7 10.

[2] 刘飞.绿色制造的内涵、技术体系和发展趋势[J]. WMEM,2001,

6(3): 37 42.

[3] 吕炎.精密塑性体积成形技术[M]. 北京:国防工业出版社,2003.

[4] 朱志斌, 田雪冬. 等静压技术的应用与发展[J]. 现代技术陶瓷,2010,

31 (1):17-24.

[5] 罗守靖,田文彤,谢水生等.半固态加工技术及应用.中国有色金属

学报,2000, 10(6):765一773.