基于绿色理念的机械制造业的发展

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摘要：随着人们对环境问题的重视，机械制造业面临重要转型，绿色制造成为必然选择。本文通过介绍国内外绿色制造的发展状况，阐述了绿色设计、绿色制造流程、绿色产品等理念，以期为我国绿色机械制造的理论研究和实践应用提供参考。

关键词：机械制造 绿色制造 绿色设计 绿色产品

引 言

机械制造业作为我国经济发展的支柱和核心产业，其行业发展对我国国民经济及社会的发展都发挥着重要的推动作用。但是，在推动经济发展的同时，也造成了环境的污染和破坏。在20世纪，人类社会生产力以前所未有的速度迅猛发展，与此同时，地球的生态环境也在以前所未有的速度急剧恶化。物质文明的发展所带来的损害，令人们反省过去漠视环境的保护的后果，从宏观到微观，环境保护意识已经渗透到人类生产、生活、生存的方方面面。此外，随着人类社会的发展和进步， 经济、资源、市场、政治及军事等方面的激烈竞争，使得人们对自然资源的利用极尽所能。人们在越来越充分地利用自然的同时，其实也给人类生命和财产的安全， 生产、生活必不可少的自然资源，造成了越来越多而且越来越严重的隐患。近年来，运输工具与机械设备（如汽车、飞机、列车、船舶等）日益向大型、重载和高速方面发展，消耗与使用了大量的原材料与能源。

在此背景下，绿色理念正是为了防范制造业发展所带来的负面影响而全面实施的新的发展战略理念。在绿色理念的贯穿下，开发及应用机械制造技术成为机械制造行业贯彻可持续发展战略的必由之路。已经颁布实施的ISO9000 系列国际质量标准和ISO14000 国际环保标准为制造业提出了一个新的课题，就是快速实现制造的绿色化。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。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时原材料和能源的利用效率能达到最高。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，也是未来制造业自动化系统必须考虑的重要问题。

一、绿色制造的国内外发展现状

（一）国外发展

绿色制造相关内容最早可追溯到20世纪30年代，但直到1996年才由美国制造工程师学会（SME）在其发表的关于绿色制造的专门蓝皮书中比较系统地提出绿色制造的概念、内涵和基本内容。1998年SME 在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势的网上主题报告，对绿色制造的重要性和相关问题作了进一步的介绍。

近年来，西方国家绿色制造及其相关问题的研究相当活跃，尤其是在美国、加拿大、德国等发达国家。在美国，包括国家重点实验室和国家研究中心，以及著名的麻省理工学院和加州大学，绿色制造研究规模庞大。卡奈基梅隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、管理、制造、法规制定等的研究和教育工作， 并与政府、企业、基金会等广泛合作。加州大学伯克利分校不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页。许多企业也进行了大量研究。1996年在美国SME 学会召开的绿色制造研究圆桌会议上，来自企业界的代表占大多数。美国AT&T公司还在企业技术学报上发表了许多有关绿色制造的研究论文。美国国家科学基金会也对绿色制造研究高度重视。如美国国家科学基金会1999年资助课题报告会所资助的与绿色制造相关的研究课题多达十余项。加拿大Windsor 大学建立了环境意识设计和制造实验室（ ECDM Lab）和基于网上信息库，出版《国际环境意识设计与制造杂志》，对环境意识制造中的环境性设计、生命周期分析等进行了深入研究。在欧洲，国际生产工程学会CIRP 近几年每年均有许多论文对绿色制造相关问题进行研究。英国可持续中心（The Center for Sustainable Design） 对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究，并出版《可持续生产设计杂志》。总之，绿色制造的研究己在全世界迅速展开。特别是近年来国际标准化组织ISO的环境管理体系ISO14000系列标准，大大推动了绿色制造的迅速发展。

（二）国内发展

目前，我国的机械制造业大多采用的还是高投入的粗放型发展模式，资源和能源消耗大，效率低，“三废”排放量大，环境污染严重。在各类产品的加工过程中，所产生的各类污染物相当惊人。另外，传统制造业一般是纯粹从经济效益的角度去实施制造过程的，在设计产品时着力考虑产品的功能与品质，制造产品时片面追求高效益和低成本，注重的是如何以最低的成本高效率地产出产品，加上不断涌现的新颖高效的先进制造技术，推动了制造业的快速发展，产品更新换代周期不断缩短，加速了材料的消耗和工艺装备的淘汰；同时也产生了更多的废弃物，从而使人类赖以生存的环境不堪重负，严重制约了社会经济及人类文明的可持续发展。

我国近年来在绿色制造及相关领域也进行了大量的研究。国家自然科学基金和国家863 计划/ CIMS 主题均支持了一定数量的绿色制造研究课题，并己取得了一定研究成果。国内一些高校和科研机构对绿色制造的理论体系、专题技术等进行了大量的研究。1996 年成立了国家环保总局华夏环境管理体系审核中心， 专门负责IS014000 系列标准在我国的实施。ISO14000 环境管理体系标准己引起了我国众多企业的高度重视，至今己有包括厦门ABB 开关有限公司、青岛海尔电冰箱股份有限公司等多家企业获得ISO14000 标准认证。

二、 绿色设计

研究表明，产品性能70%～80%是在设计阶段形成的，而设计本身的成本，仅为产品总成本的10%。产品的设计阶段造成的对生态环境的破坏程度，远远大于由设计过程本身所造成的对生态环境的破坏。因此只有在设计的初期阶段，按照绿色产品的特点规划、设计产品、即进行绿色设计，才能保证产品最终的“绿色”。因此，要想从根本上解决问题，只有从设计阶段着手，才能最终实现从粗放型向集约型的发展模式转变，实现国民经济持续、健康、稳定发展。

在传统设计过程中，设计人员主要是根据产品的性能、品质和成本要求等指标进行设计，对产品的维护性、拆卸性、回收性、淘汰废弃产品的处理及处置，以及对生态环境考虑得较少，甚至根本就不考虑。这样生产出来得产品，会影响人类的生活品质和生态环境，造成资源和能源的大量浪费，影响其发展的持续性。

绿色设计是这样一种设计，即在产品的整个寿命周期内（ 设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理），着重考虑产品的环境属性（自然资源的利用、对环境和人的影响、可拆卸性、可回收性、可重复利用性等），并将其作为设计目标， 在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。简言之，绿色设计是指以高效利用资源和能源获得绿色产品为目的的设计。

绿色设计是绿色制造中的关键技术，绿色设计的一个重要趋势就是与并行工程结合， 形成一种新的产品设计和开发模式——绿色并行工程。绿色并行工程又称为绿色并行设计， 是现代绿色产品设计和开发的新模式。它是一个系统方法，以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素， 如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。

绿色产品设计，主要涉及以下方面的内容：

（1）环境保护。主要考虑产品生命周期内对环境所产生的影响。

（2）工作条件。在产品的设计阶段考虑产品在制造、使用和废弃/回收再生过程中诸如噪音、振动、热、化学物质以及点辐射等对人的健康的损害。

（3）资源优化。不仅研究在制造过程中物资和能量的有效利用，还要研究在销售、使用和废弃/回收再生过程中物资和能量的有效利用。

（4）产品成本。在产品成本核算的过程中，不仅要考虑设计、制造和销售成本的核算，还有考虑包括使用和废弃/回收再生过程中用户和社会所承担的成本。

三、绿色制造流程

（一） 绿色制造工艺技术

绿色制造工艺技术是以传统工艺技术为基础，并结合环境科学、材料科学、能源科学、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。从节约资源的工艺技术方面来说， 在机械加工中， 绿色制造工艺技术主要应用在少无切屑加工技术、干式加工技术、新型特种加工技术3个方面。

1、干式加工

干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。干式加工就是在加工过程中不用冷却液的加工工艺。这种工艺方法从原理上讲并不新。且已在生产中有较长时间的应用（如铸铁的干铣削等），但其内涵却与以往有很大不同。因为这里的干式加工已不仅局限于铸铁材料的加工。而是力图在所有材料加工及所有加工方法中均采用干式加工。就目

前来看，干式加工范围还较为有限，但其研究和应用已成为加工领域的一个新热点。近年来.美国在制造业广泛采用了干式加工。在欧洲已有一半的企业采用了干切削加工技术，尤其在德国，应用更为广泛。准干式加工或最少切削液切削加工是一种介于湿式加工与干式加工之间的加工技术。准干式加工是将压缩空气和少量切削液混合气化后喷射到加工区，对刀具与工件之间进行的加工部位进行。它所使用的切削液很少，约占湿加工的六万分之一，但其效果却十分明显。它弥补了完全干式加工应用范围的局限性和完全湿式加工的诸多不足，结合了两者的优点.既满足了加工的要求，又使与切削液有关的费用降至最低.并可取得与完全干式加工相同的效果。准干式切削技术只要使用适当，刀具、工件和切削必然是干燥的，因而可避免切削液的处理过程。

2、刀具技术

干式加工对刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性，良好的耐磨性耐热冲击和抗粘结性，现在立方氮化硼、聚晶金刚石、超细晶粒硬质合金等超硬材料已经广泛应用于干切削。经研究表明，高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后也可以用于干切削。在对刀具的几何参数和结构设计时。要满足干切削对断屑和排屑的要求。对韧性材料的加工来说，断屑是很关键的，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。

3、机床技术

干式加工在切削区域会产生大量的切削热，如果不及时散热，会使机床受热不均而产生热变形，这个热变形就成为影响工件加工精度的一个重要因素。因此机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行.这样可以减少传到工件、刀具和机床上的热量。干切削时产生的切屑是干燥的。这样可以尽可能地将干切削机床设计成立轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板用绝热材料制成.在机床上配置过滤系统排出灰尘.对机床主要部位进行隔离。

（二）实现绿色机械加工的主要途径

1、 网络化

制造的网络化， 特别是基于Internet/ Intranet 的制造已成为重要的发展趋势。作为机械制造重要基础的绿色机械加工也需要大力推进网络化。通过企业局域网将各个分散的加工中心、数控设备等联接起来， 可便于机械加工控制中心对整个加工进程进行总体监控， 同时还可与企业中的工程设计系统、管理信息系统等各子系统实现集成， 便于优化决策。

2、 信息化

绿色机械加工的追求目标是实现整体最优化加工， 即从系统的观点出发， 全面考虑企业和整个社会的综合成本， 综合分析不同的材料、零部件、设备等加工因素， 优化选择冷却方式、冷却介质及用量、加工参数等， 确定最合理的加工方案， 以实现加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低的目标。信息化是实施绿色机械加工的关键要素及有效手段。为实现整体最优化加工， 需要建立加工设备、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源等相关资料的机械加工数据库， 采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种绿色机械加工方法（ 如高速切削、干切削、硬切削、MQL 等） 进行建模、仿真、虚拟加工和决策， 并通过Intranet 与企业的其它数据库系统互联共享， 实现并行设计与生产。

3、柔性化

现代生产方式已由大批量、单一品种生产逐渐转变为小批量、多品种生产， 要求生产企业能够根据市场变化作出敏捷反应， 快速适应市场需求。绿色机械加工的柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性和扩展柔性。加工系统应能实现快速重构， 对新产品开发及产品更新换代具有快速响应能力， 以最小成本和最短时间适应加工任务及环境的变化。

四、绿色产品

（一） 绿色产品的定义及特征

根据绿色设计的要求， 最终产品应该是绿色产品。绿色产品则是指在具有特定功能的前提下，对环境（包括其中的动、植物）和人体健康不造成危害的产品。例如，作为绿色产品的绿色汽车应该满足以下条件：

（1） 在车型开发之前应该建立基于环境因素的设计规范，以保证制造装配过程、产品的运输销售过程、消费者使用过程、回收再生过程都不会引起的环境问题。

（2） 在生产制造过程中不得对环境产生损害，包括噪声、振动、热、化学物质、电辐射等等。

（3） 汽车的能耗要低，效率要高，对环境影响要少。

（4） 汽车报废时要能够方便地拆卸和回收。

（二）基于生命周期视角的绿色产品开发过程分析

首先，开发过程要对生命周期内的产品有清晰的决策目标。在传统的产品开发中，开发目标主要集中于最终产品和制造过程中的质量Q、成本C、时间T，使开发出的产品质量尽可能高，成本尽可能低，制造时间尽可能短。绿

色产品开发的目标则在此基础上有所扩展，即除了质量、成本、时间这3项外，还重视环保方面的因素，这方面包括两个目标：资源消耗R和污染排放P。绿色产品开发中要考虑使产品在制造、使用过程中的资源消耗和污染排放最小化。资源消耗主要包括：原材料消耗、能源消耗、制造中的物料消耗、包装消耗、运输中的能源消耗、使用中的能源消耗等。污染排放则包括：废弃物、废水、废气、粉尘排放、噪声干扰等。这5个目标应该作为绿色产品开发过程中创意筛选、方案选择、工艺设计以及每一个决策环节所要考虑的因素和追求的目标，并作为产品开发人员思考的主线与原则。

其次，在绿色产品开发中最好采用并行工程（CE.Concurrent Engineering）的开发模式。并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式。我们知道，新产品开发必须经过一系列阶段，包括创意来源——方案遴选——概念与产品测试——试产——正式投放市场。长期以来的一种模式是各个阶段呈顺序或串行方式进行，这种开发模式的缺陷是设计阶段无法预见或考察后续制造过程中可能出现的问题，导致设计与制造脱节”1。而在并行工程的模式下产品开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）内各阶段的因素（如功能、制造、装配、质量、成本、能耗、环保等），并强调各部门的协同工作，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，以避免或减少那些导致方案运行到后期不得不返工的设计错误。它要求绿色企业必须关注其产品生命周期的各个阶段，主要包括产品设计、制造和回收，并对每一过程进行优化。运用并行工程进行绿色产品开发不仅能缩短研发周期、减少研发及制造费用，还能充分考虑产品全生命周期内的各项因素，从而提高产品的质量、绿色度，更好地满足顾客需求，增强产品的竞争能力。可见。并行工程理念本身也包含了绿色产品开发所要求的对产品全生命周期因素的考虑，绿色产品开发对应用并行工程模式具有较强的契合度和需求度。

绿色产品的开发尤其要考虑其生命周期内的资源消耗和污染排放。为了达到减少资源消耗和污染排放这两个环保目标，必须在开发阶段进行产

品生命周期内的分析和设计。这种分析的工具就是生命周期评估（LCA，Life Cycle Assessment）。IS014040环境管理TC 207 SC5将其定义为：汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个生命周期内的所有投入及产出对环境造成的直接的和潜在的影响的方法。生命周期评估包括以下4个阶段：①目的与范围确定（Goal and Scope Definition）。将生命周期评估研究的目的及

范围予以清楚地确定，使其与预期的应用相一致；②清单分析（Inventory Analysis）。编制一份与所研究的产品系统有关的投入产出清单，包含资料搜集及运算，以便量化一个产品系统的相关投入与产出，这些投入与产出包括资源的使用及对空气、水体及土地的污染排放等；③影响评估（Impact Assessment）。采用生命周期清单分析的结果，来评估与这些投入产出相关的潜在环境影响；④解释说明（Interpretation）。将清单分析及影响评估所发现的与研究目的有关的结果合并在一起，形成结论与建议。生命周期评估要对生命周期内的每个阶段进行评估，其评估结果又对每个阶段具有指导意义。它不仅能显示当前产品的状况，还能提供未来开发方案的改进方向。因此生命周期分析应该持续地进行，而不是只在一个产品开发项目里进行。在产品生命周期分析的基础上，结合企业的战略对产品进行生命周期的设计，主要包括：绿色材料设计、绿色工艺设计、绿色包装设计、回收处理设计、面向产品使用的设计哺]。其中每一个技术方案的确定都应该以生命周期评估的结果为基础，同时结合企业的产品战略，制定出当前采取的方案和未来改进的方向。例如，企业当前的产品在市场上占据领先地位，而且尚未面临政策性限制和市场壁垒等环保压力，那么近期的开发方案可以优先考虑降低成本、提高质量、增加柔性等方面，根据生命周期评估的绿色改进方向确定未来一段时间内提升产品绿色性的方案。再如，产品处于市场追随者地位的企业，在近期的开发方案上应该大幅度提高产品的绿色性，开发出差异化产品，从而提高产品竞争力，抢占市场份额，在短期内可以允许成本提高等其它因素的影响，在未来的改进方案中再解决这些问题。

五、结语

随着人类对环境污染问题的重视度的提高，机械制造企业需转换产业运行方式。现代机械制造业应实施可持续发展的发展模式，从而适应全球化经济的发展要求。在技术领域中，随着绿色理念的渗入及技术的进步，绿色制造技术的进步对社会和经济具有重大的意义。因此，我国的机械制造业应抓住发展机遇，把握现代机械制造技术的发展动向，使我国的机械制造业得到持续稳定的进步与发展。■

参考文献

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