浅谈机械加工制造中的绿色制造工艺余海平

余海平

余海平

佛山市南海恒超金属制品有限公司

摘要：国家节能减排政策的提出，绿色生态越来越越深入人心。科学技术智能化、自动化进程不断完善，加快我国制造业发展速度，促使制造业产业链优化升级，体系制度逐步完备。在机械加工制造中，绿色制造工业或先进制造工业应运而生，贯彻节能减排政策，绿色无污染的发展理念，同时利用绿色制造工艺和先进科学技术促使企业的稳定持续发展，本文通过介绍绿色制造工艺在我国机械加工中的应用，分析其优势所在，旨在推进绿色制造工艺在我国的机械加工领域的广泛应用和快速发展。

关键词：机械加工绿色制造

引言：制造业是实体经济的主体，是技术创新的主战场，是供给侧结构性改革的重要领域。新工业革命与我国实施制造强国战略形成历史性交汇，我们必须把握变革趋势和时间窗口，做好信息化与工业化深度融合这篇大文章，努力抢占新一轮产业竞争制高点。例如，美国公布了《重振美国制造业框架》，把美国经济发展重点重新转移到制造业上来；法国推出了为期10年的《新工业化法国》战略；德国提出"工业4.0"概念；我国提出"中国制造2025"，提高我国装备制造业的发展水平。

传统机械加工制造中，产生的三废，不合标准的处理方式，严重污染周边的水源和空气，破坏生态平衡，威胁着人类的健康和生活。温室效应、空气污染严重等不利因素的产生，使人们逐渐认识到节能减排的重要性和绿色可持续发展的迫切性，因此各行各业都在探索绿色发展的新途径。科学技术智能化。自动化进程日新月异，绿色制造工艺在机械加工制造中的应用日趋广泛，被认可度和关注度持续增加。本文将通过介绍绿色制造工艺概念和特点、几种应用在机械加工中的绿色制造工艺以及推动绿色制造工艺发展的举措等三个方面，以阐释绿色制造工艺的较传统制造工艺的优势和长处，促进绿色制造技术的发展和应用。

一、绿色制造技术的概念和特点

绿色制造技术是集多种学科为一体的新型生产制造技术，主要包括传统制造工艺学、材料学、控制学以及表面技术等，其工艺在技术上可以分为节省能源型、节约资源型和环保型三类。节省能源型重在强调减少在加工过程中能源使用及损耗。例如煤炭燃烧产生的热量无法被利用或者利用率不高，加工制造中的磨损和摩擦。节约能源型指在产品制造加工时减少或者节约生产材料，例如太阳能发电、风能发电等技术在很多企业的应用。环保型旨在产品加工过程中减少污染添加剂或污染性废弃物产生，将不利于生态环境的不利因素降到最低水平，例如在日常生活中我们用可降解方便袋取代不可降解的塑料袋产品。

绿色制造工艺的特点就是在于保护环境、节约资源、能源优化的同时，还能够提高企业生产效率、降低能耗。（1）系统性绿色制造除了能够保证企业中的一般制造功能外，还能够保证资源利用率达到最大化和生产制造中产生的废弃物最小化。（2）预防性绿色制造工艺能对产品生产过程中容易产生废弃物的节点提前进行预防，保证污染源减少和资源的回收利用。（3）适合性绿色制造工艺强调与产品的特点和工艺要求相结合，既能够完成企业的生产指标和发展需要，又能够不损害生态环境和资源。（4）经济性绿色制造工艺的投入一次性投入可能很高，但从长远和发展的角度来看，其节省的原材料、减少能源消耗、降低排放等反而会提高产品的经济性，缩减企业在产品上的投资和成本。（5）动态性绿色制造工艺并不是一成不变的，而是随着科学技术的发展，市场需求的变化，绿色制造工艺不断更新和升级，其内容也会不断发生革新，不断地成熟发展和逐步完善。

二、机械加工中应用的绿色制造工艺

（一）数控单点渐进成形工艺

数控单点渐进成形工艺是日本学者在20世纪90年代初提出的一种新型的金属板材成形技术。该技术在当今市场向多元化、个性化方向发展的背景下诞生的，是适用于复杂的零件单件或小批量生产的一种柔性加工方法。此外，作为一种新型的加工成形技术，其优点是不需要专用模具或仅需要简单的模具，就可以在局部区域成形出常规方法无法成形的复杂曲面形状；同时，由于局部成形所需要的成形力，设备能耗低，所以属于绿色制造加工。

数控单点渐进成形工艺其思路是将复杂的三维形状分解成一系列等高线层,并以成形头沿等高线运动的方式,在二维层面上进行塑性加工,从而实现了金属板料的数字化制造。作为一种新型的柔性化制造技术，将快速原型制造技术与塑性成形技术有机结合，相比于传统的板材模具成型有着诸多优势，对于新产品的开发有着巨大的经济价值。

伴随着自动化和智能化水平的提高，板材数控单点渐进成形工艺已广泛应用到不同行业原型件和试验件的制造中，例如在航空航天领域、医疗领域以及汽车制造领域等都已经有了广泛的应用基矗航天器结构中薄壁零件制造的关键技术是航天器薄板成形技术。目前生产航天器大型球面蒙皮结构件所采用的超塑成形技术面临着生产成本高、工艺设备大、成形难度大等问题,而航天器带加强筋的薄壁结构件采用传统的成形方法根本无法成功成形。为了解决航天器大型球面蒙皮结构件以及带加强筋的薄壁结构件的上述生产瓶颈问题，引入数控单点渐进成形工艺就可以很好地解决此问题，为航天器薄壁件提供了一种全新的成形技术。另外将此技术引入到汽车公司的新车型的快速开发以及汽车覆盖件的制造，将会大大的节省产品开发过程中因模具设计、制造、试模、修模和实验修改等过程所消耗的时间和资金。

（二）干式切削工艺

在机械制造加工过程中，切削工艺是最为常见的一种加工工艺，为了减少摩擦生热，保证切削制件的切削精度，获得优异的切削性能，在加工过程中会使用大量的切削液。首先切削液的使用不仅对环境带来了污染，而且还加大了企业的生产成本，很显然这种生产方式并存在着弊端和不足，不属于绿色制造工业。目前在切削工艺中绿色无污染且应用最为广泛的是干式切削工艺。

干式切削加工工艺是在采用很高的切削速度在无冷却、润滑油剂的情况下进行的切削加工。干式切削工艺对刀具材料具有较高的要求条件。应用于干式切削加工的刀具材料一般具有红硬性和热韧性，并具有良好的耐磨性和耐热冲击性等，常见的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石等硬性材料。首先，在干式切削加工过程中，随着数控机床技术的不断发展，机床的刚性和动态性性能日渐优异，提供加工所需的高切削速度并非难事，利用机床提供的高切削速度，缩短数控机床刀具与制件之间的两两接触时间，减少两两摩擦，从而减少加工耗能和制件的温度提升，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。这样干式切削工艺仅能够减少对切削液排屑作用的依赖，改善了相关人员工作环境，还免去了企业购置切削液的费用和处理切削液的回收净化成本。总之，干式切削工艺作为新型的切削工艺，其发展更适合于国情发展，在企业的应用也显示出其独特的优点，切削加工型企业想在竞争激烈的工业制造中站住脚跟，必须不断提高其产品的技术含量和工艺创新能力，目前来看，干式切削加工是最佳的一条绿色可持续途径。

（三）激光焊接工艺

激光焊接工艺就是不同形状、不同尺寸、不同厚度的金属板利用高能量密度的激光束作为热源，将这些小的金属板焊接成一个整体的板块。其焊接原理通过控制激光束的宽度、峰值功率等参数，激光束辐射在待加工表面，致使金属表面温度逐渐升高，热量通过热传导达到内部，将相邻的金属熔化，形成熔池，待冷却后，凝固成一体。激光焊接工艺之所以能作为绿色制造工艺，首先表现在其应用范围广，可焊接的材料种类多、范围广，可以结合各种异性材料。另外，激光焊接工艺是电脑控制，自动化程度高，焊接的速度快，而且焊接质量和精度高，不会发生像电弧焊容易出现的回熔的现象。以其独特的优势和特点能为公司节省焊接成本，提高焊接速度和焊接质量。目前为止，激光焊接工艺广泛的应用与汽车制造行业，汽车盖板的焊接便是激光焊接，既能够保证焊接质量，又能保证焊接制品的美观性，在节省材料的基础上，提升汽车制造生产率。激光焊接工艺的出现充分的改善了汽车焊接存在的很多问题，因此，作为一种新的工艺技术，应用和发展其优势，也要在运用的过程中不断的创新和探索，不断提高其性能和功效。

（四）低温冷风微量润滑切削工艺

温冷风微量润滑切削工艺（CW-MQL）是使用特殊设备产生的-10℃-90℃的冷风并配合微量润滑技术实现加工时对刀具和工具的冷却及润滑，替代传统的切削液，该工艺能够降低切削液的使用，保护生态环境，是属于绿色制造的工艺类型。经研究发现，温冷风微量润滑切削工艺设置合适的相关参数，将冷风调至低于60℃时，工件加工界面的残余应力趋向于0，有利于提高加工精度，保证加工质量。另外，温冷风微量润滑切削工艺还能够提高刀具的使用寿命、提高加工制件的精度和加工效率。最后，温冷风微量润滑切削工艺可以免除油雾装备以及切削液循环系统的成本费用支出，节约了切削液循环系统所占用的空间，整体上降低机床制造成本。传统切削液加工的方式已经无法满足高速以及难加工制件的加工，也无法满足国家政策所要求的绿色持续发展、降低能源消耗、污染最小化等。温冷风微量润滑切削工艺是另外一种能够降低切削液使用量，还能够改进切削性能，减少数控机床刀具磨损，亦是除干式切削工艺之外的一种真正的、绿色制造工艺，值得切削加工型企业互相间推广使用。

（五）制造仿真模拟技术

在机械制造过程中经常会对制件进行生产前试产，从制件的设计到机械加工的正式投产，所需的周期很长，花费的投入巨大，其结果还有可能未知，并不是最优化的选择方案。随着信息化、网络化的不断发展，仿真模拟技术在现在的机械加工中起到了至关重要的作用。仿真模拟技术是通过计算机和专用物理效应设备为工具，利用系统模拟对实际或者设想的系统进行动态实验的一门综合性技术。仿真模拟技术是在设计方案之初，首先建立产品的数字化模型，并构建数字化模型的相互关系，然后在计算机上进行不同状况下的仿真模拟分析，模拟产品最终的性能属性，通过在计算机上模拟的最终性能属性分析出制件在机械加工中容易出现缺陷的部分或者分析出为什么制件成形失败等问题，极大地缩短了产品的的开发过程，优化产品的性能，极大地减小了企业对于新制件的资金投入，从而提高了设计开发效率。比如，在没有仿真模拟技术的时候，企业设计一台汽车，从冲压模具设计、车身焊接、油漆喷涂以及到最终的组装，其中只是模具的设计，中间还要不断地试模具、修模具、调模具到生产就要一到两年的时间，组装完成以后还要经过反复的碰撞试验，在这个试验中也会破坏很多新车，研发周期很长。而有了仿真模拟技术，在对应的软件中设定好指令和程序，碰撞结果很快就会出来，其结果数据能够反映出在碰撞试验中汽车各个部位的受力情况等。随着仿真模拟技术的发展，其在各个领域的应用也越来越广泛。

三、推动绿色制造业发展的举措

（一）选取绿色设计

绿色设计指的是在产品整个生命周期内，着重考虑产品对自然资源、环境影响，将可拆除性、可回收性、可重复利用性等要素融入到产品设计的各个环节中去。绿色设计包括以下三个要素：(1)二次利用要求产品及其零部件和附件外包装能够被反复使用。工程师应该按照国家标准对零件进行设计，而且还要做到精简。产品在生产中不仅用料少，而且还能够降低生产成本。（2）循环回收要求生产出来的物品在完成其功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。再循环有两种情况，一是原级再循环，即废品被循环用来作为同种类型新产品的原材料；另一种是次级再循环，即将废物资源转化为生产其他类型产品的原材料。两者综合对比来看，原级再循环能够更好的节省自然资源，符合绿色设计理念。（3）节约资源要求用较少的原料和能源投入来达到既定的生产或消费目的，进而从源头就注意节约资源和减少污染。

（二）选取绿色选材

在机械加工制造中，原材料的选取至关重要，不仅直接影响着产品的最终成形质量，而且还直接影响着企业对于原材料的投入。因此，绿色制造工艺需要选取绿色的原材料，主要体现在所选取的材料不仅能够满足企业制造生产的使用性能和生产特性，而且还能够满足对环境友好，不污染环境。经过机械制造加工以后，材料仍能够满足回收可利用的效果。所以，我们在选择原材料时应坚守几个原则：首先，在同样能够满足机械加工制造的条件情况下，我们应该优先选择可再生材料、对环境无影响的材料。另外，在符合绿色材料定义情况下，我们应该选用低购买成本，无污染的材料。最后，同样是符合绿色材料的定义情况下，选择环境、制造质量、制造精度、制造成本最为兼容的材料。

（三）选取绿色工艺

在机械制造加工过程中，工艺是保证能够在此过程中保证制件的质量和标准能够满足制造要求。所以，企业应该在选取工艺时，应该综合考虑环境、制造、成本等，采用合适的绿色制造工艺方案，既能够降低生产过程中的能源消耗，减少对环境的污染，提高生产效率和产品合格率，进而从长远发展的角度来减少投资成本。

（四）选取绿色处理

绿色处理主要是指在产品达到报废标准后，通过回收再生产的方法制造成最新产品的处理方法，此方法是可再生绿色发展方案。另外，对于某些产品不可在回收利用，企业也应该采用绿色处理方法，对不可回收利用的产品进行处理,以防止其对环境造成污染和破坏，影响生态平衡。所以，企业在确定绿色设计方案的同时应该将相应的绿色处理方案加以确定，充分考虑产品的回收利用或者无污染方式处理。

（五）其他举措

绿色制造工艺对机械加工有着极大地对推动作用，所以企业应加大对绿色制造工艺的认可和应用。首先，企业应加强团队建设，重视研发人员的培养和招募，鼓励团队对绿色制造工艺进行探讨和分析，因地制宜，取其精华，弃其糟粕，对绿色制造工艺不断优化和完善，提高绿色制造工艺在制造团队的认可度。其次，企业也应加大对绿色制造工艺的投入开发，绿色制造工艺作为新型制造工艺，对环境无污染、生产效率高、产品质量高等将诸多优势，值得广大企业投资开发，完善生产制造工艺，不但是为了企业的效应和发展，更是为了人类自身的可持续发展。最后，国家也应该出台相应的支持绿色制造工艺发展的政策，鼓励广大企业应用绿色制造工艺，并给予相应的企业以技术帮扶和资金帮助。

四、结束语

随着科技进步发展，我国可持续发展重要举措不会更改，绿色制造工艺作为一种新型的制造工艺，能够响应国家政策，在制造业中也越来越备受重视。在今后的发展中，绿色制造技术必将在制造业中占据一席之地。

参考文献

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