綠色制造技術(shù)在工程機械的研究應(yīng)用

謝 萍，蒙秋紅，譚明鋒

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

綠色制造技術(shù)在工程機械的研究應(yīng)用

謝 萍，蒙秋紅，譚明鋒

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

綠色制造是未來工程機械的重要發(fā)展方向，也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。本文簡要闡述了綠色工程機械制造技術(shù)的概念及其具體內(nèi)容，并基于綠色制造技術(shù)的內(nèi)涵著重討論兩項成熟的、已經(jīng)在工程機械成功應(yīng)用的綠色制造技術(shù)和先進材料，即粉末涂裝技術(shù)和非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用。

工程機械；綠色制造技術(shù)；粉末涂裝；非調(diào)質(zhì)鋼

工程機械作為制造業(yè)的重要組成部分，其制造方式的進步對發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟，降低資源能源消耗、減少“三廢”排放，降低對生態(tài)環(huán)境的影響起著重要的推動作用。當(dāng)前工程機械的許多制造環(huán)節(jié)仍存在大量的污染和浪費，例如熱處理調(diào)質(zhì)中使用的淬火油液、涂裝前處理采用的酸洗磷化液，油漆中的重金屬和“三苯”含量、電鍍液中含致癌物質(zhì)的六價鉻等都對環(huán)境造成污染。因此大力發(fā)展工程機械綠色制造技術(shù)，減少加工過程對環(huán)境的影響，在降低能源和資源消耗的同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本，最終實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展，已成為工程機械企業(yè)責(zé)無旁貸的努力方向。本文基于綠色制造的理念，從技術(shù)制造層面探討工程機械在產(chǎn)品加工過程中如何通過技術(shù)改造、新材料和新設(shè)備引進等途徑最大限度地實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的綠色制造和清潔生產(chǎn)。

1 綠色制造技術(shù)

目前關(guān)于綠色制造技術(shù)的定義有很多[1～7]，通俗地講，就是在保證產(chǎn)品基本功能、滿足質(zhì)量要求和目標(biāo)成本的前提下，全面考慮環(huán)境影響和資源利用率的先進制造模式。它與傳統(tǒng)制造技術(shù)的最大區(qū)別在于，使產(chǎn)品從概念設(shè)計、加工制造、服役使用到報廢后處理整個生命周期內(nèi)不產(chǎn)生環(huán)境污染或污染最小化，符合環(huán)保要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，節(jié)約資源和能源，提高綜合利用效率。

工程機械普遍存在著重、大、笨、粗的現(xiàn)象，制造過程周期長、成型工藝復(fù)雜、生產(chǎn)資料種類繁多、制造系統(tǒng)對環(huán)境污染大、退役后回收困難等問題。在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)制造系統(tǒng)的具體情況，盡量研究和采用物料與能源消耗少、廢棄物少、噪聲低和振動小、對環(huán)境污染小的技術(shù)方案和技術(shù)路線，工程機械實現(xiàn)綠色制造的途徑主要有以下3種。

1）節(jié)約資源型制造技術(shù) 通過在生產(chǎn)過程中優(yōu)化制造系統(tǒng)組成，節(jié)省原材料消耗，并提高資源綜合利用率。例如，涂裝時盡可能采用粉末涂裝或電泳涂裝，提高油漆的利用率；再制造時可采用表面修復(fù)技術(shù)，使局部損傷重新恢復(fù)功能，避免整體廢棄，實現(xiàn)高效利用。

2）降低能耗型制造技術(shù) 盡量減少整個加工過程中的能源消耗。熱處理是能耗較大的工序之一，采用非調(diào)質(zhì)鋼，減少了調(diào)質(zhì)處理工序，可大幅度降低能耗，同時也提高了生產(chǎn)效率。

3）環(huán)境保護型制造技術(shù) 通過一定技術(shù)把生產(chǎn)過程中對環(huán)境和操作者有影響或危害的物質(zhì)盡可能減少或完全消除。如在涂裝過程中，采用粉末涂裝可大幅度降低油漆中“三苯”和重金屬含量，有利于工人身體健康；采用非調(diào)質(zhì)鋼，取消調(diào)質(zhì)工序，減少油淬火油液、廢氣的排放，降低液體對自然環(huán)境的污染。

貫徹國家“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設(shè)節(jié)約型社會”的戰(zhàn)略決策，進行綠色產(chǎn)品的制造，并將綠色制造理念融入到產(chǎn)品設(shè)計之中，設(shè)計出更具節(jié)能減排、降噪環(huán)保的產(chǎn)品，同時更應(yīng)關(guān)注從下料、機加、焊接、熱處理、鑄造到裝配、涂裝等制造過程中產(chǎn)生的對環(huán)境不利因素，采用“四新技術(shù)”（新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備）將其影響降到最低，真正做到清潔生產(chǎn)。以下重點介紹2項成熟的、已經(jīng)獲得工業(yè)應(yīng)用的綠色制造和新材料技術(shù)。

2 粉末涂裝技術(shù)及應(yīng)用

粉末涂裝技術(shù)屬于先進的涂裝技術(shù)之一，粉末涂裝的成膜質(zhì)量好、投資和運行成本低。此外，粉末涂料是一種新型的不含溶劑、100%固體粉末狀涂料，粉末利用可達(dá)95%以上，不產(chǎn)生廢氣、廢水和廢渣，是環(huán)境友好的綠色制造技術(shù)[8]。目前在家電電器行業(yè)、汽車行業(yè)、重型卡車行業(yè)等應(yīng)用均比較普遍，但在工程機械行業(yè)應(yīng)用較少。

2.1 噴涂原理

粉末涂裝一般采用靜電噴涂，粉末在靜電場的作用下吸附到工件上，形成較厚的粉末層，噴涂過程中的落下的粉末經(jīng)回收系統(tǒng)回收后，可重新用于噴涂，幾乎沒有浪費，然后在180～200℃溫度烘烤，使粉末熔溶固化即可得到完好的涂層[8]。粉末涂裝技術(shù)如圖1所示。

2.2 技術(shù)特點

圖1 粉末涂裝技術(shù)

粉末涂料是一次性施工，無需底涂，即可得到足夠厚度的涂膜，生產(chǎn)效率高。涂層致密均勻、結(jié)合力好、抗沖擊強度高和韌性好，邊緣覆蓋率高，具有優(yōu)良的耐老化性能和耐鹽霧性能。此外，設(shè)備占用場地小，不消耗水資源，無需大型送排風(fēng)機，不產(chǎn)生廢氣。粉末涂料與溶劑型涂料的制造特點比較如表1所示。

表1 粉末涂料與溶劑型涂料的特點比較

2.3 粉末涂裝在工程機械的應(yīng)用

工程機械零部件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、板厚不均一，就涂裝而言，一般分為薄板件涂裝、結(jié)構(gòu)件涂裝和小件涂裝。目前粉末涂裝技術(shù)主要成熟應(yīng)用在薄板件涂裝和小件涂裝上，包括駕駛室、扶梯、鋼管、油箱等。涂裝后表面漆膜豐滿度好、光澤度好、硬度和厚度高、抗劃傷性能高，對粗糙不平的表面有良好的覆蓋性，解決了原噴漆工藝中刮膩子及打磨所需的大量工藝時間，為整車不涂漆打下良好的基礎(chǔ)。

相比于薄板件和小件涂裝，粉末噴涂應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件上的案例相對較少，主要原因是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和板厚不一導(dǎo)致烘烤不均勻，能耗較大，綜合運行成本較高。但通過技術(shù)改造，如采用遠(yuǎn)紅外烘烤技術(shù)何燃?xì)廨椛浼訜峒夹g(shù)可有效解決厚板吸熱量大、升溫困難問題，可直接加熱厚板上的粉末層，使粉末熔化和固化，形成良好的涂膜。目前應(yīng)用粉末涂裝技術(shù)的結(jié)構(gòu)件主要包括：挖掘機動臂涂裝線、叉車的車架、門架和裝載機搖臂、油箱、扶梯及管路等[9]。

2.4 粉末涂裝效果

1）降低原輔材料消耗，提高材料利用率 粉末涂裝采用粉末涂料進行一次噴涂技術(shù)，代替油漆（底、面漆），同樣可以得到滿足性能要求的涂膜；粉末涂料可以回收利用，其利用率可達(dá)95%以上，而噴漆過程的油漆，其利用率一般是30%～50%，管子的油漆利用率更是低于15%，因此粉末涂裝在成本上更為節(jié)約。圖2給出了某工程機械廠油漆與粉末涂料年用量的對比數(shù)據(jù)[10]，從圖中明顯看出，無論是噴涂管子、油箱或結(jié)構(gòu)件，粉末的噴涂消耗量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油漆用量。

2）減少廢棄物排放 粉末涂料是一種新型的不含有機溶劑、100%固體的粉末狀涂料，采用多級過濾即可把超細(xì)粉過濾，達(dá)到環(huán)保排放要求，不存在廢氣、廢渣、廢水的排放。表2給出了某工程機械廠采用噴粉新技術(shù)后，油漆“三廢”的減少量和成本降低量。

圖2 油漆與粉末涂料年用量對比

表2 采用噴粉新技術(shù)后油漆“三廢”的減少量

3）有益于職業(yè)健康 粉末噴涂借助空氣作分散介質(zhì)及溶劑，完全不含原噴漆制造中的涂料含有的苯、甲苯、二甲苯等對人體白細(xì)胞明顯傷害的有害物質(zhì)，大大有利于工人的職業(yè)健康保護。

4）能源消耗 粉末涂裝與油漆涂裝相比，減少了水池用水，減少了溶劑的使用，減少了油漆渣的產(chǎn)生，環(huán)境效果良好。

總的來說，粉末涂裝技術(shù)作為一種新型的環(huán)保技術(shù)是綠色制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在工程機械行業(yè)的使用雖然才剛剛起步，但已經(jīng)取得了良好的效果和成熟應(yīng)用。

3 非調(diào)質(zhì)鋼在綠色制造中的應(yīng)用

工程機械重要的零件長期以來采用調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理制造，生產(chǎn)能耗大、周期長，產(chǎn)品成本高、質(zhì)量離散度大，同時調(diào)質(zhì)生產(chǎn)中產(chǎn)生三廢，對環(huán)境造成污染。

半軸、活塞桿、銷軸等零件是工程機械中重要的工作零部件，國內(nèi)工程企業(yè)包括柳工在內(nèi)，仍普遍采用傳統(tǒng)材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)，整個生產(chǎn)過程高能耗、高污染和低效能。制造技術(shù)層次對照汽車行業(yè)已處于落后態(tài)勢，同時也不符合發(fā)展綠色、低碳經(jīng)濟的時代新要求。隨著工程機械行業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，工程機械產(chǎn)品采用非調(diào)質(zhì)鋼制造，取消制造過程中的調(diào)質(zhì)工序以降低能耗和成本，已成為提升工程機械產(chǎn)品制造技術(shù)水平、穩(wěn)定質(zhì)量的一個重要研究方向。以下以半軸為例介紹非調(diào)質(zhì)鋼零件的開發(fā)應(yīng)用。

3.1 非調(diào)質(zhì)鋼半軸設(shè)計選材

非調(diào)質(zhì)鋼是通過添加微量的V、Ti、Nb等元素，主要通過基體組織上彌散析出細(xì)微的碳化物及碳氮化物等來調(diào)整鋼材的機械性能[11]，采用鍛后控制鍛、軋后冷卻方式，獲得強化組織優(yōu)化及分布，提高鋼材的整體綜合機械性能，各項機械性能與調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后相當(dāng)。

工程機械半軸主要承半軸是傳動機構(gòu)中非常重要的承力零件，采用懸浮式支撐結(jié)構(gòu)，運轉(zhuǎn)中主要承受純扭矩作用，此外在工作中承受間斷性沖擊載荷。表層承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大，心部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為零。零件需要具備足夠的強度、韌性；良好的抗疲勞性能。一般需要經(jīng)過表面淬火處理獲得一定的淬硬層。設(shè)計材料具備足夠的淬透性，同時為降低淬火裂紋敏感性，其碳當(dāng)量Ceq控制范圍如下。

3.2 非調(diào)質(zhì)鋼半軸制造流程

圖3給出了調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼加工半軸的工藝流程對比，從制造流程可以看出，采用非調(diào)質(zhì)鋼加工零件，減少了調(diào)質(zhì)處理工序，提高了生產(chǎn)效率，縮短了近30%生產(chǎn)周期；同時不存在由于調(diào)質(zhì)過程產(chǎn)生的變形、開裂及組織缺陷質(zhì)量問題。更為重要的是采用新材料后，可減少調(diào)質(zhì)生產(chǎn)的環(huán)境污染，包括淬火油液、廢氣的排放，更節(jié)能環(huán)保。

圖3 調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼加工半軸流程對比

3.3 非調(diào)質(zhì)鋼半軸開發(fā)應(yīng)用

非調(diào)質(zhì)鋼半軸開發(fā)內(nèi)容包括半軸機加工及熱處理制造試驗、CAE靜扭強度與疲勞強度分析、非調(diào)質(zhì)鋼半軸試驗室靜態(tài)和動態(tài)臺架疲勞壽命對比性試驗、裝機跟蹤試驗等。

裝載機半軸屬于大長徑比的細(xì)長軸類零件，其在傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝淬火時易發(fā)生彎曲變形、開裂等缺陷，調(diào)質(zhì)質(zhì)量控制難度較大。在使用過程中，常因調(diào)質(zhì)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而造成產(chǎn)品早期失效。通過適當(dāng)調(diào)整鋼中碳、硅、錳和釩等元素的含量，開發(fā)了一種半軸用非調(diào)質(zhì)鋼，加工過程中進行中頻感應(yīng)淬火，取消其它熱處理。與20CrMnTi半軸（正火+滲碳淬火+回火）和40Cr半軸（調(diào)質(zhì)+中頻感應(yīng)淬火）相比，非調(diào)質(zhì)鋼半軸具有更佳的淬透性，能獲得更大的表面硬化層深度[12～13]。

圖4給出了調(diào)質(zhì)鋼40Cr和非調(diào)質(zhì)鋼半軸材料的淬透性對比，從圖中可以看出，非調(diào)質(zhì)鋼由于添加Cr和B元素，提高非調(diào)質(zhì)鋼的淬透性，在相同工藝參數(shù)下，可以在后續(xù)的中頻感應(yīng)淬火中穩(wěn)定地獲得更大的馬氏體硬化層深度，見圖5。

圖4 調(diào)質(zhì)鋼40Cr與非調(diào)質(zhì)鋼淬透性曲線

非調(diào)質(zhì)鋼表面感應(yīng)淬火后得到有效硬化層深度為7～10mm，組織是非常細(xì)致的淬火馬氏體組織，見圖6。

半軸靜扭強度試驗依據(jù)汽車半軸技術(shù)條件，在最大加載扭矩為60 000Nm的靜扭試驗機上進行，靜扭強度試驗結(jié)果見表3。

對非調(diào)質(zhì)鋼半軸的靜扭斷口進行微觀形貌分析，見圖7。圖7a顯示斷口起伏較小，有明顯的紋線，紋線從表面向內(nèi)發(fā)散；圖7b為斷口距表層8mm處形貌，顯示為解理斷裂；圖7c顯示心部為沿晶斷裂。

圖5 三種材料半軸熱處理后硬度分布對比

圖6 非調(diào)質(zhì)鋼半軸表層淬火組織

表3 三種材料靜扭試驗結(jié)果

圖7 非調(diào)質(zhì)鋼半軸靜扭斷口SEM照片

疲勞試驗結(jié)果顯示20CrMnTi、40Cr、非調(diào)質(zhì)鋼制造的裝載機半軸加載12 000Nm經(jīng)30萬次疲勞后均完好。20CrMnTi半軸提高載荷到16 000Nm疲勞壽命平均為12.8萬次，40Cr和非調(diào)質(zhì)鋼半軸提高載荷到22 000Nm經(jīng)過45萬次完好。

3.4 非調(diào)質(zhì)鋼使用效果

表4給出了工程機械某產(chǎn)品非調(diào)質(zhì)鋼使用情況。未使用非調(diào)質(zhì)鋼前，每噸調(diào)質(zhì)耗電約750kWh，調(diào)質(zhì)件每年約18 730t，每年需在調(diào)質(zhì)工序耗電1 400萬kWh。使用調(diào)質(zhì)鋼減少調(diào)質(zhì)工序后，每年節(jié)約用電約247萬kWh。

此外，取消調(diào)質(zhì)工藝，減少了產(chǎn)品因熱處理造成的質(zhì)量缺陷損失，零部件質(zhì)量的可控性和穩(wěn)定性增強，同時可節(jié)約大量能源，減少廢氣、廢水的排放，并縮短制造周期，降低產(chǎn)品制造成本。根據(jù)已裝機的超過4萬根非調(diào)質(zhì)鋼半軸的用戶跟蹤信息，最長工作時間超過10 000h，均未發(fā)生失效[14]。試驗和應(yīng)用結(jié)果表明，非調(diào)質(zhì)鋼替代調(diào)質(zhì)鋼制造工程機械半軸是完全可行和可靠的。

表4 工程機械某產(chǎn)品非調(diào)質(zhì)鋼使用情況統(tǒng)計

4 結(jié) 語

1）粉末涂裝作為一種新型的環(huán)保技術(shù)是綠色制造技術(shù)重要表現(xiàn)形式之一，相比溶劑型涂料涂裝的傳統(tǒng)制造技術(shù)，粉末涂裝具有低污染、利用率高和投資回報率高等優(yōu)點，使其在工程機械涂裝領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

2）非調(diào)質(zhì)鋼作為一種“綠色材料”，具有節(jié)約能源、減少工件變形和開裂、減少環(huán)境污染等優(yōu)點，受到世界各工程機械產(chǎn)品綠色制造的普遍重視，并開始應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域。

3）雖然非調(diào)質(zhì)鋼研究應(yīng)用有巨大的潛力，但由于我們對非調(diào)質(zhì)鋼的了解和研究還相當(dāng)不足，加之工程機械產(chǎn)品種類多，工況和服役條件復(fù)雜，需要根據(jù)產(chǎn)品的不同需求，研究適合產(chǎn)品所需要的鋼種和工藝方法。

以上綠色制造技術(shù)在工程機械其他產(chǎn)品線的生產(chǎn)制造過程中逐步推廣和應(yīng)用，將有利于提高工程機械的產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和運營成本，在全球經(jīng)濟環(huán)境下進一步提高我國工程機械產(chǎn)品的競爭力，減少污染物對環(huán)境的影響，為人類的可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮不可低估的作用。

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（編輯 吳學(xué)松）

Research and application of green manufacturing technology in construction machinery

XIE Ping, MENG Qiu-hong, TAN Ming-feng

國家863計劃(2104AA041502)

TU605

B

1001-1366(2015)01-0059-06

2014-11-21