機(jī)械設(shè)計(jì)制造中綠色制造技術(shù)的應(yīng)用

高崖苒

隨著全球能源的緊張以及人們對于生態(tài)環(huán)保的重視，綠色制造技術(shù)越來越多地被提及，并付諸于工業(yè)生產(chǎn)中?；趯Νh(huán)境的保護(hù)與資源的合理利用，綠色制造技術(shù)以綠色發(fā)展理念為原則，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到最終生產(chǎn)，包括回收處理與再制造整個(gè)生命周期，做到環(huán)境保護(hù)、節(jié)約成本、最大程度的利用資源。綠色制造技術(shù)不單指綠色制造，還包括綠色設(shè)計(jì)、綠色包裝、綠色回收等諸多方面，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，綠色制造技術(shù)具有著廣泛的應(yīng)用前景。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域里，合理運(yùn)用科學(xué)設(shè)計(jì)方法，采用先進(jìn)加工制造手段，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效益的前提下，減少對環(huán)境的破壞與資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 綠色設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

綠色設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中，以綠色理念為指導(dǎo)，利用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸、加工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)制造過程的簡化、成本的降低、生產(chǎn)的清潔。綠色設(shè)計(jì)要充分考慮產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、成本以及與應(yīng)用環(huán)境的關(guān)系等因素，最大程度實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、可循環(huán)的特點(diǎn)。下面討論幾種機(jī)械設(shè)計(jì)中的綠色設(shè)計(jì)方法。

1.1 數(shù)學(xué)建模與仿真技術(shù)

數(shù)學(xué)建模方法與仿真模擬技術(shù)是綠色設(shè)計(jì)中極為重要的部分，將建模與仿真技術(shù)與綠色設(shè)計(jì)思想相結(jié)合在一起，采用綠色設(shè)計(jì)達(dá)到資源合理利用、環(huán)境無污染的目的。

數(shù)學(xué)建模過程是通過建立數(shù)學(xué)模型來表征實(shí)際情況，通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，解決工程問題。仿真技術(shù)是采用硬件或軟件仿真實(shí)驗(yàn)來模擬實(shí)際工作情況，然后進(jìn)行系統(tǒng)的模擬計(jì)算，最終得出產(chǎn)品性能的測試結(jié)果。在過去為了獲取良好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到最佳功效，往往需要反復(fù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，造成了制造成本提高、資源浪費(fèi)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，合理利用建模與仿真技術(shù)等綠色設(shè)計(jì)手段來獲取最佳參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)行產(chǎn)品性能的模擬測試，從而降低了實(shí)際試驗(yàn)過程所帶來的不必要的原料損耗與污染。其優(yōu)勢在于能夠有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)長，減少能源的浪費(fèi)，減少環(huán)境的污染，并能及時(shí)了解目標(biāo)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，解決其存在的隱性問題。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是一種典型的綠色設(shè)計(jì)方法。其實(shí)質(zhì)是一種只需通過少數(shù)的模塊便可組建成更多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，是指通過重組的方式既實(shí)現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品系列，又實(shí)現(xiàn)了各組件的充分利用。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)在通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分，設(shè)計(jì)出一系列的具備通用功能的模塊單元，根據(jù)生產(chǎn)需要，組合成各種結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)可有效縮短研發(fā)與設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的周期，以較小的成本增加產(chǎn)品系列，從而降低制造成本。

在制造過程中模塊化設(shè)計(jì)同樣具有重要意義。通過對不同模塊的結(jié)構(gòu)分工加工，將生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，使產(chǎn)品在制造的不同環(huán)節(jié)都更加精確，這種制造模式效率更高，產(chǎn)品質(zhì)量得以提升。另外，模塊化設(shè)計(jì)在各組件組裝、拆卸和升級以及產(chǎn)品損壞后的維修、處理和回收等方面，能夠顯著地降低對環(huán)境的破壞。

1.3 集成化設(shè)計(jì)

集成化設(shè)計(jì)是指將多個(gè)產(chǎn)品或功能集中在一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)的多功能化。以往的產(chǎn)品加工往往需要工人和多臺(tái)機(jī)械設(shè)備配合生產(chǎn)，操作流程的增加導(dǎo)致工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率降低，質(zhì)量控制成本增加。采用集成化設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備，只需一臺(tái)設(shè)備即可完成所有或者大部分工作，其自動(dòng)化程度高，加工過程不需要復(fù)雜工藝，人工成本降低，生產(chǎn)浪費(fèi)減少。

集成化與模塊化設(shè)計(jì)具備節(jié)約成本、降低能耗、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢，兩者相輔相成，是綠色設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要手段。

2 綠色制造在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

隨著對生態(tài)環(huán)境的重視以及計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的綠色制造技術(shù)正在興起。對比傳統(tǒng)的機(jī)械制造方式，綠色制造技術(shù)體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，其有著更高效的材料利用方式，更快的生產(chǎn)效率以及更環(huán)保的制造方法。下面介紹幾種典型的先進(jìn)綠色制造技術(shù)。

2.1 數(shù)字化制造技術(shù)

數(shù)字化制造是指采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)控制設(shè)備進(jìn)行加工處理的方法，加工方式更為高效，資源合理利用，使用材料綠色環(huán)保。在傳統(tǒng)機(jī)械加工中，工人工作經(jīng)驗(yàn)影響著產(chǎn)品的制造精度與質(zhì)量，制造效率受到勞動(dòng)力約束，由于加工環(huán)境多為開放式或半開放式，存在環(huán)境和噪聲污染，同時(shí)具備一定的操作危險(xiǎn)性。數(shù)控技術(shù)通過計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)直接控制機(jī)床設(shè)備，按照既定的程序與規(guī)劃路徑進(jìn)行自動(dòng)化加工，產(chǎn)品精度與加工效率均有提高，產(chǎn)品的破損率得到降低，從而節(jié)省了原材料，耗能減少，從而實(shí)現(xiàn)綠色制造。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)往集成化方向發(fā)展，數(shù)控加工中心技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)一步強(qiáng)化了數(shù)字化制造的優(yōu)勢。加工中心安裝有車銑鉆等各種刀具的刀庫，配合自動(dòng)換刀裝置，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)設(shè)備上只需一次裝夾即可進(jìn)行多種工藝加工，由于省去了反復(fù)裝夾的時(shí)間與不確定性，工人的工作強(qiáng)度大幅度減少，制造精度獲得提升，制造效率提高很大，加工誤差隨之減小。數(shù)控加工中心技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步減少了資源浪費(fèi)，加工環(huán)境安全可靠，幾乎沒有污染，成為了綠色制造的重要方向。

2.2 干式切削技術(shù)

切削液具有冷卻，切屑取出和潤滑的功能，常用于各種機(jī)床切削加工中，然而多數(shù)切削液帶有毒性，且由于其摻雜著加工碎屑，回收難度大且回收成本高，并且若切削液不慎泄漏或溢出，會(huì)對安全生產(chǎn)造成風(fēng)險(xiǎn)。

隨著對環(huán)保與安全的重視，干式切削技術(shù)開始被研究并得以發(fā)展應(yīng)用。干式切削技術(shù)是通過應(yīng)用抗高溫材料的刀具減弱刀具的變形與損壞的方法，或者采用涂層技術(shù)減小刀具與碎屑的摩擦來減少熱量產(chǎn)生的方法，從而避免切削液造成的污染與安全隱患。此外，對于無法完全實(shí)現(xiàn)干式切削的情況，可采用氣體混合微量潤滑劑代替切削液等半干式切削技術(shù)，同樣可避免環(huán)境污染。干式切削技術(shù)減少了切削液對環(huán)境的破壞，避免了資源的浪費(fèi)，具備巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)又稱為3D打印技術(shù)，該技術(shù)使用高能束熱源，將制造材料加熱熔化，自下而上逐層堆積成預(yù)先設(shè)定的CAD零件，直接實(shí)現(xiàn)零件的近凈成形。對比傳統(tǒng)鑄造鍛造技術(shù)，增材制造技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。由于沒有模具的限制，增材制造技術(shù)具有更高的加工柔性，理論上可成型任意形狀的零件，這在復(fù)雜零件和個(gè)性化零件制造中具有突出的優(yōu)勢。增材制造技術(shù)具有著很高的材料利用率，極大地減少了原材料的消耗，為工人創(chuàng)造了更優(yōu)的加工環(huán)境。同時(shí)增材制造技術(shù)在一體化制造、輕量化制造中更加高效，大大簡化了工藝步驟，節(jié)省人力與時(shí)間成本。增材制造技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)減材制造技術(shù)，不產(chǎn)生環(huán)境污染，資源高效利用，隨著該技術(shù)的完善，其作為綠色制造技術(shù)應(yīng)用將會(huì)更加深遠(yuǎn)。

3 結(jié)語

作為當(dāng)下工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，綠色制造在處理環(huán)境與資源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路上發(fā)揮著重要作用。它能夠合理的對現(xiàn)代資源進(jìn)行整合，并高質(zhì)高效的使用能源。在未來，它將會(huì)被更加完善的應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)各個(gè)方面，追求更高的制造生產(chǎn)效率，推進(jìn)資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展。