機械設計制造中綠色制造技術的應用

高崖苒

隨著全球能源的緊張以及人們對于生態環保的重視，綠色制造技術越來越多地被提及，并付諸于工業生產中。基于對環境的保護與資源的合理利用，綠色制造技術以綠色發展理念為原則，從產品的設計到最終生產，包括回收處理與再制造整個生命周期，做到環境保護、節約成本、最大程度的利用資源。綠色制造技術不單指綠色制造，還包括綠色設計、綠色包裝、綠色回收等諸多方面，在機械設計制造中，綠色制造技術具有著廣泛的應用前景。在機械設計制造領域里，合理運用科學設計方法，采用先進加工制造手段，在保證產品質量、生產效益的前提下，減少對環境的破壞與資源的浪費，實現可持續發展。

1 綠色設計在機械設計制造中的應用

綠色設計是指在設計產品的過程中，以綠色理念為指導，利用科學的設計方法對產品的結構、尺寸、加工工藝等方面進行優化設計，從而實現制造過程的簡化、成本的降低、生產的清潔。綠色設計要充分考慮產品性能、結構、成本以及與應用環境的關系等因素，最大程度實現可持續、可循環的特點。下面討論幾種機械設計中的綠色設計方法。

1.1 數學建模與仿真技術

數學建模方法與仿真模擬技術是綠色設計中極為重要的部分，將建模與仿真技術與綠色設計思想相結合在一起，采用綠色設計達到資源合理利用、環境無污染的目的。

數學建模過程是通過建立數學模型來表征實際情況，通過對數學模型進行分析，優化設計參數，解決工程問題。仿真技術是采用硬件或軟件仿真實驗來模擬實際工作情況，然后進行系統的模擬計算，最終得出產品性能的測試結果。在過去為了獲取良好的產品設計參數以達到最佳功效，往往需要反復大量的實驗數據，造成了制造成本提高、資源浪費。在機械設計中，合理利用建模與仿真技術等綠色設計手段來獲取最佳參數，優化結構，進行產品性能的模擬測試，從而降低了實際試驗過程所帶來的不必要的原料損耗與污染。其優勢在于能夠有效縮短設計時長，減少能源的浪費，減少環境的污染，并能及時了解目標結構的各項參數來規避風險，解決其存在的隱性問題。

1.2 模塊化設計

模塊化設計是一種典型的綠色設計方法。其實質是一種只需通過少數的模塊便可組建成更多產品的設計理念，是指通過重組的方式既實現不同功能的產品系列，又實現了各組件的充分利用。在機械設計中，體現在通過對產品結構模塊劃分，設計出一系列的具備通用功能的模塊單元，根據生產需要，組合成各種結構的新產品。模塊化設計可有效縮短研發與設計新產品的周期，以較小的成本增加產品系列，從而降低制造成本。

在制造過程中模塊化設計同樣具有重要意義。通過對不同模塊的結構分工加工，將生產標準化，使產品在制造的不同環節都更加精確，這種制造模式效率更高，產品質量得以提升。另外，模塊化設計在各組件組裝、拆卸和升級以及產品損壞后的維修、處理和回收等方面，能夠顯著地降低對環境的破壞。

1.3 集成化設計

集成化設計是指將多個產品或功能集中在一個產品或系統上，實現單個產品或系統的多功能化。以往的產品加工往往需要工人和多臺機械設備配合生產，操作流程的增加導致工序復雜，生產效率降低，質量控制成本增加。采用集成化設計的機械設備，只需一臺設備即可完成所有或者大部分工作，其自動化程度高，加工過程不需要復雜工藝，人工成本降低，生產浪費減少。

集成化與模塊化設計具備節約成本、降低能耗、保護環境的優勢，兩者相輔相成，是綠色設計在機械設計領域中應用的重要手段。

2 綠色制造在機械設計制造中的應用

隨著對生態環境的重視以及計算機和電子信息技術的發展，一些先進的綠色制造技術正在興起。對比傳統的機械制造方式，綠色制造技術體現出可持續發展優勢，其有著更高效的材料利用方式，更快的生產效率以及更環保的制造方法。下面介紹幾種典型的先進綠色制造技術。

2.1 數字化制造技術

數字化制造是指采用計算機數字化技術控制設備進行加工處理的方法，加工方式更為高效，資源合理利用，使用材料綠色環保。在傳統機械加工中，工人工作經驗影響著產品的制造精度與質量，制造效率受到勞動力約束，由于加工環境多為開放式或半開放式，存在環境和噪聲污染，同時具備一定的操作危險性。數控技術通過計算機數控系統直接控制機床設備，按照既定的程序與規劃路徑進行自動化加工，產品精度與加工效率均有提高，產品的破損率得到降低，從而節省了原材料，耗能減少，從而實現綠色制造。

隨著技術的發展，數控技術往集成化方向發展，數控加工中心技術應運而生，進一步強化了數字化制造的優勢。加工中心安裝有車銑鉆等各種刀具的刀庫，配合自動換刀裝置，實現了在一臺設備上只需一次裝夾即可進行多種工藝加工，由于省去了反復裝夾的時間與不確定性，工人的工作強度大幅度減少，制造精度獲得提升，制造效率提高很大，加工誤差隨之減小。數控加工中心技術的應用進一步減少了資源浪費，加工環境安全可靠，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

切削液具有冷卻，切屑取出和潤滑的功能，常用于各種機床切削加工中，然而多數切削液帶有毒性，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，會對安全生產造成風險。

隨著對環保與安全的重視，干式切削技術開始被研究并得以發展應用。干式切削技術是通過應用抗高溫材料的刀具減弱刀具的變形與損壞的方法，或者采用涂層技術減小刀具與碎屑的摩擦來減少熱量產生的方法，從而避免切削液造成的污染與安全隱患。此外，對于無法完全實現干式切削的情況，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，同樣可避免環境污染。干式切削技術減少了切削液對環境的破壞，避免了資源的浪費，具備巨大的發展潛力。

2.3 增材制造技術

增材制造技術又稱為3D打印技術，該技術使用高能束熱源，將制造材料加熱熔化，自下而上逐層堆積成預先設定的CAD零件，直接實現零件的近凈成形。對比傳統鑄造鍛造技術，增材制造技術具有諸多優點。由于沒有模具的限制，增材制造技術具有更高的加工柔性，理論上可成型任意形狀的零件，這在復雜零件和個性化零件制造中具有突出的優勢。增材制造技術具有著很高的材料利用率，極大地減少了原材料的消耗，為工人創造了更優的加工環境。同時增材制造技術在一體化制造、輕量化制造中更加高效，大大簡化了工藝步驟，節省人力與時間成本。增材制造技術顛覆了傳統減材制造技術，不產生環境污染，資源高效利用，隨著該技術的完善，其作為綠色制造技術應用將會更加深遠。

3 結語

作為當下工業制造領域的發展趨勢，綠色制造在處理環境與資源問題，實現可持續發展道路上發揮著重要作用。它能夠合理的對現代資源進行整合，并高質高效的使用能源。在未來，它將會被更加完善的應用于機械制造業各個方面，追求更高的制造生產效率，推進資源節約型環境友好型社會的發展。