机械装备工业节能减排的关键制造技术与设备
Zhongde Shan, Shaoyan Qin, Qian Liu, and Feng Liu
（机械科学研究总院，先进制造技术研究中心，北京100083）
摘要：本文基于对机械装备工业现状的分析，介绍了机械装备工业实现可持续发展所需的制造技术和设备。本文将从数字技术，新材料技术，近净成形技术，清洁生产，短生产流程技术，无废料生产技术，自动控制技术，再制造和再利用技术8个方面进行探讨。作为一个制造业强国，我们应该开发技术和设备，以保护资源和促进环境的持续发展。这样，我们就能够为建设资源节约型社会和环境友好型社会提供技术支持。
关键词：可持续发展 机械装备 绿色制造
1.背景介绍
机械装备工业对于电力，冶金，石油化工等行业实现节能减排的目标有直接影响。然而，在机械装备工业中仍存在许多问题，例如能耗高，制造精度低，机械加工余量大，废品率高，生产效率低，废物排放高等。其中大多数能耗和污染产生于热工艺如铸造，锻造和热处理，机械装备工业的能源消耗和污染物占60〜80％。事实上，每年约有1亿吨价值约2,500亿美元的金属材料在加工过程中被浪费。[1-3]
因此，通过研究和扩大利用绿色制造技术来实现节能减排已经十分必要。这样做将为制造业提供技术和设备支持的同时实现可持续发展。减少对制造过程中对环境的影响和对资源的消耗将实现企业的经济和社会效益的平衡发展。[4-7]
2. 实现机械装备工业可持续发展的技术与设备
在机械工业中，有利于节能减排的制造技术包括资源节约，能源节约，环境保护三大类。这些主要涉及简化过程系统的组件，节省原辅材料的消耗，降低能耗，并在设计、制造、使用和再制造过程中尽量减少或完全消除不利于环境和操作人员的废水、废气、废渣、噪声及其他物质的产生。[8]
近年来，随着机电一体化技术、计算机技术、信息技术、控制技术等技术的快速发展以及这些技术的所产生的优秀成果的不断吸收，加快改进了制造技术的发展。数字化、高精度，、灵活化、智能化和绿色化的趋势都是这一发展过程的体现。许多设计，制造和控制技术已经出现，并且被逐渐应用于制造设备工业。例如数字技术、新材料、近净成形技术、清洁生产技术、短生产流程技术、无废料制造技术、再制造和再利用技术以及自动控制技术，这些技术都有效地促进了工业领域的可持续发展。[9-15]
2.1设备设计和制造过程中的数字技术
随着IT行业的快速发展，数字化设计和制造已成为提升设备制造业企业核心竞争力的重要途径。设计的数字化，包含了材料选择和产品设计，改进了制造过程和管理方式。产品的开发和制造过程也得到了改进，零件的数量和重量得以减少。通过优化设计的方法，使原料的使用率达到最高的水平。所有上述测量都有效地促进了生产期间的节能和减排。在波音公司，通过现代产品开发系统，新产品的开发周期已经从8年降至5年，同时工程返工率也降低了50％左右。日本的丰田汽车也通过这种方式将开发周期缩短了10个月。在2002年新卡美汽车的研发期间，原型测试周期减少了65％。在铸造行业中，传统的浇注口，立管及其设计原理通过可视化铸造技术得到改进，这一技术优化了浇注过程及浇注系统和立管系统的尺寸。[16-18]
虚拟现实技术是多种模拟仿真技术的集成。在设备设计的早期阶段，通过建模和仿真技术可以对整个过程进行模拟，包括产品设计，过程设计，加工生产，使用和回收等阶段。这包括多个物理场数值模拟，加工和成形过程模拟，高速高精度加工设备模拟，数字协同产品开发等。同时，它也考虑了环境因素和防止污染的措施。相关设计因素得到优化，减少了产品及其制造过程对环境的不利影响。例如，通过应用虚拟现实技术，CAMTC通过对其超高强度钢生产线的设计和评估，将其设计周期缩短了20〜40％。这样我们就可以预见许多制造相关问题，如图1所示。[19, 20]
图1. 生产线的设计和评价
2.2新材料开发和应用，减少机械装备的重量
创新技术促进了新型高科技材料的发展，其特点是具有更高的强度，刚度，耐热性，耐腐蚀性和耐磨性。以前在宇宙空间和军事应用中使用的复合材料，轻金属和高温合金等新材料的研究和使用已经扩展到民用附加值工业（汽车，计算机，通信，电器等），特别是对于汽车工业。
通过在结构中使用新材料，新一代飞机和飞机发动机的性能可以提高50〜70％，飞机和飞机发动机的重量可以减少70〜80％。以汽车为例，如果重量减少10％，燃油经济性将提高6〜8％，二氧化碳排放量也会随之减少，这对节能和环境保护有重大的意义。汽车的重量减轻取决于新材料在汽车中的使用程度。汽车上的60多种组件可以由镁合金制成，例如离合器壳体，变速器壳体，方向盘，座椅支架和仪表盘框架等。通过开发和应用超高强度钢，CAMTC将门梁重量减轻了30〜50％，同时具有更强的防撞能力，如图2所示。[21, 22]
图2. 超高强度钢轻质门梁
2.3清洁和高效的零件制造
随着人们对资源和环境保护的日益重视，工业制造过程正在朝精确成形的方向发展。这意味着坯料的形状和尺寸的精度将从广泛成形改变到近净形状成形甚至净成形。部件和部件之间的间隙会变得更小，其中一些坯件甚至可能接近或达到设计的形状和尺寸。这将使这些可以零件在制造完成之后良好的组装。例如，美国提出了以下目标：到2020年，原料消耗降低15％，废料碎片加工减少90％，能耗降低75％，锻造成型模具的使用寿命提高10倍。如图3所示，灰铸铁飞轮通过熔模铸造工艺制造时将使重量减少10〜15％。[23，24]
具有沿着轴线变化的圆形，矩形或异常形状的截面的中空部件，可以利用内部高压成形技术使其成形。与车削和钻孔部件相比，液压成形的空心轴可以减少40〜50％的重量，有时甚至可以达到75％。与冲压和焊接部件相比，中空结构部件可以减少20〜30％重量。以散热器支架为例，焊接点数从174减少到20，制造次数从13次到6次，生产效率可以提高66％。与机械加工部件相比，具有两圈的空心曲轴的内部高压形状制造节省了87％的材料，与具有相同扭矩的实心轴相比，重量减轻了57％。 [25,26]
图3.新工艺制造出的飞轮
2.4促进制造过程中的清洁生产
设备零件制造过程中的清洁生产工艺主要包括干式切割，激光去毛刺，清洁涂层或电镀，清洁热处理等。然而，在传统的处理方法中存在许多缺点。例如，传统加工过程中大量使用的切削液就是土壤和河流最严重的污染源之一，它不仅会造成环境污染，而且会沾在工具表面使其产生微裂纹，从而缩短工具寿命。因此，新型的清洁的生产方法，如干式切割和近干式切割，正在渐渐被人们所重视。在干式切割期间，切割点通常用强空气流或其它冷却介质冷却，使产生的热量迅速散出，因此工件的热变形非常小。目前，干式磨削技术已广泛应用于美国制造业，干式切削技术已被将近一半的欧洲企业采用。[27，28]
真空涂层已逐渐取代汽车轮毂涂层中的电镀，它在设备涂装中采用了被称为“有机溶剂”的回收技术。真空镀膜技术和相关设备也已应用于其它类型的设备，包括中频磁控离子镀机，多弧离子镀机，磁控加多电弧离子镀机。例如，美国的道格拉斯公司使用滚筒离子电镀设备来处理连接部件。在日本，用离子镀铝制成的碳钢螺栓已经代替不锈钢投入生产。然而，传统的电镀工业却没有对这些先进的涂层技术进行广泛的普及。[29]
此外，在热处理期间连续产生的热辐射，废气，废水，灰尘和噪声都会对环境造成一定程度的污染。高效率，节能，低失真，清洁加工是热处理技术的重要发展方向。随着现代汽车制造工艺和技术的快速发展，对高性能锻件的需求正在增加。汽车制造商越来越多地开始关注微合金化非淬火回火钢，因为它们需要的能量和材料消耗更少，这样就缩短了生产周期同时减少了污染的产生。[30]
2.5减少资源消耗的短生产流程技术
短生产流程技术在预生产过程中充分利用材料和热量，或集成几个过程以重新设计整个制造过程。例如，高质量复杂铸件直接使用从高炉冶炼的铁水制造。近年来，利用高炉 中频感应炉对短生产流程冶炼技术的研究已在国内外进行。通过这种技术，来自高炉的铁水可以直接转移到中频感应炉，以调节温度和组成，用以生产高质量的铁水铸件。与传统熔炼工艺相比，它消除了从高炉中冷却铁水和之后铸铁再熔化的过程，并充分利用了来自高炉的铁水的热量，减少了能耗。该设备具有效率高，能耗低排放少的优点。[31]
虽然低压铸造技术已广泛应用于汽车工业中铝合金车轮的制造，但是人们还已经开发了锻造纺丝复合成形技术以满足该应用的需求。轻量化（锻造铝合金车轮的重量比铸造轻23％）和高性能（锻造铝轮的强度是钢轮的5倍）零件对大型乘用车，重型卡车和豪华车都是必需品。在超高强度钢的冲压过程中，钢板将被模具直接淬火和冷却。成型和淬火过程可以在同一个模具内同时结合到同一个过程中，这可以减少工作程序和缩短过程。[32，33]
许多类型的新制造工艺，其特征在于其能够快速，高效和清洁的制造设备，它们广泛应用于机械和设备工业本身在内的众多领域。例如，砂数控加工——一种不使用模具或图案的加工技术，大大缩短了生产过程。它集数控，铸造，计算机等多学科技术成果于一身，与传统技术相比，加工成本仅为其1/10，开发时间缩短了50％-80％，制造成本降低了30％-50％。相较于使用传统技术的2-3个月为客户提供一到二十件铸件，CAMTC生产的铸模可以在三周内就做到。根据不同铸件的尺寸和复杂性，它们的尺寸最大可以达到5米。如图5所示，通过无模铸造技术制造的汽车外壳的铸件尺560mmtimes;370mmtimes;185mm。加工砂模只需25小时，加工余量减少3mm，这将节省模具3〜5套。[34,35]
下砂模与上砂模
金属零件
图4.无零件图制作的砂模
2.6无废料生产技术促进资源循环
由美国提出的称为“无废料生产”的新一代制造技术在生产过程中不产生废物，或者在其它生产过程中将废物用作原料。无废物制造不仅可以减少废物，污染的排放和能源消耗，还可以保护环境，这将不可避免地成为未来先进制造技术的主流。日本已经提出了称为“3R”的新的环境保护概念，即减少浪费（reduce），再利用（reuse）和再循环（recycle）。自20世纪80年代以来，在日本86％的铸造厂采用砂石填筑，而每吨废砂将产生约0.22吨的排放，仅消耗0.135吨的新砂。在美国，一些铸造厂已经实现了“无废料生产”，或者说，生产没有排放。循环再利用技术与无浪费是实现节能减排目标的重要途径，这对污染严重的铸造、水泥、印刷和染色等行业中尤为重要。[36]
2.7自动控制提高设备效率
制造过程中的自动化是机械和设备生产中节能减排的一个重要方面。通过使用集成创新和系统优化，研究大规模高可靠性自动化控制系统和网络系统，开发复杂过程的流动仿真技术，大规模使用软件进行优化，使用能源网络监测和控制系统，以及实施行业过程的集成自动化。
在锻造行业中，“自动锻造单元”可以在单个装置中完成镦锻、预锻、精锻、冲孔、修整、成型等锻造过程，这样制造一个产品只需要2秒，保持了锻造过程中的技术稳定性。在套管工业中，由CAM开发无铸造图案的数字精密成型机，如图5所示，可以通过应用自动控制技术减少加工砂模和型芯的时间，这可以大大提高生产效率处理单个或小批量的铸造。[37, 38]
图5. 数字精密成型机的无图铸造
2.8机械设备再制造和再利用的推广应用
作为绿色制造技术，再制造技术以产品生命周期理论为指导。目的是提高废旧产品的性能，以高品质，高效率，节能，节材，环保为原则，结合先进技术，实现资源的再利用和再生的目的。再制造有一个重要特征：再制造后的产品的质量和性能可以达到或超过新产品，成本只需要新产品的50％，节能60％，节省材料70％，减少对环境的不利影响。纳米刷电镀，纳米热喷涂，激光熔覆和自修复纳米添加剂等已成为关键的支持再制造技术。例如，卡特彼勒公司拥有超过30年的再制造经验，并且能够在一年内再制造超过200万件旧产品。再制造产品提供与新产品相同的质量和保修索赔，但新产品价格的一半。在铸造行业，还有重新制造和再利用的方法。修复大型铸件废料以提高产量和避免二次废料熔化已被证明是一种有效的方法。[39-40]
3.结论
随着电子，信息，材料和现代管理技术的发展，开发先进的制造技术使我们能够建立一个资源节约型，环境友好的社会。实现机械装备工业的可持续发展是未来设备制造的主要任务之一。要促进装备制造业的可持续发展，以发展和促进节能减排技术。这可以通过在设计，制造，使用和再制造的过程中使用诸如数字技术，新材料，近净成形技术，清洁生产技术，短生产工艺技术，无废物制造技术，自动控制技
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