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面向清洁化制造的毛坯选择研究 |
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作者：重庆大学 刘英 张根保 来源：《制造技术与机床》 |
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随着环境保护的法制化，规范化以及世界贸易中绿色贸易壁垒对产品出口的限制，世界各国的制造企业几乎都在用寿命周期分析法(LCA)评估自己的产品，对产品在寿命周期内的资源、能源消耗及废弃物的环保特性等问题进行深入研究。本文提出面向清洁制造的毛坯选择原则和面向清洁制造的毛坯发展趋势。
1 清洁制造的内涵
清洁化生产的基本思想是在较长的工业污染防治过程中逐步形成的。但由于其刚刚兴起不久，因此目前对清洁化生产中的清洁制造过程(以下简称清洁制造)还没有一个统一的认识。笔者认为清洁制造就是在将原材料转化为成品的生产过程中，通过采用各种先进的技术和管理手段，融入“全面预防污染”的思想，使企业生产实现经济与环境同步协调、持续发展目的的过程。即在产品的整个制造过程中，通过采取各种措施，使它的资源、能源消耗最小，对环境的污染最小，最终能经济地生产出绿色产品。可以说，清洁制造能为企业提高市场竞争能力，实现企业的可持续发展战略提供强有力的技术手段，它是产品清洁化生产寿命周期中必不可少的重要环节之一。
由此可知，清洁制造在传统的制造概念基础上，全面考虑了环境因素，在产品的生产过程中增加了四个环境方面的属性、节省资源的属性、节省能源的属性、环境保护的属性、良好的劳动保护属性。
2 面向清洁制造的毛坯选择原则
1) 正确选择毛坯的重要性
毛坯是根据零件所要求的形状、工艺尺寸等而制成的机械加工对象，它是制订机械加工工艺规程的基础。毛坯的不同种类及制造方法对零件工艺过程影响很大，零件工艺过程中的工序数量、材料消耗、机械加工劳动量等在很大程度上取决于所选的毛坯，故正确选择毛坯具有重要的技术经济意义。
2) 面向清洁制造的毛坯选择原则
在传统工艺设计中，选择毛坯主要考虑经济性问题，很少顾及毛坯生产对环境的影响。而在清洁制造过程中，选择毛坯不仅要考虑各种毛坯及制造方法的经济性，还要考虑它们对环境的影响，对资源、能源的消耗状况以及对社会生产可持续性的影响。在清洁制造思想指导下的毛坯选择应遵循以下原则：
a. 经济合理性原则
选择毛坯时，毛坯的形状和尺寸越接近于成品零件，毛坯材料利用率就越高，机械加工劳动量就越少，机械加工费用也就越低，但这样对毛坯的制造要求就提高了，相应地毛坯制造设备的投资费用增加。反之，若毛坯制造精度低，毛坯制造设备的投资费用少，但以后的机械加工劳动量就大，材料利用率低，零件加工成本将增加，这两方面是相互矛盾的。但在工艺设计时应遵从“经济合理性”原则，综合考虑毛坯制造和以此为基础的机械加工费用来确定，以最终达到最佳的经济效益为目的。
下图所示为零件综合生产成本、毛坯制造成本、机械加工成本三者的关系曲线。图中X0即是毛坯制造精度和零件综合生产成本的最佳组合点，此点的零件综合生产成本最低。因此在清洁制造过程中，毛坯选择要尽量趋近于这一点。
毛坯制造精度与生产成本的关系
若零件年生产量为N，则零件全年综合成本E可以用下式来表达：
E=Em+Ej=VmN+Sm+VjN+Sj
式中：Em毛坯全年工艺成本;Ej为零件机械加工全年工艺成本;Vm、Vj为毛坯制造、零件加工可变费用;Sm、Sj为毛坯制造、零件加工不变费用。
在既定生产纲领下进行毛坯方案抉择时，只需对上式求极小值，即求最小综合生产成本Emin者为入围方案。
b. 功能适应性原则
所选毛坯种类及制造方法要能可靠地保证毛坯在性能、质量、生产率等方面的要求。众所周知，即使相同的材料，当采用不同的毛坯制造方法时，得到的机械性能也往往不同。通常毛坯强度要求高的，多采用锻件。但近年来，随着铸造技术水平的提高，铸铁的力学性能在不断改善，有些指标接近或超过钢。选择毛坯时，还要考虑零件的形状、尺寸等因素，否则难以保证毛坯的质量要求。如形状复杂和薄壁毛坯不能采用金属型铸造，否则会产生铸造缺陷。又如尺寸较大的毛坯，不能采用模锻、压铸和精铸等毛坯制造方法。
c. 资源最佳利用原则
资源最佳利用原则包含两层意思，一是节省原材料消耗，二是充分利用现有设备资源。
d. 能量消耗最小原则
从使用的能源的类型、能量有效利用率等方面采取措施，节省能源，尽量减少能量的消耗，使生产中的能源消耗达到最小。
e. 环境保护原则
面向清洁制造的毛坯选择，注重毛坯制造过程中的环境保护。人们对环境问题的态度已从过去的生产过程的“末端治理”，发展到“全面预防污染”的源削减阶段。在毛坯生产过程中，无论在毛坯工艺设计、毛坯制造设备选择还是在毛坯生产过程管理上，都应尽力采取措施避免产生环境污染，“零污染”是清洁制造追求的最终目标。在生产中尽力采用清洁的新材料、新工艺、新方法，如在锻造生产中采用非石墨型润滑材料，在砂型铸造中采用非煤粉型砂，可有效地避免产生污染。又如，在铸造生产中，用射压、静压造型机取代噪声极大的震击式造型机；在模锻生产中，用电液传动的曲柄热模锻压力机、高能螺旋压力机等新原理的设备取代老式噪声、振动、能耗都很大的模锻锤，可大大减小车间的噪声和振动污染。
f. 安全宜人原则
清洁制造还对生产过程中操作者的劳动保护提出要求，避免对操作者身心健康造成伤害。
综上所述，面向清洁制造的毛坯选择原则可以归纳为三类：一是经济性原则；二是功能适应性原则；三是环境协调性原则。这三类原则在毛坯选择过程中，互相作用，互相影响，共同影响毛坯的选择。
3 面向清洁化生产的毛坯发展趋势
随着资源保护和环境保护呼声愈来愈高，迫使毛坯制造工艺向精密成形工艺方向发展。即毛坯成形的形状、尺寸精度正从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形(Net Shape Forming)即近无余量成形方向发展。将来“毛坯”与“零件”的界限可能越来越小，有的毛坯可能已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。正因如此，精密毛坯制造工艺最近几年来得到快速发展，主要有精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密轧制、粉末冶金以及快速原型制造等先进工艺方法。
4 结束语
环境问题已成为国际社会关注的焦点，保护环境已成为人们的共识。生产绿色产品的清洁制造过程将成为未来工业制造过程的规范。目前，我国绿色产品的发展与世界发达国家相比，无论是在范围上还是在数量上都有很大的差距，尚处于初期阶段。要赶上世界发达国家水平，还要付出巨大努力。我国至今仍然沿用着粗放型经营的传统工业模式，能耗高、效益低、环境污染严重。因此从理论和方法上开展系统的清洁化生产研究，促进我国绿色产品的迅速发展，适应国际市场的研究，迎接未来挑战，已是我国产业发展的当务之急。 (end)
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(1/6/2007) |
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