绿色制造在机电产品全生命周期中的实施探讨

本文就机电产品从制造到报废回收的全生命周期中对环境的影响进行分析，提出了实行绿色制造的必要性。对绿色制造的产生、涵义、实施绿色制造的意义及其实施办法进行了论述。重点分析了机电产品的设计、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、包装、使用和维修、报废回收等全周期各环节中可能带来环境污染的因素，提出了减少污染、实施绿色制造的措施与建议。

引言

始于1776 年的现代机器制造业，在两百多年的发展中为人们的衣、食、住、行提供了许多性能不同的机电产品，这些产品给人们的生活带来了极大的便利，并迅速地推动了社会的发展。然而，在另一方面，机器制造业在产品制造过程中产生的废弃物，以及淘汰和报废产品产生的废弃物，也给地球环境造成了很大的污染。这些污染不仅给人们的身体带来多种疾病，甚至产生大量的CFCs，导致大气臭氧层形成空洞；产生大量的CO_{2形成温室效应，导致全球气候变暖，海平面上升；人类的生态环境被破坏，特大型自然灾害频繁出现；患癌症者增加、男性生育能力下降、人们的身体健康乃至繁衍受到严重威胁。}

众所周知，一台机器的全生命周期要经历设计、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、包装、使用和维修、报废回收等阶段，每一个阶段都与环境保护紧密相连，都有可能造成环境污染。特别是一些中小企业，只看到眼前的利益，盲目购买一些早已被淘汰的设备、上马一些污染严重的项目，却并不具备“三废”处理能力，对环境具有特别大的破坏性。

1 绿色制造的兴起与发展

1978年，联邦德国最早实行了绿色产品制度，由国家权威部门对产品实行审查评定，并贴上绿色标志。鉴于全球环境日趋恶化，而制造业作为人们创造财富的支柱产业在环境污染中又占主导地位，1996年美国制造工程师学会(SME)在《Green Manufacturing》中系统地提出了关于绿色制造概念、内涵和主要内容。1998年SME 在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势的报告，对绿色制造研究的重要性和有关问题作了进一步强调和介绍[1] 。美国、加拿大、西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。绿色制造的研究正在国际上迅速开展。特别是国际标准化组织ISO发布了有关环境管理体系的ISO14000系列标准，大大地推动了绿色制造的研究。1989年12月26日我国公布了《中华人民共和国环境保护法》，又于1996年1月成立了国家环保总局华夏环境管理体系审核中心，专门负责ISO14000系列标准在我国的实施、培训以及同国际有关机构的交流工作。ISO14000环境管理体系标准的颁布，已引起了我国众多企业的重视[2] 。

2 绿色制造的涵义及其实施

2.1 绿色制造的涵义

机电产品的绿色制造，是指产品从设计、毛坯制造、切削加工、热处理、装配、包装、使用和维修到报废回收等全过程中，对资源、材料、能源的消耗量最少，而对环境的污染最小，并使企业经济效益和社会效益协调优化[3] 。

在设计阶段，一是要考虑材料的选择，不仅要考虑其来源广阔、价格低廉，还要考虑其利用率和污染性；二是要考虑产品的结构工艺性，包括易加工性、易装拆和可回收性。

在毛坯制造阶段，不仅要考虑毛坯本身易制造、经济性好，毛坯制造方法对环境的污染要少，还要考虑其切削加工量要尽量少，材料利用率要高。在切削加工阶段，要求切削能耗少、刀具磨损量低、产生的废弃物少，且对环境的污染小。

在热处理阶段，不仅要考虑通过热处理易获得优良的机械物理性能，还要考虑热处理过程中产生有毒、有害物质对工人身体的危害和对环境的污染。

在产品包装阶段，不仅要考虑包装美观、被包装物品不易损坏，还要考虑包装材料的价格成本和易分解回收、重复利用及包装材料的废弃物对环境的污染。

2.2 机电产品的绿色材料设计

要实施绿色制造首先要实现绿色材料设计，而实现绿色材料设计，不仅需要工矿企业自身的努力，而且需要环保部门、研究单位与政府领导的共同协作。要合理选择材料，考虑其来源广阔、价格低廉、毒性、污染性低，在目前还难以做到。因为《机械设计手册》中只有常用材料的机械物理性能，如强度、延伸率、冲击值、硬度等数据，并无其毒性、副作用及来源是否广泛的说明，这就给工程技术人员在产品设计中实施绿色制造带来困难。要编撰这种包括材料毒性、副作用及来源的手册和数据库不是单靠材料生产厂家、材料研究所工程技术人员就能解决的，而是一个大的系统工程。首先要对各种材料的矿物储量、开采、提炼生产的难度进行调查，以了解其来源状况；再者，要对各种材料的毒性、辐射性、污染性进行调查。例如铅、铬、镉、磷、砷、氰化物等属于有毒物质是众所周知的，但是它们与其它物质混合后形成的合金和发生化学反应后形成的化合物物质是否依然有毒性，人们并不十分清楚。何况，新材料不断问世，品种越来越多。建议政府组织由地质资源、环保部门、材料生产厂、材料研究所及医疗单位等多学科技术人员参加，共同编撰新的材料使用手册和数据库。nextpage

2.3 机电产品的绿色结构设计

产品的结构工艺性中的易加工性和易装拆性实施的难度相对来说要小一些，但也要对各种加工方法的特点和本厂设备状况有一定的了解，才可能做到。结构工艺性是相对的，不是绝对的。结构工艺性是与加工方法分不开的，新的加工方法不断出现加快了这种不确定性。对普通的机械加工来说结构工艺性可能不好，而对于特种加工来说可能是不成问题的。而可回收性却不仅仅与可拆卸性有关，还与该材料的可重复加工性有关。这些光靠工程技术人员个人的经验是不够的，也需要编撰各种加工方法的结构工艺性的手册和数据库。

2.4 机电产品毛坯的绿色制造

在毛坯制造阶段，由于我国过去计划经济时代物资缺乏且流通困难，使各企业几乎都追求“麻雀虽小、五脏俱全、万事不求人”的运作方式，致使设备更新换代慢，设备能力严重不足。改革开放以后，这种状况改变不大。这样导致毛坯制造精度低、加工余量大；给后续机加工带来困难，致使材料浪费大(每年机加工产生的切屑量达数百万吨)、资源利用率低，切削加工时刀具磨损大、能耗大；为了减少刀具磨损而使用的冷却液对环境的污染加大。有一些中小企业由于缺乏毛坯制造的大型设备，切削加工完成后的零件只有毛坯质量的40%～50%，虽然黑色金属切屑没有毒性，也不能说是绿色制造。再者，有些毛坯制造方法本身如一些小型铸造熔化设备(三节炉、冲天炉等)、锻件加热设备(燃煤、焦炭、燃重油的加热炉)等易产生SO_{2形成酸雨，也对环境有较大的污染。所以要减少毛坯制造阶段的污染，应减少中小厂自制毛坯，成立专业化铸锻厂，采用高效无污染、少污染的加热设备和铸锻设备，提高毛坯的制造精度。}

2.5 机电产品的绿色加工及热处理

我国目前机械加工的水平还相当低，特别是一些中小工厂，还在使用六七十年代的机床，数控机床只有一些大型企业才有。造成切削效率低、加工精度低、材料利用率低、能耗大。提高数控化水平，尽量采用高效设备和刀具进行加工是所有工厂的必由之路。然而，由于中小工厂缺资金、缺技术，数控化还要经历相当长的时期。所以，建议首先采用经济型数控系统对现有机床进行改造，并对工人进行数控技术的培训。

另外，要注意机加工时冷却液的选择和使用。如有的工厂在滚齿、插齿、铣削等加工时，为了提高刀具耐用度，对刀具采用离子镀膜或涂层处理，使切削速度大大提高，而冷却液仍然使用原来低、中速切削时所用的极压切削油。由于切削油冷却能力不足、挥发性大，使车间里充满挥发的油雾，造成车间的空气污染。建议采用半合成、合成水溶性切削液取代切削油。

在热处理及表面镀层处理阶段，热处理时对工件的加热以电加热和天然气、煤气加热污染少，以燃煤、燃油加热污染大；淬火、表面淬火、调质等热处理在淬火时，材料不同所使用的冷却剂也不同。油冷带来的污染大，水冷污染小。但是水冷可能会导致某些用淬透性强的合金制造、形状复杂的工件开裂，因此需要研究冷却能力比水弱而又不造成污染的新的热处理冷却剂。对工件电镀装饰、防腐材料时，主要是排放电镀残液造成的污染，一是预备工序酸洗时带腐蚀性的酸性残液；二是镀液中残留的重金属及有毒物质(如氰化钾、氰化钠等)。应采用电镀液处理剂进行达标处理。

2.6 机电产品的绿色包装

在产品包装阶段，主要是选择合适的包装技术和材料，实施绿色包装。目前国内使用的包装材料基本是瓦楞纸板、木板、塑料为主。纸板由于易于回收，且可被降解、污染小而被广泛采用，但前期制作对环境造成的污染较大，而且强度低、易导致被包装物品的损坏。木板由于强度高也被广泛用于大型机电产品的包装，但由于木材是不可再生材料，使用过多会因树木的大量砍伐导致生态失衡，且由于一些害虫会寄居于内，导致害虫大量传播而破坏森林。国外严格禁止进口产品使用木板包装。塑料制品也广泛用作包装材料，但由于废弃后不可降解，易造成环境的污染。国家经贸委资源司综合利用与环保处把蜂窝纸板包装列为推广对象，指出:“这种新型的蜂窝纸板将成为我国出口货物的理想包装，它的推广应用将为我国降低商品在流通过程中的破损率、提高包装产品质量起到积极的作用。”[4]除此之外，还应进一步开发农作物秸秆缓冲包装材料、聚乳酸发泡材料、废纸和淀粉制包装用泡沫填料等新型包装材料。

2.7 机电产品的绿色回收

在报废回收阶段，机械产品具有可拆卸性，它取决于配合的种类和联接与紧固的方式。在间隙配合、过渡配合及过盈配合中，以过盈配合尤其是以压力机压入方式装配的可拆卸性差；在键与销联接方式中，以半圆键和切向键可拆卸性差；在螺纹紧固、铆固和焊接、粘接等方式中，以铆固和焊接可拆卸性差。电子产品的回收，存在解体后电子器件和焊料中有毒物质的污染问题。南方某些城镇家家户户搞进口报废电子产品的手工拆卸，极易造成污染扩大，应成立专业化回收队伍，以便集中处理。

3 结论

从以上的分析说明，机电产品在设计、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、包装、使用和维修、报废回收等生命的全周期各环节中都可能带来环境的污染，都需要引起我们足够的重视。我国五大水系和众多的湖泊大多数污染严重。除造纸、制药、制革、制水泥、生活污水等对环境污染产生严重影响外，机电产品制造中产生的“三废”也是其重要原因。随着国际上关于产品对环境保护的要求愈来愈高，特别是对进口商品的环保特性采取了非常苛刻的检测条件，如果再不引起重视，实施绿色制造，势必影响我国的出口贸易和制造业的竞争能力，影响我国国民经济的可持续发展和全面建设小康社会的进程。