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摘  要：結合我國制造業的發展狀況，提出了大力發展低碳經濟與低碳制造的新思路。針對實行機械產品制造過程低碳化轉型的社會需求，全面系統地從低碳設計、低碳選材、低碳工藝技術、低碳管理、低碳后處理及再制造等五個方面說明了實行低碳化轉型過程與方法，本文對制造業低碳化的進程具有一定的推動作用。

關鍵詞：機械產品  低碳制造  低碳化轉型

    引言

    進入21世紀以來，我國制造業以25%的年平均增長速度迅猛發展，使制造業增加值占GDP三分之一左右[1-2]。在取得卓越成就的同時，我國制造業仍存在諸多問題，其中產業結構處于高能耗期、能耗強度和能源效率不高、節能技術不夠成熟尤為突出，這與我國當前的傳統能源依存程度高、節能減排技術偏低、能源利用率低、生產過程管理漏洞較多等現象密不可分。據中科院調查顯示，我國能源利用率僅為美國的26.9%、日本的11.5%。“十二五”規劃提到，堅持把經濟結構戰略性調整作為加快轉型經濟發展方式的主攻方向。2009年11月26日，我國政府正式向外宣布控制溫室氣體的排放目標，決定到2020年單位生產總值二氧化碳排放相對2005年下降40%—50%[3]。這樣，在國內外高度重視能耗問題的大環境下，伴隨我國制造業節能減排、可持續發展等觀念逐步加強。作為中國能源消耗大戶的機械制造業，迫切需求一種降低機械產品制造過程中排放的新制造模式來貫穿整個生產制造過程——機械產品制造過程低碳化模式。它是機械制造業緊跟國際低碳制造浪潮，滿足可持續發展要求必經之路。

    一、實行低碳化轉型的體系結構

    機械產品生產過程從狹義理解是指從原材料投入到成品出產的全過程，通常包括工藝過程、檢驗過程、運輸過程、等待停歇過程和自然過程。從廣義理解是企業范圍內全部生產活動協調配合的運行過程，除上述過程外還包括原材料投入之前的設計、購買、產品出廠后的售后服務等。要實行機械產品制造過程低碳化必須從其各個環節入手。

    二、低碳設計

    低碳設計以高效率利用資源為出發點，使產品制造過程的不良影響降到最小，其面向對象由傳統的人、僅注重功能屬性、忽略對環境的影響上升到集產品性能、功能、質量、壽命、成本、環境于一體的現代設計方法和理念，使低碳設計貫穿于產品的構思、選材、制造、使用、報廢和回收利用等過程。實現從“搖籃到再現”的循環[4]。其特點主要有:⑴體現低碳設計理念，設計者利用創造原理，充分發揮創新思維，建立在低碳設計理論之上；(2)面對產品生命周期設計，分析在設計，生產使用，再利用等過程對環境影響；(3)強調創造原理和程序化思考；(4)超前性，先進性和綜合性，從不同角度突出低碳設計的優越性，有助于縮短新產品開發周期，提升企業競爭力，形成新的設計方法和思路[7]。

    2.1低碳設計方法

    ⑴逆向設計法 相對正向設計而言，其設計基礎是采用逆向思維利用事物對立面，從產品的原理、大小和屬性進行逆向設計的創新方法。①簡化產品的結構和拆卸過程。如減少零部件和緊固件數量，采用易于拆卸的連接方式。②極小化產品體積、質量和極大化采用新原理、新技術和新材料。如使產品輕、薄、短小化，材料少，結構簡單，可靠性高，壽命長等。③提高廢舊產品回收利用率，如對全塑汽車的回收利用。

    ⑵生命周期設計法 是指從原料生產、產品生產，經過包裝、運輸、銷售、使用至回收利用及處理所涉及各個階段的總和。以預防污染、節約資源為核心，把環境與資源效益分析方法應用到產品設計中，實現機械產品功能性、成本性和環境性相協調，確保環境效益與經濟效益最佳。

    ⑶并行工程設計法 集計算機輔助設計、生產制造、管理和質量保證等為一體，實現信息集成、信息共享和過程集成，是實行機械產品低碳設計的新模式和新方法，綜合考慮設計中的各方面因素，隨時在設計環節進行信息交流和反饋，實現閉環式設計過程多因素、多目標的全局最優化[5]。

    ⑷虛擬設計法 采用計算機技術生成具有視、聽、觸等多種感知的人工媒體空間，也稱人工虛擬環境。利用虛擬觀察技術可分析現階段工作，并預測對下一階段的影響，以便設計人員及時了解機械產品的三維建模及加工裝配過程。使產品設計從三維到二維轉化，提高產品設計精度，減少制造過程中不必要的材料浪費，對提高產品加工速度和保證其質量具有重要意義。

    2.2低碳設計原則

    ⑴資源利用最佳原則 在選用資源時，從可持續發展觀念出發，充分考慮資源的再生能力及跨時段配置問題，不能因資源不合理選用而加劇枯竭危機；設計時，最大化的利用產品在整個生命周期內所使用的資源。

    ⑵能耗、污染最小原則 選用能源類型時，盡可能選用能代替汽油等不可再生的二次能源，優先考慮太陽能、風能等可再生的清潔能源；設計時，力求降低產品在整個生命周期中的能源消耗和因轉化為震動、噪音、熱輻射等的能源浪費，遵循“預防為主，治理為輔”的低碳設計理念及環保策略。

    ⑶生態經濟效益最佳原則 在考慮產品所創造的經濟效益同時，還需從可持續發展觀點出發，考慮其行為對生態和社會所造成的損失，從而取得最佳的生態經濟效益。

    三、低碳選材

    低碳材料是指在繼承傳統意義上的具有良好使用性能和經濟性基礎上，對資源和能源消耗少，生態環境污染少，可再生或可降解率高，保證產品在制造的生命周期內與環境協調共存的新型材料。其主要特征有：具有良好的使用性能，使用的舒適性和綠色特征。這樣，充分考慮材料的研究，應用和環保，資源，能源與發展之間的平衡協調，實現可持續發展。

    選材的低碳化應考慮以下內容：首先，優先選用可再生、可循環利用、可降解和易回收的材料；其次，優先選用以低碳環保、節約能源和環境兼容性好為基礎的材料，從而提高能源資源利用率，節約能源資源；再次，優先選用低能耗，無或少污染、無毒無害和無輻射的材料，盡可能減少產品對環境的破環。此外，還應少用短缺或稀有原材料，盡量多用廢材、余料或回收材料以及新型材料[6]。#p#分頁標題#e#

    四、低碳工藝技術

    隨著制造業的不斷發展，不可再生能源資源被大量利用，給未來制造業帶來了危機，為實行能源資源的可持續發展，當務之急是開發出資源節約型的工藝技術代替傳統技術。低碳工藝技術是以傳統工藝技術為基礎，以節約成本、合理利用資源、降低環境污染為目標，結合材料科學，控制技術，表面技術等新技術的先進工藝技術[7]。因此，分析與研究低碳工藝技術具有重要意義，其內容包括以下兩個：

    4.1低碳機床加工技術

    ⑴高速復合機床加工工藝 由于較高的切削速度和進給速度以及較短的換刀等輔助時間，可同時滿足高效率、高精度和低碳化的要求。通過一次性加工就能獲得高質量的加工表面，顯著提高了加工效率和質量，滿足了機械制造行業品種多、批量大、投資少的要求。

    ⑵干加工機床 在機床的干切削加工過程中，會產生大量的切削熱，對機床外形和加工精度都有影響，因此，采用適合該加工工藝的機床來避免機床的熱變形，保證工件加工精度。對該類機床有以下要求：首先，設計機床結構時，應完全熱對稱，并配置隔熱系統和循環冷卻系統；其次、為順利排屑，應盡量使床身成立軸式、傾斜式或V字形，設計機床底座及防護時，應保證鐵屑能快速且全部流出；再次，設計床身蓋板時，可采用雙層壁結構以對其隔熱。

    4.2低碳切削加工工藝技術

    （1）高速干切削加工工藝技術 高速干切削能有效提高加工速度、縮短加工時間、帶走在切削過程中產生的大部分熱量，有效地減少切削液的使用。此外，還能提高產品加工精度和表面質量，避免或減少磨削過程。具有生產效率高、加工質量好、無環境污染等特點，具有很大的發展潛力，是未來切削加工發展的一個趨勢，對發展低碳工藝具有推動作用。

    （2）風冷卻切削技術 將從供給源來的空氣經除濕器除去水分后送到冷卻器直至冷卻到零下30℃，最后經絕熱管從風嘴將冷風送至切削部位[8]。風冷卻切削可顯著降低切削溫度提高刀具耐磨性和使用壽命，既提高工件表面加工質量，又完全無排放。相信隨著加工工藝技術不斷發展，風冷卻技術會有廣闊的應用前景。

    （3）優質清潔表面技術 隨著機械產品使用的廣闊性，對其表面耐磨性要求也越來越高，優質清潔表面技術——自泳涂裝。與傳統的電泳涂裝相比，它為水分散體系，不含有機溶劑，具有節能、節材，涂膜均勻，耐蝕性優良等特點，屬無污染生產工藝。目前，在機械制造業得到推廣和應用，獲得了顯著的經濟和社會效益。

    （4）先進刀具技術 刀具技術是提高切削加工工藝技術的基礎，其發展涉及到刀具材料和刀具的結構技術，可分別提高刀具性能和工件的加工精度，在設計刀具的集合參數和結構時，還應滿足切削時對斷屑和排屑的要求，目前對刀具三維曲面斷屑槽研究和設計制造技術趨于成熟，能有效地提高切屑折斷能力和控制對切屑的流動方向。

    五、低碳管理

    低碳管理是集低碳價值觀、低碳技術、低碳設計、清潔生產、低碳認證等為一體的全新的管理模式。主要包括：

    ⑴完整的低碳管理體系 系統化、標準化是機械制造企業低碳管理的發展趨勢，其內涵及具體措施有：健全的監督管理體系、完善的環保法制、制造過程對資源消耗和環境影響的評估體系、強大的資金和技術支持以及企業積極申請ISO14000等綠色認證體系。

    ⑵高效的生產模式 從產品的使用性質來看，可分為專用性的定制產品和通用性的市場產品。其中定制環節浪費的資源占所耗資源的很大一部分，并影響所產生的環境排放和資源消耗。因此，企業可使用大規模定制生產模式。根據產品多樣性和統一性，來分析產品結構的相似性與通用性，分類后產品可轉化或部分轉化為批量生產，實現零部件數量最小化，高效利用資源[6]。

    ⑶低碳設備管理 隨著機械行業生產設備不斷更新，企業環保意識不斷增強，低碳設備倍受親睞。低碳設備管理是相對于傳統設備而言的一種新的理念和技術。以探索最少的資源消耗和環境保護，使設備工作狀態最佳為目標，實現設備管理的功能、環境保護和資源利用等集成化[9]。

    低碳制造的數據庫與知識庫 是指為實行制造過程低碳化而提供數據和理論支撐的資源系統。包括低碳設計、低碳選材、低碳加工工藝、低碳管理、低碳后處理及再制造等內容。只有這樣，才能充分地將低碳制造理念和技術貫徹實施，滿足不同企業對不同產品的制造要求，而且，隨著技術的不斷發展，應及時對數據庫和知識庫進行更新、管理和維護[10]。

    六、低碳后處理及再制造

    機械產品制造過程的后處理主要包括產品的包裝，維護和回收。其中低碳包裝是指能循環復用、再生利用或易降解腐化，在產品整個使用周期中對環境和人體不造成危害的適度包裝[11]；低碳的維護是指從設備開始使用就進行全過程監護、維護和檢修，以便設備更好更高效更經濟的運行，有效避免了因設備故障導致材料等資源不必要的浪費。低碳回收是低碳后期處理的關鍵要素。在傳統觀念上，產品壽命結束后，組成各部件的材料再也沒有使用價值，事實上，對廢棄產品中有用的部分重利用起來，既節約資源又保護環境，具體表現在：首先，在產品生產過程中，注意對流失的物料和廢料進行回收，經過處理后作為原材料返回到流程中，實現廢物循環利用的閉合回路，有效地使生產過程對環境危害最小化；其次，在生命周期終結后，采用一定的處理技術對其回收處理，也可減少因資源浪費造成的環境污染。

    再制造是機械行業實現“三贏”﹙即客戶、環保、企業﹚的有效途徑。它是以產品制造的全生命周期為理論指導，以提升廢舊產品性能為目標，以高效、優質、環保、節能、節材為準則，通過先進技術和產業化生產來對產品進行修復和改造的總稱。如下圖所示：經過整個循環后，與傳統新產品制造相比，可節省成本50%，減排55%，節能60%，節材70%，減少溫室氣體排放85%。還可大大減少水和能源消耗。

    目前，我國機械制造業的再制造過程對產品只是簡單的更換，還未達到減少成本、減少排放和降低污染的目的。為此，低碳再制造應從設計、制造、運輸、使用到報廢整個流程考慮，分階段地實現資源耗費和環境污染最小化，達到企業、環境和社會三者效益的協調化[12]。#p#分頁標題#e#

    七、結語

    21世紀的機械制造業，必將向著以技術創新推動產業創新，以現代低能耗、低污染的低碳制造化代替傳統高能耗、高污染的制造邁進。實行機械產品制造過程低碳化轉型是發展機械行業低碳制造的新型理念基礎和技術來源，符合當前低碳經濟與低碳生活的時代潮流，有助于加快制造企業的結構調整與弘揚可持續發展觀念。

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