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摘 要：结合我国制造业的发展状况，提出了大力发展低碳经济与低碳制造的新思路。针对实行机械产品制造过程低碳化转型的社会需求，全面系统地从低碳设计、低碳选材、低碳工艺技术、低碳管理、低碳后处理及再制造等五个方面说明了实行低碳化转型过程与方法，本文对制造业低碳化的进程具有一定的推动作用。
关键词：机械产品 低碳制造 低碳化转型
引言
进入21世纪以来，我国制造业以25%的年平均增长速度迅猛发展，使制造业增加值占GDP三分之一左右[1-2]。在取得卓越成就的同时，我国制造业仍存在诸多问题，其中产业结构处于高能耗期、能耗强度和能源效率不高、节能技术不够成熟尤为突出，这与我国当前的传统能源依存程度高、节能减排技术偏低、能源利用率低、生产过程管理漏洞较多等现象密不可分。据中科院调查显示，我国能源利用率仅为美国的26.9%、日本的11.5%。“十二五”规划提到，坚持把经济结构战略性调整作为加快转型经济发展方式的主攻方向。2009年11月26日，我国政府正式向外宣布控制温室气体的排放目标，决定到2020年单位生产总值二氧化碳排放相对2005年下降40%—50%[3]。这样，在国内外高度重视能耗问题的大环境下，伴随我国制造业节能减排、可持续发展等观念逐步加强。作为中国能源消耗大户的机械制造业，迫切需求一种降低机械产品制造过程中排放的新制造模式来贯穿整个生产制造过程——机械产品制造过程低碳化模式。它是机械制造业紧跟国际低碳制造浪潮，满足可持续发展要求必经之路。
一、实行低碳化转型的体系结构
机械产品生产过程从狭义理解是指从原材料投入到成品出产的全过程，通常包括工艺过程、检验过程、运输过程、等待停歇过程和自然过程。从广义理解是企业范围内全部生产活动协调配合的运行过程，除上述过程外还包括原材料投入之前的设计、购买、产品出厂后的售后服务等。要实行机械产品制造过程低碳化必须从其各个环节入手。
二、低碳设计
低碳设计以高效率利用资源为出发点，使产品制造过程的不良影响降到最小，其面向对象由传统的人、仅注重功能属性、忽略对环境的影响上升到集产品性能、功能、质量、寿命、成本、环境于一体的现代设计方法和理念，使低碳设计贯穿于产品的构思、选材、制造、使用、报废和回收利用等过程。实现从“摇篮到再现”的循环[4]。其特点主要有:⑴体现低碳设计理念，设计者利用创造原理，充分发挥创新思维，建立在低碳设计理论之上；(2)面对产品生命周期设计，分析在设计，生产使用，再利用等过程对环境影响；(3)强调创造原理和程序化思考；(4)超前性，先进性和综合性，从不同角度突出低碳设计的优越性，有助于缩短新产品开发周期，提升企业竞争力，形成新的设计方法和思路[7]。
2.1低碳设计方法
⑴逆向设计法 相对正向设计而言，其设计基础是采用逆向思维利用事物对立面，从产品的原理、大小和属性进行逆向设计的创新方法。①简化产品的结构和拆卸过程。如减少零部件和紧固件数量，采用易于拆卸的连接方式。②极小化产品体积、质量和极大化采用新原理、新技术和新材料。如使产品轻、薄、短小化，材料少，结构简单，可靠性高，寿命长等。③提高废旧产品回收利用率，如对全塑汽车的回收利用。
⑵生命周期设计法 是指从原料生产、产品生产，经过包装、运输、销售、使用至回收利用及处理所涉及各个阶段的总和。以预防污染、节约资源为核心，把环境与资源效益分析方法应用到产品设计中，实现机械产品功能性、成本性和环境性相协调，确保环境效益与经济效益最佳。
⑶并行工程设计法 集计算机辅助设计、生产制造、管理和质量保证等为一体，实现信息集成、信息共享和过程集成，是实行机械产品低碳设计的新模式和新方法，综合考虑设计中的各方面因素，随时在设计环节进行信息交流和反馈，实现闭环式设计过程多因素、多目标的全局最优化[5]。
⑷虚拟设计法 采用计算机技术生成具有视、听、触等多种感知的人工媒体空间，也称人工虚拟环境。利用虚拟观察技术可分析现阶段工作，并预测对下一阶段的影响，以便设计人员及时了解机械产品的三维建模及加工装配过程。使产品设计从三维到二维转化，提高产品设计精度，减少制造过程中不必要的材料浪费，对提高产品加工速度和保证其质量具有重要意义。
2.2低碳设计原则
⑴资源利用最佳原则 在选用资源时，从可持续发展观念出发，充分考虑资源的再生能力及跨时段配置问题，不能因资源不合理选用而加剧枯竭危机；设计时，最大化的利用产品在整个生命周期内所使用的资源。
⑵能耗、污染最小原则 选用能源类型时，尽可能选用能代替汽油等不可再生的二次能源，优先考虑太阳能、风能等可再生的清洁能源；设计时，力求降低产品在整个生命周期中的能源消耗和因转化为震动、噪音、热辐射等的能源浪费，遵循“预防为主，治理为辅”的低碳设计理念及环保策略。
⑶生态经济效益最佳原则 在考虑产品所创造的经济效益同时，还需从可持续发展观点出发，考虑其行为对生态和社会所造成的损失，从而取得最佳的生态经济效益。
三、低碳选材
低碳材料是指在继承传统意义上的具有良好使用性能和经济性基础上，对资源和能源消耗少，生态环境污染少，可再生或可降解率高，保证产品在制造的生命周期内与环境协调共存的新型材料。其主要特征有：具有良好的使用性能，使用的舒适性和绿色特征。这样，充分考虑材料的研究，应用和环保，资源，能源与发展之间的平衡协调，实现可持续发展。
选材的低碳化应考虑以下内容：首先，优先选用可再生、可循环利用、可降解和易回收的材料；其次，优先选用以低碳环保、节约能源和环境兼容性好为基础的材料，从而提高能源资源利用率，节约能源资源；再次，优先选用低能耗，无或少污染、无毒无害和无辐射的材料，尽可能减少产品对环境的破环。此外，还应少用短缺或稀有原材料，尽量多用废材、余料或回收材料以及新型材料[6]。#p#分页标题#e#
四、低碳工艺技术
随着制造业的不断发展，不可再生能源资源被大量利用，给未来制造业带来了危机，为实行能源资源的可持续发展，当务之急是开发出资源节约型的工艺技术代替传统技术。低碳工艺技术是以传统工艺技术为基础，以节约成本、合理利用资源、降低环境污染为目标，结合材料科学，控制技术，表面技术等新技术的先进工艺技术[7]。因此，分析与研究低碳工艺技术具有重要意义，其内容包括以下两个：
4.1低碳机床加工技术
⑴高速复合机床加工工艺 由于较高的切削速度和进给速度以及较短的换刀等辅助时间，可同时满足高效率、高精度和低碳化的要求。通过一次性加工就能获得高质量的加工表面，显著提高了加工效率和质量，满足了机械制造行业品种多、批量大、投资少的要求。
⑵干加工机床 在机床的干切削加工过程中，会产生大量的切削热，对机床外形和加工精度都有影响，因此，采用适合该加工工艺的机床来避免机床的热变形，保证工件加工精度。对该类机床有以下要求：首先，设计机床结构时，应完全热对称，并配置隔热系统和循环冷却系统；其次、为顺利排屑，应尽量使床身成立轴式、倾斜式或V字形，设计机床底座及防护时，应保证铁屑能快速且全部流出；再次，设计床身盖板时，可采用双层壁结构以对其隔热。
4.2低碳切削加工工艺技术
（1）高速干切削加工工艺技术 高速干切削能有效提高加工速度、缩短加工时间、带走在切削过程中产生的大部分热量，有效地减少切削液的使用。此外，还能提高产品加工精度和表面质量，避免或减少磨削过程。具有生产效率高、加工质量好、无环境污染等特点，具有很大的发展潜力，是未来切削加工发展的一个趋势，对发展低碳工艺具有推动作用。
（2）风冷却切削技术 将从供给源来的空气经除湿器除去水分后送到冷却器直至冷却到零下30℃，最后经绝热管从风嘴将冷风送至切削部位[8]。风冷却切削可显著降低切削温度提高刀具耐磨性和使用寿命，既提高工件表面加工质量，又完全无排放。相信随着加工工艺技术不断发展，风冷却技术会有广阔的应用前景。
（3）优质清洁表面技术 随着机械产品使用的广阔性，对其表面耐磨性要求也越来越高，优质清洁表面技术——自泳涂装。与传统的电泳涂装相比，它为水分散体系，不含有机溶剂，具有节能、节材，涂膜均匀，耐蚀性优良等特点，属无污染生产工艺。目前，在机械制造业得到推广和应用，获得了显著的经济和社会效益。
（4）先进刀具技术 刀具技术是提高切削加工工艺技术的基础，其发展涉及到刀具材料和刀具的结构技术，可分别提高刀具性能和工件的加工精度，在设计刀具的集合参数和结构时，还应满足切削时对断屑和排屑的要求，目前对刀具三维曲面断屑槽研究和设计制造技术趋于成熟，能有效地提高切屑折断能力和控制对切屑的流动方向。
五、低碳管理
低碳管理是集低碳价值观、低碳技术、低碳设计、清洁生产、低碳认证等为一体的全新的管理模式。主要包括：
⑴完整的低碳管理体系 系统化、标准化是机械制造企业低碳管理的发展趋势，其内涵及具体措施有：健全的监督管理体系、完善的环保法制、制造过程对资源消耗和环境影响的评估体系、强大的资金和技术支持以及企业积极申请ISO14000等绿色认证体系。
⑵高效的生产模式 从产品的使用性质来看，可分为专用性的定制产品和通用性的市场产品。其中定制环节浪费的资源占所耗资源的很大一部分，并影响所产生的环境排放和资源消耗。因此，企业可使用大规模定制生产模式。根据产品多样性和统一性，来分析产品结构的相似性与通用性，分类后产品可转化或部分转化为批量生产，实现零部件数量最小化，高效利用资源[6]。
⑶低碳设备管理 随着机械行业生产设备不断更新，企业环保意识不断增强，低碳设备倍受亲睐。低碳设备管理是相对于传统设备而言的一种新的理念和技术。以探索最少的资源消耗和环境保护，使设备工作状态最佳为目标，实现设备管理的功能、环境保护和资源利用等集成化[9]。
低碳制造的数据库与知识库 是指为实行制造过程低碳化而提供数据和理论支撑的资源系统。包括低碳设计、低碳选材、低碳加工工艺、低碳管理、低碳后处理及再制造等内容。只有这样，才能充分地将低碳制造理念和技术贯彻实施，满足不同企业对不同产品的制造要求，而且，随着技术的不断发展，应及时对数据库和知识库进行更新、管理和维护[10]。
六、低碳后处理及再制造
机械产品制造过程的后处理主要包括产品的包装，维护和回收。其中低碳包装是指能循环复用、再生利用或易降解腐化，在产品整个使用周期中对环境和人体不造成危害的适度包装[11]；低碳的维护是指从设备开始使用就进行全过程监护、维护和检修，以便设备更好更高效更经济的运行，有效避免了因设备故障导致材料等资源不必要的浪费。低碳回收是低碳后期处理的关键要素。在传统观念上，产品寿命结束后，组成各部件的材料再也没有使用价值，事实上，对废弃产品中有用的部分重利用起来，既节约资源又保护环境，具体表现在：首先，在产品生产过程中，注意对流失的物料和废料进行回收，经过处理后作为原材料返回到流程中，实现废物循环利用的闭合回路，有效地使生产过程对环境危害最小化；其次，在生命周期终结后，采用一定的处理技术对其回收处理，也可减少因资源浪费造成的环境污染。
再制造是机械行业实现“三赢”﹙即客户、环保、企业﹚的有效途径。它是以产品制造的全生命周期为理论指导，以提升废旧产品性能为目标，以高效、优质、环保、节能、节材为准则，通过先进技术和产业化生产来对产品进行修复和改造的总称。如下图所示：经过整个循环后，与传统新产品制造相比，可节省成本50%，减排55%，节能60%，节材70%，减少温室气体排放85%。还可大大减少水和能源消耗。
目前，我国机械制造业的再制造过程对产品只是简单的更换，还未达到减少成本、减少排放和降低污染的目的。为此，低碳再制造应从设计、制造、运输、使用到报废整个流程考虑，分阶段地实现资源耗费和环境污染最小化，达到企业、环境和社会三者效益的协调化[12]。#p#分页标题#e#
七、结语
21世纪的机械制造业，必将向着以技术创新推动产业创新，以现代低能耗、低污染的低碳制造化代替传统高能耗、高污染的制造迈进。实行机械产品制造过程低碳化转型是发展机械行业低碳制造的新型理念基础和技术来源，符合当前低碳经济与低碳生活的时代潮流，有助于加快制造企业的结构调整与弘扬可持续发展观念。
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