机械制造与自动化
主办单位:南京市机电产业(集团)有限公司
国际刊号:1671-5276
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浅谈机械制造节材途径

  摘要:随着资源能源问题日益加剧,节能节材已成为一项重要话题。本文通过分析国内机械制造业材料消耗现状,得出了用材所存在的困难和问题,并针对节材节能、提高经济效益等方面,提出了切实可行的解决方案和途径。最后对节材的前景进行展望,同时探讨我国机械制造业的发展趋势。


  关键词:机械制造;材料消耗;节材途径;资源能源


  引言


  近年来,随着我国经济不断发展,作为经济发展重要基础的机械制造业也得到了飞速发展和壮大,这使得我们对未来的发展充满信心。但是,在取得经济效益的同时,也应该看到能源,资源,环境约束更趋强化的现实,而机械工业作为能源消耗的巨大产业,传统机械制造业的粗放型增长模式已难以为继。因此,转变自己的发展方式,调整产业结构,降低能源消耗,走新型工业化道路已势在必行[1]。


  同时,在市场经济的作用下,机械制造企业之间的竞争日益激烈,客户对产品性能质量等方面有较高要求的同时,对价格因素也有了更多的考虑,企业为了扩大产品销售量,将会降低产品价格,利润也会随之降低。企业为了生存和发展,就必须想方设法,提高产品的利润率,实现利益最大化,这就需要在产品制造过程中严格控制其生产成本,而节材最为成本控制的重要方面。因此,对机械制造过程中的节材途径进行探讨,对机械制造业的长足稳定发展具有重要的意义。


  1 机械制造业中材料消耗的现状及问题


  1.1 材料消耗的现状


  我国是一个机械制造业大国,但并非机械制造强国,与欧美等工业发达国家相比,我国的机械制造业还存在着很大的发展空间,无论是在技术装备,还是资源利用等方面都和他们有很大的差距。我国GDP占世界的4%,能源消耗占到了10%,已成为世界第二大能源消耗国[2]。传统机械加工过程中,资源消耗非常的严重,其中主要是钢铁等贵重金属材料。但是,在机械制造过程中由于诸多因素的限制和约束,导致这些材料并非都被充分的利用,巨大材料的消耗必定增加产品成本的上升。资源消耗问题在经济发展过程中不容乐观,必须引起高度的重视。当然,在市场和创新的驱动下,相信资源消耗问题会得到很好的解决。仔细分析发现,目前我国机械制造业中材料消耗主要存在以下几个方面的问题。


  1.2 材料消耗存在的问题


  (1)在机械制造过程中,原材料成本过高。根据国家有关部门对机械系统近万家企业的统计结果表明:机械制造过程中每年消耗钢材约1000万吨,占全国钢材总使用量的15%~20%[3]。其中原材料费用占机械产品成本的60%以上。原材料费用过高是目前机械制造业工程材料消耗的主要问题之一,如果不能得到合理的解决,便不能达到节材的目的。


  (2)原材料的利用率低。经过相关部门的统计,我国机械制造业钢材利用率仅为60%左右,与发达工业国相比差距极大。我国机械制造业的锻、铸件综合废品率偏高,这大大浪费了原材料和能源。一项调查结果显示,一些企业铸钢件的废品率大约在10%~11%,铸铁件的废品率在12%~14%,有些机械制造工厂的废品率甚至高达20%,而发达国家的废品率通常都小于5%。


  (3)材料回收再利用率低。机械加工过程中会产生大量的边角料,以及其它材料废弃物或者报废产品,然而这些材料的回收再利用存在一定的困难,导致大量资源的浪费。对我国铸件生产企业的调查表明,铸件产量已经连续六年位居世界首位,铸造企业已经超过26000多家,普遍规模较小,设备和管理相对落后,因此铸造业的总废弃物排放量是世界最大,可回收利用率高,一些企业通过采用先进循环再利用系统,使得旧沙回收率达到70%,铁屑回收率达到90%,如果所有企业都能对废弃资源进行回收利用,将会对企业带来巨大的经济效益[4]。


  1.3 材料消耗带来的影响


  (1)材料大量消耗不仅造成了企业成本的大量浪费,同时还直接造成我国资源的浪费。由于企业生产成本的增加,在一定程度上制约了企业的发展,严重影响了企业的经济效率,久而久之企业将会受到巨大的发展阻力。


  (2)不符合绿色设计与制造这一现代制造业的可持续发展模式。在新时期,我国在机械制造业,除了面临着产品质量和成本等方面的竞争外,如何突破绿色壁垒是更加严峻的挑战。通过使用新工艺技术,可以提高资源利用率、降低成本、减少环境污染,应对国际绿色贸易壁垒的挑战。


  (3)资源的大量消耗不利于我国经济的可持续发展。我国还处于社会初期阶段,各个方面都还不成熟。在资源分配方面,我国既是资源大国,也是资源小国,对于钢铁这一非可再生资源,在对其使用过程中应坚决杜绝浪费。


  2 机械制造过程中节材的途径


  机械加工过程中,节材的目的就是为了降低能源消耗,降低产品的材料消耗,然而钢铁等重要金属材料是机械加工过程中的原材料。因此,机械制造节约材料的重点是钢材等金属材料。同时,也要注意节约其他原材料。制造过程中,在保证产品质量的前提下,尽量降低资源消耗,需要从技术,经济等方面综合考虑。其中主要概括为以下四个方面:设计过程中减少产品的材料使用量,制造过程中降低产品的材料消耗提高其利用率,结构优化过程中提高产品的性能和质量,匹配各个零部件寿命延长产品服役寿命。这四个方面综合考虑,才能发挥出最大的社会经济效益。


  2.1 采用先进技术,提高材料的利用率


  产品材料消耗率用“单位材料消耗系数”衡量, ( -产品重量, -产品的生产率、功率或者其他重要的性能指标)。其中 值越小,反映设计方案越完善和用材较合理。所以要想提高材料的利用率也就是尽量降低其消耗率。在机械制造过程中,尽量采用先进的少,无切削制造技术,大范围内采用新工艺,新技术是提高材料利用率和降低废品率的根本途径,其具体的实施措施包括以下几个方面。


  (1)推行钢材集中下料,科学裁剪和改进下料工艺、设备。集中下料综合考虑了零件的几何尺寸,可以通过建模优化的方法,设计出合理的下料方案,对全厂的板材作业集中管理,尽量使得所有材料都得到充分的利用[5]。如此同时还要改进下料工艺设备。如工具、轴承等行业,备料下料的工作量很大,一般都采用弓锯和圆片锯下料,锯口宽,下料损耗大,如果采用带锯设备下料,可以减少锯口损失80%左右。计算机辅助科学裁剪,排料技术是普通手工排料的20倍左右,同时钢材的利用率也达到67%以上,所以大力推广科学裁剪技术,将会对材料利用率有很大的提高。   (2)扩大采用各种少、无切削新技术提高毛坯制造精度。只有不断创新学习,引进新技术,新工艺,才能有效提高利用率。在制作过程中大力推广各种新技术。如在锻造过程中加大模锻和精锻件的比例,推广齿坯精锻、模锻等先进工艺;又如推广精铸新工艺,使铸件精度进一步提高,从而提高金属利用率,包括推广树脂自硬砂、水玻璃自硬砂工艺,发展气冲造型、冷芯盒等高精度造型制芯技术和压铸、离心铸造、金属型铸造及熔模铸造等精铸工艺。推广各种新设备、切割技术、焊接技术,提高工作效率。


  (3)改进工艺质量,降低废品率。加强工艺管理,改进工艺质量,是降低废品率的重要环节之一。如加强材料消耗定额的管理,以及投产材料的质量控制和检验。引进无损伤检测技术,在制造过程中实时动态检测产品质量,及时调整从而有效预防降低废品率。


  (4)采用先进防腐技术,加强材料表面保护技术的应用。腐蚀所造成的损失是巨大的,每年我国金属的腐蚀损失约为全年总产量的20%,由于腐蚀所造成的损失是不可挽回的。所以需要应用表面处理技术,对机械产品进行强化和表面保护,有效减少腐蚀和早期失效的发生,这对于延长产品使用寿命,降低材料消耗有非常重要的意义,也是机械制造中节材的重要途径之一。


  2.2 扩大应用新材料,提高材料应用水平


  随着材料科学的不断发展,高性能节能材料不断的被研发和生产,新材料的推广和应用,可以提高机械产品性能或者延长使用寿命,降低自重。这对于节材有十分重要的意义。


  (1)推广应用各种高效钢。采用高强度合金钢代替普通碳钢来制作一般承载构件,可以使得结构件的重量减轻10%~30%左右,在国外的汽车制造上已得到了广泛的使用[6]。当然也可以在工程机械,起重运输机械,矿山设备,电站设备等行业得到进一步的扩大使用。冷弯型钢可制成各种经济断面型材,使得金属在整个断面上的分布更为合理,构件重量轻, 承载能力大,所以可以用来制作框架、底盘、档板、支架等。采用新型模具钢,可以使磨具的平均寿命提高2~6倍,有效的降低了工磨具材料的消耗。此外,还有易切削钢、非调质钢、感应淬火钢、快速渗氮(碳)钢等,对于提高用材水平,提高产品质量,节约材料都有重要作用。


  (2)扩大应用工程塑料和新型非金属材料。各种工程塑料和复合材料可以用来替代金属材料,在交通运输设备、汽车制造、耐腐蚀化工设备、农业机械、耐磨零部件的制作等行业中广泛应用,不仅可以缓解对金属资源需求,还可以发挥节能节材的功效,对于提高产品性能,改善其结构亦有重要意义[7]。各种胶粘结剂的应用,同样有显著的节能节材效果,如有磨损或断裂的零部件可选用合适的粘结剂,采用不同工艺加以修复,这样可以节约大量材料与工时。此外,碳化硅、氮化硅特种陶瓷材料,具有良好的耐高温,耐磨耐腐蚀功能,可以用来作为热机材料;还有人造花岗岩材料,具有很高的强度,可以用来制造机床机身,立柱等基础构件;各种新型润滑油品材料,可以使摩擦件使用寿命大幅度提高,这些材料的应用可以节约大量金属材料。


  (3)扩大应用粉末冶金材料。粉末冶金技术是一项少,无切削新工艺,此工艺具有材料利用率高、生产率高、投资省、等优点。当前可以在用量大的机械产品中扩大采用粉末冶金材料。据有关部门的统计,如能扩大应用3万吨粉末冶金零件,可节约钢铁材料12万吨。


  2.3 提高设计水平,改进产品结构


  从产品设计入手,尽力采用新机构,在提高产品性能的前提下,降低“单位材料消耗系数”,是节材的又一途径。


  (1)推行制定轻量化的设计规范。传统机械加工过程中由于受到加工设备的限制,为了便于零部件的加工,忽视了轻量化的设计指标,采用粗放式的加工方案,不仅增加了资源的消耗,有时候还降低了产品的结构性能。因此,对于大批量生产的泵,阀,风机和中小电机等产品要大力推行轻量化的设计规范,尽可能降低产品的材料消耗。


  (2)采用现代设计方法,改善产品功能。采用各种优化设计方法,在设计阶段对产品进行可靠性设计,改进其功能,使结构更加合理,用材更加少。如采用拓扑优化设计自行车的框架结构时可以节省70%的材料。同时采用模块化的设计方法,可以提高机床零部件通用化程度和互换性,又可大幅度节约材料。


  (3)适当提高材料使用强度等级,充分发挥材料潜力。由于技术条件的限制,目前在进行产品设计过程中大多采用静强度计算方法,材料使用强度等级比国外同类产品低1~2级,安全裕量较大,材料的潜力未能充分发挥。所以配合高强度材料的应用,适当提高材料的使用强度等级,才能降低消耗。


  2.4 大力推广再制造工程的研究应用


  再制造工程是一项新兴研究领域和产业,在国外已有很长的发展历史,但是在国内起步相对较为缓慢。国内,目前一些单位已经开始制造领域零部件再制造的研究工作。再制造工程技并不是对原有产品简单的以旧换新,它包含着先进的技术以及加工工艺,由于新技术、新工艺、和新材料的引进,它可以改进产品的技术性能和提高其可靠性[8],从而延长产品的使用寿命。再制造产品的费用仅为新品费用的40%~60%,所以它为降低材料消耗,节约原材料开辟了一条新的途径。此外,对于那些耗材量大,而且功能单一的大型设备,需要进行改进或者淘汰,这项措施的实施同样会使的材料的消耗得到很好的缓解。


  3 对节材前景的展望


  转变机械制造业的发展模式,走新型节能节材工业化道路,将会对我国机械业的发展带来巨大的推动作用,所以需要对未来的发展充满信心。从发达国家的发展经历可以预测到,我国机械制造业的发展将会面面临前所未有的挑战和机遇,总结起来主要包括以下几个方面。


  (1)材料及工艺是机械制造业的基本元素,为了节约资源,减少污染,降低成本,实现绿色化制造,将会面临着新技术发展的严峻挑战,只有不断的创新和研究才能推动机械制造不断向前发展。同时这也将促进国内企业向绿色化方面改进,对企业的自主创新起到鼓励作用。我国机械制造企业绿色化,可以从产品生命周期绿色化和工艺材料绿色化两个方面首先突破。


  (2)机械制造过程中将节约材料贯穿于产品生产、设计、制造及使用的全过程。其中制造过程中节材是潜力最大而且最易见效的环节。因此,要大力研究和使用先进技术、工艺和装备,提高国产技术装备水平,加速传统产业技术升级。


  (3)基于上述论述,随着能源资源问题不断突出,就需要机械加工企业严格控制自身材料的消耗,遵循国家关于材料节约的相关规定,使得钢材利用率得到不断提高,铸造件的综合废品率不但下降,同时使得产品的使用寿命进一步的延长。这些技术指标的达到将会对我国机械制造业经济的发展带来巨大的经济效益。


  4 结束语


  随着工业的发展,资源、能源及环保问题日益突出。机械制造业作为工业基础之一具有相当的节材潜力。因此,要尽量采用新工艺、新设计大量应用新材料等,将提高机械产品质量和提高经济效益相结合,应用新型节材技术;还要完善相应的管理、经济和政策法规。把节约材料与推动科技进步相结合,并从人类可持续发展的战略高度出发,节约原材料,是现代机械制造业必须继续探讨的重要内容之一。


  参考文献:


  [1] 孙柏林。发展绿色制造技术的思考[J]. 自动化博览, 2012(S1):10-15.


  [2] 陈志选。浅谈机械制造过程中节材的重要性[J]. 经营管理,2012:41.


  [3] 郑文进。试论化工机械制造过程中节材的重要性[J].科技向导,2011.第31期:244.


  [4] 于永来,马顺龙,何明必。铸造生产过程中的废弃物循环再利用[J].现代铸造,2007.3.


  [5] 王正海。机械工程中节材的途径[J].矿山机械,2007,第3期:7-8.


  [6] 张永先,范其滨。高效钢在钢结构设计中的应用[J].中国建筑金属结构,2002.


  [7] 袁国清。 绿色复合材料与人才培养浅议[J]. 玻璃钢/复合材料,2012(S1):274-276


  [8] 袁俊瑞。机械制造企业绿色化发展趋势[J].2013.


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