机械零件设计中的绿色思维

　　绿色制造工程是人类社会可持续发展的必由之路，是当前制造业解决日益严峻的环境问题的现代制造模式。产品的绿色概念是绿色制造的关键所在，已经受到人们的日益关注和重视，在各设计制造领域得到了较好的应用，是现代产品设计与制造的一种发展趋势。产品要“绿色”，组成产品的最小单元——零件必须是“绿色”的。传统的零件设计指导原则是只要易于制造，满足要求的功能、性能，成本最低即可。显然这种不考虑环境属性的设计不能满足绿色制造的要求，极大地制约了现代制造模式的实施。因此，产品要“绿色”，必须要在零件设计中考虑环境要求。

　　一、零件的设计要贯彻以人为本的设计理念

　　在进行零件设计时，必须以人的心理、生理学为基础，从优化生命质量，缩短操作时间，提高工作效率，减少无谓的脑力劳动和体力劳动等方面全面审视设计方案。如在设计仪表中的刻度盘形式和尺度时，必须保证具有可读性，因为人的工作效率取决于接受信息的完善程度和准确性。从减轻操作者眼睛疲劳的角度出发，指针式指示器中“开窗式”仪表的示值认读最准确，直线形垂直式刻度盘的认读误差最大。这是因为前者刻度盘上的数字显示相对于固定的标线移动，读数时无须转动眼睛，能减轻眼睛的疲劳;而对于后者，认读时为了从起算数值向终端数值读数，必须转动眼睛，增加了眼睛的疲劳程度。为了提高可读性，刻度盘中刻度板与刻线的颜色配合也很重要，实践表明墨绿色刻度板配白色刻线、淡黄色刻度板配黑色刻线，这两组配合的读取误差率最小，是最佳组合，可作为设计时的参考。当然，在色彩设计时应注意选择环保涂料，以减少对环境的污染，提高零件的绿色性能。

　　二、零件的设计应优先选择与环境友好的材料

　　零件要“绿色”，在很大程度上决定于材料的选择是否恰当。选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则。由于目前的各类手册只提供材料的化学成份、力学性能、价格、用途举例等方面的资料，而没有介绍材料的环境属性，如材料在制备、使用及用后处置阶段对环境的影响。因此，要想选择合适的材料，并不能简单地直接由设计手册查得，而要求设计者关注新材料的发展，了解材料的环境属性，使所选材料在满足一般功能要求的前提下，具有来源广、不破坏生态、易于进行制造、成本低的特性，避免选用高能耗、重污染、有毒、有害和有辐射的材料。

　　1.零件的设计应“小而精”

　　在同一性能情况下，零件结构越小，所用材料越少，可节约资源的使用量，使零件的“绿色”性能得以提高。由于零件形状和尺寸的确定，往往要依赖于对其进行强度、刚度、磨损、振动、发热及热变形的分析计算。在传统的设计过程中，设计者必须翻阅大量的手册、文献资料，并要检索有关的曲线和表格，以获得设计或校核验算时所需要的各种系数和参数，这是十分费时、费事又易于出错的工作。因此，大多数设计者只对产品中关键的零件进行分析计算后，确定其结构形状及尺寸，而对大部分零件则采用类比法或根据自身的经验，同时为确保零件的实用性能，采用较大的安全系数来确定零件的形状和尺寸。这样导致零件的结构尺寸偏大，增加了材料的消耗，违背了绿色设计的原则。因此，在零件的设计过程中要尽量采用先进的设计理论和方法，提高机械零件计算载荷的准确度，尽量降低安全系数。这既可以合理地设计出零件的结构尺寸，又可以减少设计者的工作量。当然，这将要求设计者及其所在部门要重视设计本身对生态环境的影响，积极推行并实施先进的设计方法，大力倡导在结构设计中树立“小而精”的设计思想，尽量使结构简单而不降低功能，力争使消耗原材料最少而不影响使用寿命。

　　2.零件的设计要有利于绿色制造

　　设计的零件必须具有良好的工艺性。通常认为良好的工艺性表现为：在结构满足使用要求的条件下，适应具体可能的生产条件和规模，能用最少的时间、劳动量、工具、设备以及最简单的工艺方法和过程生产出来。由此可见，这里重在考虑其经济性，而没有考虑环境属性。要使设计的零件符合“绿色”，必须利用并行工程的思想，其工艺性上除必须满足上述要求外，还必须注意以下问题。

　　(1)由于铸造和锻造过程中环境污染严重，能耗高，在零件设计时尽可能不采用这类毛坯。如传统的机床支承件、传动箱一般都是采用铸件结构，不利于改善机床的绿色性能。重庆机床厂在开发的YKS3120系列六轴数控滚齿机中成功地采用了钢板焊接立柱、传动箱等结构，一方面提高了机床强度和刚性，而且由于减少了铸造工艺而大大减少了机床制造过程中的环境污染和能源消耗，具有良好的绿色制造特性，取得了良好的效果。

　　(2)在进行连接类零件设计时，要重视结合方式与结合处本身的设计，优先采用易于拆卸的连接方式，减少紧固件用量，尽量避免破坏性拆卸方式，如采用拉锁式、按扭式安装技术取代传统的焊接、铆接技术，在满足连接安全性要求的前提下，优先采用嵌入咬合式的连接方式。

　　(3)在进行零件技术要求设计时，应以能量损耗最少为原则。如金属构件需要时效处理时，应优先采用振动时效。因为利用热时效、自然时效方法处理金属构件费时、耗能，而振动时效方法节能、高效，不受工件大小、形状及加工场地的限制，特别是在环境保护方面成效卓越。

　　(4)在零件的设计过程中要考虑零件废弃后的回收、再利用及处理等内容，减轻或消除废弃零件对环境所造成的污染。

　　(5)在零件的设计过程中要重视标准化工作，减少零件的多样性。

　　绿色是21世纪产品的主要特征之一，只有在设计的初期阶段按照绿色产品的特点规划，从零件设计开始就考虑绿色要求，才能保证产品最终的“绿色”。

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