1.2　機床及其全生命周期工程

1.2.1　機床的定義及特點

（1）機床定義

機床是將金屬毛坯加工成機器零件的機器，是制造機器的機器，又被稱為工業母機。它是先進制造技術的載體和裝備工業的基本生產手段，是裝備制造業的基礎設備，重點為汽車產業、傳統機械產業、航天航空等十大軍工產業及以信息技術為代表的高新技術產業服務。機床的發展程度直接制約著國家制造業水平的高低，其發展目標是為各機械制造產業提供具有更優異的加工精度，更高的生產效率，更穩定的可靠性，更持久的精度、壽命，更節能環保的制造過程的高性能加工設備。

《中國制造2025》規劃綱要成為“十三五”中國裝備制造業規劃頂層設計的指針，對未來全球裝備制造業大環境趨勢客觀分析研究做出前瞻預測，統籌布局，立足國情和現實，按照“三步走”戰略，實現制造強國戰略目標。用高新技術和先進實用技術改造傳統產業，大力振興裝備制造業已成為我國制造業快速發展的重要基礎。

（2）傳統機床行業的特點

大力發展裝備制造業是我國工業發展的基礎及重要保證，機床制造業作為我國裝備制造業的重要組成部分，為我國國民經濟和國防建設等提供生產裝備。

機床行業屬于典型的機械裝備制造業，具備以下特點。

①機床產品結構復雜，其產品技術特性和工藝過程隨市場變化而變化。大部分客戶都有個性化要求，導致機床企業的產品很大部分都是定制開發、生產，無法實現產品批量生產。機床在生產加工過程中，雖然都需要經過毛坯粗加工、精加工、部件裝配、電氣配線、電氣調試和整機裝配等工藝過程，但各個產品之間的制造工藝和工序都存在較大差別。

②機床行業生產方式包括標準機型的批量生產，還包括單件、小批量的個性化訂單生產。在制造模式不僅需要支持多品種、不同批量的生產類型，還需要支持單件生產類型、庫存備貨式生產及項目型個性化生產模式。

③機床產品的生產周期長，周期短的2～3月，長的達半年甚至更長時間。機床產品部件加工工藝復雜，關鍵物料的采購周期長，再加上個性化要求多，生產過程也難以控制，導致生產過程中變動頻繁，生產計劃難于控制。

傳統的機床設計理念是“只有足夠的剛度才能保證加工精度，提高剛度就必須增加機床重量”。因此現有機床重量的80%用于“保證”機床的剛度，而只有20%用于滿足機床運動學的需要。這不僅浪費原材料，而且增加機床使用過程中所耗能量。傳統機床在設計過程中一般只考慮機床的使用性能，即加工范圍、加工精度、功能、穩定性等方面，沒有或者很少涉及機床的制造和使用過程中的資源消耗情況及其對環境的影響，傳統機床加工的特點如表1-2所示。

中國機床制造業的快速發展，是以巨大的資源消耗和嚴重的環境影響為代價的，幾乎沒有考慮機床產品在生產、使用過程中以及報廢后對環境造成的危害，特別是使用過程中切削油消耗大、油霧和油污污染嚴重、漏油混油現象嚴重，對生態環境和人類特別有害。

1.2.2　機床全生命周期的開發

傳統的產業結構和制造模式已經越來越不能適應時代的要求，需要系統解決因國際市場環境變化以及國內產業發展帶來的一系列問題。機床制造企業出于對生存可持續發展的考慮，應積極主動地引入各種先進的制造戰略、制造模式和制造技術等對其制造模式進行變革，提高自主創新能力，開發占用較小空間、節省能源、高精度和高速度的機床。

綠色制造是人類社會可持續發展戰略和循環經濟模式在現代制造業中的體現，是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中制造業領域發展三大思路之一。綠色制造模式順應了機床行業制造模式的發展趨勢，可以系統解決中國機床行業發展的瓶頸問題，是機床行業實現機床產業結構優化、企業自主創新能力提升、產品市場競爭力提高和機床行業節能減排的先進制造模式。

機床全生命周期的開發是一種在機床設計階段就考慮機床整個生命周期內價值的設計方法。它包括機床生命周期內所有相應的環境描述以及機床和環境相互作用的規律描述。

（1）全生命周期工程

產品的全生命周期是指本代產品從設計、制造、裝配、包裝、運輸、使用到報廢回收的全過程，是一個“從無到有”，再“從有到無”的過程。它既是一門技術，又是一種制造的理念。它支持并行設計、敏捷制造、協同設計和制造，網絡化制造等先進的設計制造技術，考慮到設計是工程中的主要環節，因此產品生命周期工程也稱為產品生命周期設計（LCD）。

全生命周期設計就是以環境需求為導向的設計方法，它在產品設計階段就充分考慮產品生命周期全過程對于環境的影響和資源的消耗，是在傳統設計方法的基礎上發展起來的，因此全生命周期設計不僅考慮產品的質量、功能、成本和使用壽命等因素，還考慮產品的資源消耗、污染物排放以及其他與環境有關聯的指標，以實現資源的多級利用，優化配置資源，主要有以下三個方面的優點。

①在設計階段盡可能預見產品全生命期的各個環節的問題，并在設計階段加以解決或設計好解決的途徑。現代產品日趨復雜、龐大和昂貴，其中的知識含量也與日俱增，一旦出現問題，僅靠用戶的經驗和技能很難有效解決和保障設備的有效運行。

②在設計階段對產品全生命周期的所有費用（包括維修費用、停機損失和報廢處理費用）、資源消耗和環境代價進行整體分析規劃，最大限度地提高產品的整體經濟性和市場競爭力。

③在設計階段，對從選材、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產品報廢、回收、再利用或降解處理的全過程對自然資源和環境的影響進行分析預測和優化，以積極有效地利用和保護資源、保護環境、創造好的人-機環境，保持人類社會生產的持續穩定發展。

（2）全生命周期設計方法分類

全生命周期設計方法主要分為兩類：一類是專用方法，部分產品有自己的生命周期設計專用方法，例如高速干式切屑技術、工業汽輪機的葉片優化技術等，這些技術能夠提高能源轉換效率，同時這些設計屬于不同的學科，專業化程度很高；另外一類是通用方法，適用于不同產品，例如模塊化設計、生命周期成本設計、低碳設計和基于TRIZ的生命周期設計等。

1.2.3　機床產品全生命周期工程

傳統機床制造中的產品生命周期是到機床使用報廢為止，基于全生命周期工程提出的機床產品全生命周期過程將機床產品生命周期大大外延，包括機床產品從設計、原材料獲取、零部件加工、機床裝配、機床包裝、銷售、使用到廢舊機床回收再制造、再制造新機床使用以及之后的循環利用的整個過程。

機床全生命周期是由多個緊密聯系的單元過程組成。從大的方面看，機床產品全生命周期工程包括制造機床所需的鋼材、鑄鐵等原材料制備、機床產品方案設計、機床產品制造、機床使用維護、機床產品運輸、報廢機床處理回收及再制造等一系列的過程，再往細分包括機床原材料制備、毛坯生產、零部件加工及熱處理、機床裝配調試、機床使用及維護、機床報廢處理、機床再制造等單元過程。

本節主要是從機床產品方案設計、機床產品所需原材料的制備、機床零部件制造加工、部件裝配、機床產品包裝、機床產品使用以及廢舊機床產品的再制造等階段來介紹產品全生命周期過程，如圖1-4所示。

（1）機床產品方案設計

在機床設計階段就考慮機床整個生命周期內價值的設計方法。這些價值不僅包括設計機床所需的功能，還包括機床的可生產性、可裝配性、可調試性、可維修性、可運輸性、可循環利用性和環境友好性。其目的是設計的機床對社會貢獻最大，而對制造商、用戶和環境的成本最小。

（2）原材料制備

機床制造過程中需要消耗大量的原材料，如鋼材、鑄鐵和其他材料（主要指包裝材料和輔助材料）等。在原材料制備階段，應該合理地選擇綠色原材料，這樣不僅可以減少原材料制備階段的環境污染，還可以避免大量的后續污染。如，針對傳統的鑄件床身鑄造過程環境污染嚴重、能耗高，采用鑄件床身不利于改善機床的綠色性能的問題，如果采用鋼板焊接床身結構取代鑄件床身，那么環境影響就會明顯降低。鋼板焊接床身結構減少了鑄造工藝，大大減少了機床在后續制造過程中的環境污染和能源消耗，同時鋼板焊接床身還可以提高機床的強度和剛性，因而具有良好的綠色制造特性。

（3）機床零部件加工

在機床產品全生命周期過程中，其制造加工過程是機床產品從理論上的概念設計方案到具體機床產品實物實現的理論到實踐的過程，具有周期較長、制造工藝復雜等一些特點。

在機床制造加工過程中，通過對該過程進行合理的工藝設計與規劃，可以盡量減少或避免污染物的產生。比如，通過對加工過程中工藝參數進行優化、對目前現存的加工工藝進行改進或者優化、合理安排工藝路線等，可以降低制造過程中的工藝對環境的不良影響，提高工藝的綠色特性；在確保機床零部件加工質量和加工效率前提下，盡量減少切削液的用量或者選擇那些對環境危害小的切削液種類；同時盡可能采用新的加工工藝或者新技術，如干式切削技術、刀具涂層技術、快速原形制造（RPM）技術等。此外，對企業的管理層特別是對生產現場管理人員和生產人員不僅僅要對他們進行成本、質量、效率等觀念的教育，更要加強對他們進行綠色制造和環境意識的教育。

（4）機床部件裝配

裝配是產品生產的最后一步，其目的是將零部件裝配成一種有用的產品。機床產品的裝配是指將具有各種不同功能的零部件最終組裝在一起，形成一個整體的、系統性的機床產品。在待裝配部件的運送過程中會產生一些固體廢棄物，如各種包裝材料，運輸車輛會排放廢氣以及顆粒物，裝配過程中的清潔等步驟會產生廢液。

新技術的應用可以解決這個階段大部分的環境問題。例如，裝配過程最大的能量消費者和污染源是機床成品的表面涂層，尤其是在具有揮發性的有機化合物排放方面。新型的自動化封裝技術可以減少以往涂料經常出現的過噴現象。目前，一種新型的粉末涂料已經得到應用，它采用空氣噴涂技術噴到金屬表面，并通過靜電作用附著在金屬表面，此過程中可以基本上不使用溶劑。

（5）機床產品包裝

機床產品的包裝過程不僅要消耗大量資源，而且在包裝過程以及拆裝后往往還會產生大量廢棄物，對環境造成嚴重污染。因此，機床產品包裝過程中的資源消耗問題以及環境污染問題應該成為機床綠色制造亟待解決的主要問題之一。

在機床產品包裝過程中，盡可能使用達到綠色要求的包裝材料，其具有污染少或無污染、可回收、可循環利用、可降解、重量輕、易拆卸、易組裝、防水等特點。通過采用各種有效的措施和方法，能夠最大限度地減少對資源的消耗和對環境的影響。例如，采用可回收重用的包裝結構和包裝材料，使得包裝得以重復使用；采用可回收處理或者能夠再生的包裝材料，減少包裝廢棄物對環境的污染；優化包裝方案和包裝結構，減少對包裝材料消耗等。

（6）機床使用及維修

用戶在機床產品的使用過程中需消耗各種能源，如電、潤滑油、切削液等，在能源使用過程中會產生相應的環境污染物。在機床產品的整個生命周期中，使用過程中所消耗的能量要遠遠超過其制造過程中所消耗的能量。因此，在機床產品的設計研發階段，就應充分考慮到對其結構和功能上進行合理的設計，以使得其在使用過程具有綠色環保性能。

（7）廢舊機床產品再制造

機床再制造是一種新型的制造模式，它是在廢舊機床資源循環利用的基礎上充分運用綠色制造技術、信息技術、數控及自動化技術和其他先進制造技術等高新技術的一種新型的制造模式。

機床產品全生命周期工程是指從機床產品全生命周期的時間范圍來綜合考慮環境影響與資源綜合利用問題，以及機床產品壽命問題的有關理論和工程技術的總稱。其目標是在產品全生命周期過程內，使機床回用時間合理，對環境的負面影響最小，資源綜合利用率最高。機床產品全生命周期過程具有兩個重要特征：一是廢棄物的最小化；二是整個過程基本上是閉環的，實現資源循環利用。