5.2.3 机械工业绿色制造技术发展趋势
课题组通过对行业技术发展路线图的收集与分析，归纳提出绿色制造的发展趋势。
（1）国外绿色制造相关技术路线图
基础制造工艺是实施绿色制造模式的重要载体。铸造、热处理、锻造、表面工程、切削加工等在机械制造工艺中有着独特的价值，是制造工艺的关键环节，是材料和终端产品制造之间的重要纽带。
①美国绿色制造技术发展路线图
美国能源部工业技术局（DOE－OIT）于20世纪90年代提出了“未来的工业”计划，旨在提高美国基础制造业的全球竞争力，同时降低能源消耗和废弃物排放。“未来的工业”计划主要针对钢铁、有色金属、化工等工业提出未来工业的技术需求和远景蓝图（Vision State－ment）、编制为实现远景蓝图的所确定必需的研发项目的技术路线图（Technology Road－map）和确保实现目标和实施研发计划的措施（Implementation）。后来认识到热处理行业特点后，将热处理工业也纳入其中。
a）热处理技术发展路线图
1996年2月美国能源部、热处理学会和金属热处理协会（Metal Treating Institute）召集了20名热处理全能（captive）和专业（commercial）加工企业、制造和销售企业领导人讨论提出了美国热处理2020年远景目标。1997年2月有17名专家组成的热处理学会研发委员会讨论提出了热处理技术发展路线图（Heat Treating Technology Roadmap）初稿，并按照设备与硬件、工艺和材料、能源和环境三个领域提出了几十项研发项目。1999年美国热处理学会发布了“1999研发计划”，对1997年提出的技术发展路线图进行了补充和细化。1999年9月在沃切斯特工业大学（Worcester Polytechnic Institute，简称WPI）的金属加工学院（Metal Processing Institute）成立了“热处理高新技术中心”（Center for Heat Treating Excellence，简称CHTE）。随后又在依利诺依（Illinois Institute of Technology）工业大学成立了“热加工技术中心”（Thermal Processing Technology Center，简称TPTC）。两个中心的任务是承担和组织全行业企业参与研发、实现路线图的2020目标、完成所提出的研发项目。2002年7月热处理学会的研发委员会在依利诺依工业大学对路线图进行了讨论、修改和补充。2004年公布了“热处理学会的2004热处理路线图修订稿”（Heat Treating Technology Roadmap－2004HTS Revision）。
2020年美国热处理技术发展蓝图是：材料和工艺将会被更深入的认识和理解，工艺过程和热处理质量将得到更严格的控制，所有的热处理工艺将是环境友好的。计算机控制和机器人将使白领职员和蓝领工人都能在清洁、安全、舒适的环境中工作。工人在空调装卸车上进行装炉和出炉，技术员在靠近热处理炉的一个空调环境中通过计算机进行工艺控制，工程师运用强大的材料和工艺数据库以及终端计算机辅助设计制订工艺。所有热处理工作者都为从事这一行业而感到骄傲，因为他们都认识到热处理是车辆、电子产品、机器等制造工业的关键工序。为了操作和维护各种先进的设备，工人将得到良好的培训和具备极高的技能。
远景目标是：减少能源消耗80%；缩短工业周期50%；降低生产成本75%；实现热处理件零畸变；实现热处理件质量零分散度（相对于标准）；提高热处理炉寿命10倍；降低热处理炉价格50%；实现热处理生产零排放。
美国热处理学会的研发委员会成立了三个工作组：工艺和材料、设备和硬件材料、能源与环保，分别就达到2020年热处理工业远景目标提出了各自工作领域应开展的研究项目和计划，并从回报（分高、中、低3档等）、风险（分高、中、低3档）、完成期限（近期：0～3年；中期：3～10年；长期：10年以上）和紧迫程度（十分紧迫、紧迫、较紧迫）进行综合评估，确定应优先开展的研究项目。具体内容见表5－8、表5－9。
表5－8 工艺和材料部分
模型的开发
续表5－8
表5－9 设备与硬件材料和能源与环境部分
续表5－9
提出了值得重视的研发项目，并成立两个热处理技术研发中心，组织全行业的企业参与研发实现路线图目标和完成所提出研发项目，鼓励和组织热处理企业参与研发实现路线图目标和完成提出的研发项目。
——利用地下水循环的感应加热淬火。小于500kW的感应淬火利用地下水闭路循环冷却，使用时用深井泵抽取地下水，后经净化处理再返回地下。目前密歇根州Alger市Roll Rite公司的一台150kW的Ajax Tocco感应淬火系统已采用此法，每日的费用仅以美分计。
——强烈淬火工艺。乌克兰科学院柯巴斯科院士开发的钢件用水或盐水剧烈冷却淬火是表面形成残余压应力并减少畸变的方法，已在美国获准以Intensi Quench服务商标注册了IQ Technologies Inc公司。由于以水代油，减少了油品消耗并显著降低生产成本，受到美国能源部的重视和支持。
——1010℃以上温度的高温渗碳。真空渗碳技术的成熟和低压渗碳技术的开发为实现高温渗碳制造了条件。由于能显著缩短渗碳周期和节约能源，此项目已列入路线图研发计划的“工艺和材料技术”分组计划。WPI的CHTE推动了工业企业和高效的合作、制造商和生产用户的协同开发。
——Ni3Al金属间化合物－新型炉内抗渗碳耐热构件材料。Ni3Al已问世约20年，因为很脆，长期未获实际应用。Oak Ridge国家实验室由Chain T.Liu领导的团队发现添加微量硼可明显改善其塑性，可作为炉子料筐、夹具，Ni3Al材料成分为添加Cr、Zr、Mo、B的（8～11）%Al，（81～88）%Ni。此材料具有出色的强热性、抗蠕变、抗渗碳能力。Delphi－Sagi－naw Steering Systems公司通过和能源部的合作研究与开发协议已在料盘上进行了数年的成功试验。
——APM和APMT（更高强型APM合金）合金长寿命辐射管。瑞典Kanthal AB的Sadvik公司继Kanthal Al电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。此种材料仍然是在Al粉末材料基础上，通过热等静压（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出来的。用APM合金制造的电热和燃气辐射管比普通耐热合金辐射管能经受双倍的热流，925℃能经受的热流可达9kJ/m2～10kJ/m2。
——炉用平面辐射板。气体技术所（Gas Technology Institute）开发的能砌入炉壁的平面辐射板（flat radiant panel），能增加辐射表面、降低表面温度、延长炉子使用寿命，提高炉温均匀性，减少炉衬、使炉子尺寸缩小50%，加快炉子升温和冷却速度，产生的NOX很少。
——反向循环单管封闭式辐射管（reverse annulus single－ended radiant tube）。北美制造公司（North American Mfg.Co.）和燃气研究所（GTI）共同开发。热辐射率高，用相同材料制造此种管能经受更高温度、提高燃烧效率10%，减少50%的NOX，使用寿命长。
——低NOX燃气强烈内循环（Forced Interval Recirculation）辐射管。GTI开发的U型辐射管沿管长温度均匀。当炉温为1010℃，空气遇热温度从455℃提高到了480℃时，产生的NOX＜0.008%（vol）。而一般预热空气辐射管所产生的NOX大0.02%～0.25%（vol）。
——直焰冲击燃烧技术（Direct Flame Impingement Technology）。使用多喷嘴平嵌入炉壁的高速燃烧器，喷射速度达到1马赫（～330m/s），可在空气过剩系数α＝1的条件下工作，提高能源利用率35%、减少70%的NOX，提高生产率25%、减少50%的氧化烧损、有年节约1亿～1.5亿美元的潜力。
——智能化感应淬火闭环控制系统（Closed－loop control technology）。利用神经网格系统控制原理，全面控制选材、相变、加热工艺、渗层。所提供的软件具有优化零件强度/重量比的功能，具有的主、被动电磁传感器能监控整个加热过程中的透热深度。
——预见钢件渗碳淬火时的残余应力状态的软件。
——延长机器零件寿命残余应力状态的DANTE软件。
——准确预见钢热处理相变定量数据的软件。
——工艺热能评价的鉴定软件（Process Heat Assessment and Survey Tool，PHAST）。该软件为美国能源部计划项目，供用户按不同燃烧方式和热回收参数进行热能转换的工具，可比较炉子在工作状态下的性能，计算各种工作条件下的节能潜力。
——加热炉能源分析工具（Furnace Energy Analysis Tool）可计算按小时、年度或每磅零件的燃料、电能消耗成本数据。
——能源有效利用分析软件。
b）锻造工业技术路线图
为应对面临的日益加剧的挑战——诸如：全球竞争、技术革新、经济发展、市场环境，以及日益增长的客户需求，确保美国锻造工业在关注消费者和有效购买高质量供给上保持世界领先水平，锻造工业积极采取行动。1997年11月美国发布了锻造工业技术路线图。1997版锻造技术发展路线图是建立在通过和其他机构合作研究开发基础上实现锻造技术发展愿景的战略规划。
随着众多技术路线图的完成与实施，美国锻造工业协会组织了锻造工业技术路线图更新研讨会来确定锻造工业的最新优先研究内容。在美国锻造工业协会的组织下、美国锻造工业教育研究基金和美国能源部工业技术计划的支持下，来自锻造企业、供应/采购商、学校和政府等机构的不同利益相关方的41位代表，就“模具材料、模具表面处理与润滑”和“模拟、数据发展和闭环控制”等两大领域中的技术难点、技术需求、实现时间、目标等进行了研讨，并形成了共识。
2003版美国锻造技术发展路线图在分析了锻造工业的重要性、锻造工艺与应用的基础上，研究了锻造技术发展需求和阻碍，提出了锻造工业的愿景和技术发展重点。美国锻造工业的愿景是在工具加工、材料利用、能耗、环境、产量和质量各方面建立起积极进取的技术目标。其发展重点见表5－10。
表5－10 美国锻造工艺发展重点
续表5－10
续表5－10
c）机床能耗研究
生产系统节能受到重视。美国麻省理工学院的Gutowski教授所在的团队对机床装备的能量消耗问题进行了专门研究后指出：一台机床运行一年产生的CO2相当于61辆SUV产生的排放，机床消耗能量所带来的环境影响远远超出人们预想；同时指出机床能量利用率平均非常低下，给出的一台自动机械加工线例子甚至只有14.8%。美国能源部专门设立了以提高制造企业生产过程的能量效率作为首要目标的“工业评估中心（Industrial Assess－ment Centers）”。该中心依托佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）、密歇根大学（University of Michigan）等26所美国知名高校，对工业企业生产现场的能量消耗状况进行评估和研究。据统计数据显示在美国通过实施设备能耗监控及节能优化技术可以节约能源13%。
②欧盟绿色制造技术发展重点
欧盟绿色制造技术发展的重点是提高能源效率、节约能源、发展可再生新能源大框架下进行部署的。在欧盟的能源消耗中，工业占22%，交通占24%。一次能源在转换中的耗损占35%，扣除这项耗损，超过30%的能源为建筑物消耗。所以欧盟各国都在工业、交通、建筑物、电器设备和照明等领域的绿色化来设计政策。弗劳恩霍夫协会在《生产中的能源效率》研究报告中指出，中期来看，工业制造中节省的能源可达30%。早在几年前，德国联邦政府已将“节约资源的生产”提上了议事日程，计划到2020年实现能源效率比1990年提高1倍；同时原材料生产率比1994年提高1倍。为此，德国联邦教育与研究部BMBF资助研发创新、高效使用资源的生产技术总额超过5000万欧元。
③日本绿色制造技术发展路线
2009年，日机联组织制订了2025年高精密加工技术发展路线图。路线图将未来加工技术概括为：先进的核心加工技术、节约能源和资源的加工技术、按需加工技术和多尺度多工序复合加工技术。根据机械工业信息研究院“高档数控机床与基础制造装备前沿技术跟踪及评价”课题组《日本下一代制造技术发展路线研究》报告，整理出绿色制造技术发展路线见表5－11。
（2）国内绿色制造技术发展路线图
“创新2050：科学技术与中国的未来”战略研究组从技术预测出发，对绿色制造技术发展需求与挑战进行了分析，提出我国离散制造业绿色制造技术的近期发展目标是：绿色设计与评价及再制造理念普及；绿色加工过程和资源循环关键过程原子经济性与选择性接近100%；固体废弃物排放量减少50%，原料损失减少90%；节能60%；节省材料70%。
为实现上述目标，需要突破以下关键技术：
①产品的绿色设计与评价技术。绿色设计技术主要包括：产品的绿色设计准则、基于环境特性的模块化设计方法、产品的长寿命设计、均衡寿命设计、可拆卸性设计、面向回收的设计、面向产品使用维护的易维修和易升级的模块和接口设计、产品绿色设计的工具集成，以及绿色设计工具与其他设计工具的集成等；绿色产品评价研究主要包括：绿色产品描述和建模技术研究、绿色产品评价体系与方法研究、产品生命周期评价以及相关评价标准、产品生命周期环境数据库、技术数据库和经济数据库、绿色产品评价认证网络。
②先进表面工程技术。先进的表面工程技术开发需以新型气相沉积技术及装备、纳米多元复合涂层设计及材料、表面涂层工艺及质量模拟与优化控制、先进涂层技术、表面工程数据库等为支撑，为国家重大工程、重大技术装备等研究开发一批先进适用的表面工程关键技术，以大幅度节约原材料。
③近净成形及干式加工技术。
④大型装备制造过程的资源节约及再制造技术。主要包括：工程机械的结构轻量化设计与制造技术；工程机械系统可靠性设计；工程机械保障技术。
⑤仿生绿色制造和智能自修复技术。
⑥废旧电子电器的可拆解、资源化、减量化及再制造技术。
⑦汽车的可拆卸、回收及再制造技术。
⑧绿色包装技术与绿色材料。
⑨建立动脉、静脉相结合的可持续制造系统。
结合“国家技术前瞻”和“创新2050：科学技术与中国的未来”研究成果，课题组归纳出了我国绿色制造技术发展路线如表5－12所示。
表5－12 我国绿色制造技术发展路线
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