1.2　机床及其全生命周期工程

1.2.1　机床的定义及特点

（1）机床定义

机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，是制造机器的机器，又被称为工业母机。它是先进制造技术的载体和装备工业的基本生产手段，是装备制造业的基础设备，重点为汽车产业、传统机械产业、航天航空等十大军工产业及以信息技术为代表的高新技术产业服务。机床的发展程度直接制约着国家制造业水平的高低，其发展目标是为各机械制造产业提供具有更优异的加工精度，更高的生产效率，更稳定的可靠性，更持久的精度、寿命，更节能环保的制造过程的高性能加工设备。

《中国制造2025》规划纲要成为“十三五”中国装备制造业规划顶层设计的指针，对未来全球装备制造业大环境趋势客观分析研究做出前瞻预测，统筹布局，立足国情和现实，按照“三步走”战略，实现制造强国战略目标。用高新技术和先进实用技术改造传统产业，大力振兴装备制造业已成为我国制造业快速发展的重要基础。

（2）传统机床行业的特点

大力发展装备制造业是我国工业发展的基础及重要保证，机床制造业作为我国装备制造业的重要组成部分，为我国国民经济和国防建设等提供生产装备。

机床行业属于典型的机械装备制造业，具备以下特点。

①机床产品结构复杂，其产品技术特性和工艺过程随市场变化而变化。大部分客户都有个性化要求，导致机床企业的产品很大部分都是定制开发、生产，无法实现产品批量生产。机床在生产加工过程中，虽然都需要经过毛坯粗加工、精加工、部件装配、电气配线、电气调试和整机装配等工艺过程，但各个产品之间的制造工艺和工序都存在较大差别。

②机床行业生产方式包括标准机型的批量生产，还包括单件、小批量的个性化订单生产。在制造模式不仅需要支持多品种、不同批量的生产类型，还需要支持单件生产类型、库存备货式生产及项目型个性化生产模式。

③机床产品的生产周期长，周期短的2～3月，长的达半年甚至更长时间。机床产品部件加工工艺复杂，关键物料的采购周期长，再加上个性化要求多，生产过程也难以控制，导致生产过程中变动频繁，生产计划难于控制。

传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机床重量”。因此现有机床重量的80%用于“保证”机床的刚度，而只有20%用于满足机床运动学的需要。这不仅浪费原材料，而且增加机床使用过程中所耗能量。传统机床在设计过程中一般只考虑机床的使用性能，即加工范围、加工精度、功能、稳定性等方面，没有或者很少涉及机床的制造和使用过程中的资源消耗情况及其对环境的影响，传统机床加工的特点如表1-2所示。

中国机床制造业的快速发展，是以巨大的资源消耗和严重的环境影响为代价的，几乎没有考虑机床产品在生产、使用过程中以及报废后对环境造成的危害，特别是使用过程中切削油消耗大、油雾和油污污染严重、漏油混油现象严重，对生态环境和人类特别有害。

1.2.2　机床全生命周期的开发

传统的产业结构和制造模式已经越来越不能适应时代的要求，需要系统解决因国际市场环境变化以及国内产业发展带来的一系列问题。机床制造企业出于对生存可持续发展的考虑，应积极主动地引入各种先进的制造战略、制造模式和制造技术等对其制造模式进行变革，提高自主创新能力，开发占用较小空间、节省能源、高精度和高速度的机床。

绿色制造是人类社会可持续发展战略和循环经济模式在现代制造业中的体现，是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中制造业领域发展三大思路之一。绿色制造模式顺应了机床行业制造模式的发展趋势，可以系统解决中国机床行业发展的瓶颈问题，是机床行业实现机床产业结构优化、企业自主创新能力提升、产品市场竞争力提高和机床行业节能减排的先进制造模式。

机床全生命周期的开发是一种在机床设计阶段就考虑机床整个生命周期内价值的设计方法。它包括机床生命周期内所有相应的环境描述以及机床和环境相互作用的规律描述。

（1）全生命周期工程

产品的全生命周期是指本代产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废回收的全过程，是一个“从无到有”，再“从有到无”的过程。它既是一门技术，又是一种制造的理念。它支持并行设计、敏捷制造、协同设计和制造，网络化制造等先进的设计制造技术，考虑到设计是工程中的主要环节，因此产品生命周期工程也称为产品生命周期设计（LCD）。

全生命周期设计就是以环境需求为导向的设计方法，它在产品设计阶段就充分考虑产品生命周期全过程对于环境的影响和资源的消耗，是在传统设计方法的基础上发展起来的，因此全生命周期设计不仅考虑产品的质量、功能、成本和使用寿命等因素，还考虑产品的资源消耗、污染物排放以及其他与环境有关联的指标，以实现资源的多级利用，优化配置资源，主要有以下三个方面的优点。

①在设计阶段尽可能预见产品全生命期的各个环节的问题，并在设计阶段加以解决或设计好解决的途径。现代产品日趋复杂、庞大和昂贵，其中的知识含量也与日俱增，一旦出现问题，仅靠用户的经验和技能很难有效解决和保障设备的有效运行。

②在设计阶段对产品全生命周期的所有费用（包括维修费用、停机损失和报废处理费用）、资源消耗和环境代价进行整体分析规划，最大限度地提高产品的整体经济性和市场竞争力。

③在设计阶段，对从选材、制造、维修、零部件更换、安全保障直到产品报废、回收、再利用或降解处理的全过程对自然资源和环境的影响进行分析预测和优化，以积极有效地利用和保护资源、保护环境、创造好的人-机环境，保持人类社会生产的持续稳定发展。

（2）全生命周期设计方法分类

全生命周期设计方法主要分为两类：一类是专用方法，部分产品有自己的生命周期设计专用方法，例如高速干式切屑技术、工业汽轮机的叶片优化技术等，这些技术能够提高能源转换效率，同时这些设计属于不同的学科，专业化程度很高；另外一类是通用方法，适用于不同产品，例如模块化设计、生命周期成本设计、低碳设计和基于TRIZ的生命周期设计等。

1.2.3　机床产品全生命周期工程

传统机床制造中的产品生命周期是到机床使用报废为止，基于全生命周期工程提出的机床产品全生命周期过程将机床产品生命周期大大外延，包括机床产品从设计、原材料获取、零部件加工、机床装配、机床包装、销售、使用到废旧机床回收再制造、再制造新机床使用以及之后的循环利用的整个过程。

机床全生命周期是由多个紧密联系的单元过程组成。从大的方面看，机床产品全生命周期工程包括制造机床所需的钢材、铸铁等原材料制备、机床产品方案设计、机床产品制造、机床使用维护、机床产品运输、报废机床处理回收及再制造等一系列的过程，再往细分包括机床原材料制备、毛坯生产、零部件加工及热处理、机床装配调试、机床使用及维护、机床报废处理、机床再制造等单元过程。

本节主要是从机床产品方案设计、机床产品所需原材料的制备、机床零部件制造加工、部件装配、机床产品包装、机床产品使用以及废旧机床产品的再制造等阶段来介绍产品全生命周期过程，如图1-4所示。

（1）机床产品方案设计

在机床设计阶段就考虑机床整个生命周期内价值的设计方法。这些价值不仅包括设计机床所需的功能，还包括机床的可生产性、可装配性、可调试性、可维修性、可运输性、可循环利用性和环境友好性。其目的是设计的机床对社会贡献最大，而对制造商、用户和环境的成本最小。

（2）原材料制备

机床制造过程中需要消耗大量的原材料，如钢材、铸铁和其他材料（主要指包装材料和辅助材料）等。在原材料制备阶段，应该合理地选择绿色原材料，这样不仅可以减少原材料制备阶段的环境污染，还可以避免大量的后续污染。如，针对传统的铸件床身铸造过程环境污染严重、能耗高，采用铸件床身不利于改善机床的绿色性能的问题，如果采用钢板焊接床身结构取代铸件床身，那么环境影响就会明显降低。钢板焊接床身结构减少了铸造工艺，大大减少了机床在后续制造过程中的环境污染和能源消耗，同时钢板焊接床身还可以提高机床的强度和刚性，因而具有良好的绿色制造特性。

（3）机床零部件加工

在机床产品全生命周期过程中，其制造加工过程是机床产品从理论上的概念设计方案到具体机床产品实物实现的理论到实践的过程，具有周期较长、制造工艺复杂等一些特点。

在机床制造加工过程中，通过对该过程进行合理的工艺设计与规划，可以尽量减少或避免污染物的产生。比如，通过对加工过程中工艺参数进行优化、对目前现存的加工工艺进行改进或者优化、合理安排工艺路线等，可以降低制造过程中的工艺对环境的不良影响，提高工艺的绿色特性；在确保机床零部件加工质量和加工效率前提下，尽量减少切削液的用量或者选择那些对环境危害小的切削液种类；同时尽可能采用新的加工工艺或者新技术，如干式切削技术、刀具涂层技术、快速原形制造（RPM）技术等。此外，对企业的管理层特别是对生产现场管理人员和生产人员不仅仅要对他们进行成本、质量、效率等观念的教育，更要加强对他们进行绿色制造和环境意识的教育。

（4）机床部件装配

装配是产品生产的最后一步，其目的是将零部件装配成一种有用的产品。机床产品的装配是指将具有各种不同功能的零部件最终组装在一起，形成一个整体的、系统性的机床产品。在待装配部件的运送过程中会产生一些固体废弃物，如各种包装材料，运输车辆会排放废气以及颗粒物，装配过程中的清洁等步骤会产生废液。

新技术的应用可以解决这个阶段大部分的环境问题。例如，装配过程最大的能量消费者和污染源是机床成品的表面涂层，尤其是在具有挥发性的有机化合物排放方面。新型的自动化封装技术可以减少以往涂料经常出现的过喷现象。目前，一种新型的粉末涂料已经得到应用，它采用空气喷涂技术喷到金属表面，并通过静电作用附着在金属表面，此过程中可以基本上不使用溶剂。

（5）机床产品包装

机床产品的包装过程不仅要消耗大量资源，而且在包装过程以及拆装后往往还会产生大量废弃物，对环境造成严重污染。因此，机床产品包装过程中的资源消耗问题以及环境污染问题应该成为机床绿色制造亟待解决的主要问题之一。

在机床产品包装过程中，尽可能使用达到绿色要求的包装材料，其具有污染少或无污染、可回收、可循环利用、可降解、重量轻、易拆卸、易组装、防水等特点。通过采用各种有效的措施和方法，能够最大限度地减少对资源的消耗和对环境的影响。例如，采用可回收重用的包装结构和包装材料，使得包装得以重复使用；采用可回收处理或者能够再生的包装材料，减少包装废弃物对环境的污染；优化包装方案和包装结构，减少对包装材料消耗等。

（6）机床使用及维修

用户在机床产品的使用过程中需消耗各种能源，如电、润滑油、切削液等，在能源使用过程中会产生相应的环境污染物。在机床产品的整个生命周期中，使用过程中所消耗的能量要远远超过其制造过程中所消耗的能量。因此，在机床产品的设计研发阶段，就应充分考虑到对其结构和功能上进行合理的设计，以使得其在使用过程具有绿色环保性能。

（7）废旧机床产品再制造

机床再制造是一种新型的制造模式，它是在废旧机床资源循环利用的基础上充分运用绿色制造技术、信息技术、数控及自动化技术和其他先进制造技术等高新技术的一种新型的制造模式。

机床产品全生命周期工程是指从机床产品全生命周期的时间范围来综合考虑环境影响与资源综合利用问题，以及机床产品寿命问题的有关理论和工程技术的总称。其目标是在产品全生命周期过程内，使机床回用时间合理，对环境的负面影响最小，资源综合利用率最高。机床产品全生命周期过程具有两个重要特征：一是废弃物的最小化；二是整个过程基本上是闭环的，实现资源循环利用。