绿色制造技术体系包括产品生命周期过程技术层、绿色制造特征技术层、绿色制造评估及监控技术层，以及绿色制造支撑技术层四个层面，是一个较为系统的技术体系框架，如图3-9所示。

绿色制造的主要研究内容包括绿色设计技术、绿色制造工艺、绿色包装技术等。绿色设计技术是系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法，包括绿色材料的选择及面向拆卸设计、回收性设计、面向制造和装配设计、绿色产品的长寿命设计等多方面内容；绿色制造工艺指在产品加工过程中，采用既能提高经济效益，又能减少环境影响的工艺技术，包括零件加工的绿色工艺、表面处理的绿色工艺、干式加工等；绿色包装技术指采用对环境和人体无污染、可回收重用或可再生的包装材料及其制品进行包装，包括绿色包装材料选择、包装结构和包装废弃物循环利用等方面。图3-10所示为绿色制造的技术体系框图。

图3-10 绿色制造的技术体系框图

1.绿色设计技术

（1）绿色设计的意义 实现产品的绿色制造，绿色设计是关键。因为产品在设计的最初阶段就基本确定了采用何种材料、资源以及何种加工方式；同时也确定了产品在整个生命周期过程中的环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性及可重复利用性等）。通常设计阶段决定了产品在生命周期中至少70%的消耗，因此采用绿色设计技术是减小产品在生命周期内对环境造成影响的最有效的方法，是绿色制造的先导技术和保障条件。

（2）绿色设计的内涵 绿色设计（green design）也称为面向环境的设计（design for environment），是系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。绿色设计概念的核心是从整个产品系统的角度，考虑在整个产品的生命周期内，从原材料的提取、制造、运输、使用、维护保养到废弃各个阶段对环境产生的影响。绿色设计要求在满足产品的功能、质量和成本的同时，优化各有关设计因素，使产品在整个生命周期过程中对环境的影响减少到最小。

绿色设计的目标除传统设计的基本目标外，还有两个：①减少甚至杜绝影响环境的废弃物产生；②材料的合理管理。即最终目标为：减少并最终避免废弃物的产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。

绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。

（3）绿色设计的设计原则及主要内容 绿色设计的设计原则如图3-11所示。

图3-11 绿色设计的设计原则

绿色设计的主要内容包括：绿色材料的选择、面向拆卸设计、回收性设计，以及面向制造和装配设计、产品的长寿命设计等。

1）绿色材料选择。绿色材料（green material，GM）又称环境协调材料（environmental conscious material，ECM），指具有良好使用性能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、使用、废弃直至再生循环利用的整个过程中，都与环境协调共存的一大类材料。产品设计的材料选择要考虑很多因素，如工程需要、可制造性及性能等，但产品的绿色设计要求设计人员改变传统的选材方法，选材时不仅要考虑产品的使用、性能要求，更要考虑材料对环境的影响，应尽可能选用无毒、无污染、易回收、可再用或易降解的材料。如用可降解的快餐纸盒代替不易降解的塑料餐具，采用可回收重复利用的包装材料等。

绿色材料的选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。美国学者提出了一种将环境因素融入材料选择的方法，该方法在满足功能、几何形状、材料等特性和环境等需求的基础上，使零件的成本最低。该材料选择方法的流程图如图3-12所示。图中的LCA（life cycle assessment）为生命周期评价，它是一个对产品从原材料取得阶段到最终废弃处理的全过程中对社会和环境影响的评价方法。

2）产品的面向拆卸设计。产品的面向拆卸设计（design for disassembly，DFD）也称拆卸设计，指在设计时将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使设计的产品易于拆卸，使不同的材料可以很方便地分离开，以利于循环再用、再生或降解。

图3-12 材料选择的流程图

对于应用多种不同材料制作的复杂产品，只有通过产品拆卸和分类才能较彻底地进行材料回收和零部件的再循环利用。可拆卸性是产品的固有属性，单靠计算和分析设计不出好的可拆卸性能，需要根据设计和使用、回收中的经验，拟定准则，用以指导设计。拆卸设计尽量遵循以下准则：①拆卸量最少准则，包括零件合并原则、减少零件所用材料种类原则、材料相容性原则及有害材料集成原则等；②结构可拆卸准则，包括采用易于拆卸或未破坏的连接方法、紧固件最少原则及简化拆卸运动原则等；③拆卸易于操作准则，包括单纯材料零件原则、废液排泄原则、便于抓取原则及非刚性零件原则等；④易于分离准则，包括一次表面原则、便于识别原则、零部件标准化原则及模块化设计原则等；⑤产品结构的可预估性准则，包括避免将易老化或易腐蚀的材料与需要拆卸、回收的材料零件组合，并防止要拆卸的零件被污染和腐蚀等。

3）产品的回收设计。产品的回收设计也称面向回收的设计（design for re-covering&recycling，DFR），指在产品绿色设计的初期就充分考虑产品的各种材料组分的回收再利用可能性、回收处理方法及工艺（再生、降解等）、回收费用等与产品回收有关的一系列问题，从而达到精简回收处理过程、减少资源浪费、对环境无污染或少污染的设计目的的绿色设计方法。

面向回收的设计主要原则包括：避免使用有害或对环境有不良影响的材料；减少材料的种类；避免使用与循环利用过程不相兼容的材料或零件；按兼容性组织材料；允许使用可重用的零部件；使用不需特殊工具的连接件；鼓励用户进行循环利用。

4）产品的面向制造和装配设计。产品的面向制造（design for manufacturing，DFM）和面向装配设计（design for assembly，DFA）指产品更容易制造和装配，并且是在制造和装配过程中对环境无污染或少污染、所需能源和资源更少的一种设计方法。

5）产品的长寿命设计。产品的长寿命设计指在对产品功能和经济性进行分析的基础上，采用各种先进的设计理论和工具，使设计出的产品能满足当前和将来相当长一段时间内的市场需求。它并非一味地延长产品的生命期，而是利用模块化设计、开放性设计、可维修性设计、可重构性设计和技术预测等设计理论和方法，最大限度地减少产品过时、节约资源、减轻环境的压力。

2.绿色制造工艺

绿色制造工艺是实现绿色制造的重要环节。绿色制造工艺指在产品加工过程中，采用既能提高经济效益，又能减少环境影响的工艺技术。它要求在提高生产率的同时，必须减少或消除废弃物的产生和有毒有害材料的用量，改善劳动条件，保护操作者的健康，并能生产出安全、可靠、对环境无害的产品。绿色工艺涉及诸多内容，如零件加工的绿色工艺、表面处理的绿色工艺及干式加工等。

绿色工艺要从技术入手，尽量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。如零件的绿色制造工艺主要包括加工工艺顺序、加工参数优化，绿色切削液、绿色润滑剂的使用，热处理、金属成型（铸造、熔炼）、表面喷漆中的绿色工艺以及环境影响评估。绿色制造工艺的开发策略如图3-13所示。

图3-13 绿色制造工艺的开发策略

机械加工中的绿色制造工艺主要包括少屑或无屑加工、干式切削和干式磨削等。少屑或无屑加工指利用精密铸造工艺，使工件一次成形，减少切削加工量；干式加工就是在加工过程中不用切削液的加工法。近年来，在高速切削工艺发展的同时，工业发达国家的机械制造行业受到环境法规和降低制造成本的双重压力，正在利用现有刀具材料的优势探索干式切削加工工艺，主要有干式加工工艺和采用绿色切削液的方法。

（1）干式加工 这种工艺方法在生产中有较长时间的应用，但仅局限于铸铁材料的加工。随着刀具材料、涂层技术等的发展，干式加工的研究和应用已成为加工领域的新热点。近年来，美国在制造业广泛采用了干式加工。在欧洲已有一半的企业采用了干式切削加工技术，尤其在德国，应用更为广泛。

采用干式加工方法，逐步取消切削液，可以取得经济和环境两方面的效益：在经济方面，据国外统计资料表明，使用切削液的费用约占制造总成本的16%，而切削刀具消耗的费用仅占3%～4%，采用干式加工方法，可节约费用12%左右；在环境方面，切削液，尤其是雾状切削液会对操作者的健康造成损害，同时还会产生废水，造成局部环境污染。

1）干式车削加工。干式车削加工的关键问题是选择适合干式车削的刀具（如涂层刀具、PCBN或聚合金刚石等）、改进刀具几何形状和确定干式车削加工条件。在适宜的切削条件下，可延长刀具寿命，降低切削温度。如采用GE超硬磨料公司的PCBN刀具进行旋风铣削加工丝杠螺纹，钢坯在精加工之前被淬硬，以硬旋风铣削取代软车削和精磨工序，明显提高了金属切除率，加工时间大大缩短，提高效率近百倍。(www.daowen.com)

2）干式滚切加工。采用干式滚切加工是实现滚齿加工绿色化的主要措施。实现干式滚切加工需要解决的关键技术包括提高滚切速度、快速排屑技术和开发高性能的高速滚刀等。如采用硬质合金或陶瓷刀具进行完全干式加工的新型滚齿机，既可以减少加工时间，又能够节约生产成本。例如，滚削汽车变速箱中的普通齿轮，用硬质合金滚刀进行干滚削，与高速钢湿滚削相比，加工费用降低了44%，加工时间缩短了48%，滚刀寿命提高了6倍，加工质量可与普通滚齿加工工艺相媲美，同时不影响随后进行的热处理和精加工。

3）干式磨削加工。磨削加工时，使用油基磨削液，在磨削过程中会产生油气烟雾，造成周围作业环境的恶化，同时磨削液后期处理既费时、成本又高。改善这种局面的方法就是采用干式磨削或新型磨削方式。

采用CBN砂轮的强冷风磨削是一种不用磨削液的干式磨削工艺方法。其原理是通过热交换器，把压缩冷空气经喷嘴喷射到磨削点上，并使用空气干燥装置，保持磨削表面干燥。由于压缩空气温度很低，所以在磨削点上很少有火花出现，几乎没有热量产生，因而工件热变形极小，可得到很高的磨削精度。此外，通过设置在磨削点下方的真空泵吸入磨削产生的磨屑，所收集的磨屑纯度很高，几乎没有混入磨料和黏结剂颗粒，因此磨屑融化后的材料化学成分几乎没有变化，可直接回收使用。

（2）绿色切削液 切削液是金属切削和磨削加工中大量使用的辅助消耗原料，也是产生工业废水的主要来源之一。科学、合理、清洁地使用、维护切削液，可以显著地提高切削效率、防止废水污染、降低切削液的使用成本，提高企业的经济效益和社会效益。

在切削液的使用中，为了尽可能地延长切削液的使用寿命，降低废弃切削液的处理费用，应遵循以下基本原则：

1）做好切削液的使用过程记录。如刀具使用寿命，工件表面粗糙度情况，加工生产率，停机更换刀具、清理工件所耗时间，废弃切削液和回收切削液的数量等。

2）运用科学方法确定不同切削条件的切削液配方，实现切削液配方标准化。

3）选择高质量的切削液或具有兼容特性的切削液，保证切削液固有的物理、化学特性。

4）在切削液的循环使用中，始终保持切削液浓度和pH的稳定。

5）采取有效防护措施，规范操作使用程序，防止切削液被工作环境或人为地污染。

6）建立切削液循环使用系统，及时清除切削液中的污染物和杂质。

7）避免过量使用切削液杀菌剂，以免降低切削液的使用寿命，并可能造成二次污染。

8）无毒、无害化处理废弃切削液。

3.绿色包装技术

产品包装是产品生产过程的最后环节。绿色包装指采用对环境和人体无污染、可回收重用，或可再生的包装材料及其制品进行包装。它是从环境保护的角度优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。

（1）产品绿色包装的基本原则 产品绿色包装的基本原则主要有以下几点：

1）减量化原则（reduce）。即减少包装材料消耗，包装应从“求新求异”的消费理念转向低耗、绿色的简洁包装，这样既可以降低成本，降低废弃物的处置费用，又可以减少环境污染和减轻消费者负担。

2）重复使用原则（reuse）。包装材料的重复使用，即应尽量选择可重新使用的包装材料，以便多次利用，减少资源消耗。

3）循环再生原则（recycle）。包装材料的回收和循环使用，包装应尽可能选择可回收、无毒、无害的材料，如EPS、聚苯乙烯产品等。

4）可降解原则（degradable）。应尽量选择易于降解的材料，如纸、可回收材料等。

（2）绿色包装技术研究的内容 绿色包装可以分为包装材料、包装结构和包装废弃物回收处理三个方面内容。

1）包装材料。绿色包装材料的研制开发是绿色包装得以实现的关键。绿色包装材料主要包括以下几类：

①轻量化、薄型化、无氟化及高性能的包装材料。如采用新型的镁质材料可部分代替金属包装材料。

②重复再用和再生的材料。再生利用是解决固体废弃物的好办法，并且在部分国家已成为解决材料来源、缓解环境污染的有效途径，如瑞典等国家实行聚酯PET饮料瓶和PC奶瓶的重复利用可达20次以上。

③可食性包装材料。具有原料丰富齐全，可以食用，对人体无害甚至有利，并有一定强度等特点，在近几年获得快速的发展，广泛应用于食品、药品的包装。其原料主要有淀粉、蛋白质、植物纤维和其他天然材料。

④可降解包装材料。指在特定时间内造成性能损失的特定环境下，其化学结构发生变化的一种塑料。发展可降解塑料包装材料，逐步淘汰不可降解塑料包装材料，是目前世界范围内包装行业发展的必然趋势，是材料研究与开发的热点之一。可降解塑料一般可分为生物降解塑料、生物分裂塑料、光降解塑料和生物/光双降解塑料。可降解塑料广泛用于食品包装、周转箱、杂货箱、工具包装及部分机电产品的外包装箱，它在完成使用寿命以后，可通过土壤和水的微生物作用，或通过阳光中紫外线的作用，在自然环境中分裂降解和还原，最终以无毒的形式重新进入生态环境中，回归大自然。

⑤利用自然资源开发的天然生物包装材料。如纸、木材、竹编材料、麻类制品、柳条、芦苇以及农作物茎杆、稻草、麦秸等，在自然环境中容易分解；不污染环境，而且可资源再生，成本较低。纸包装具有很多优点，如资源相对丰富，易回收、无污染。西方发达国家早就开始用纸包装来包装汉堡包、快餐或饮料等，并有取代塑料软包装之势。我国也在着手研制用纤维膜替代塑料膜作为农用薄膜，以避免对农田的污染。由于我国森林资源贫乏，必须发展纸包装主要资源的替代利用，探索新的非木纸浆资源，用芦苇、竹子、甘蔗、棉杆或麦秸等代替木材造纸，并设法扩大造纸木材的树种和充分利用丫材、废弃材和加工剩余边材，以扩大原料来源。

2）包装结构。在保证实现产品包装基本功能的基础上，从产品生命周期全过程考虑，应改革过度包装，发展适度包装；尽量减少使用包装材料，降低包装成本，节约包装材料资源，减少包装材料废弃物的产生量。

3）包装废弃物回收。包装废弃物主要包括可直接重用的包装、可修复的包装、可再生的废弃物、可降解的废弃物及只能被填埋焚化处理的废弃物等。图3-14所示为包装废弃物回收处理的系统框图。

图3-14 包装废弃物回收处理的系统框图