模具的绿色设计与制造

张子佩

提出了绿色技术的具体实现形式绿色设计及绿色制造技术。在此基础上。比较了模具的传统设计与绿色设计的差异。阐述了模具的绿色设计与制造的实现方法。介绍了当今模具绿色制造所使用的先进制造技术。    近年来。为了解决全球环境污染问题，一种新的"绿色制造"概念正在流行。它的目的就是为了减轻产品对环境的污染，在设计产品的整个生命周期过程中着重考虑产品的环境属性(环保特性)，采用一种绿色技术对产 品进行全方面设计。绿色制造主要包括以下几方面内容：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境影响问题：三是资源优化问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉和有机集成，是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中。对环境的负影响最小．资源使用效率最高。
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        模具工业是制造工业化生产的基础，它的生产技术水平高低．已经成为衡量制造业水平的重要标志。以前，传统的模具设计过程一般仅仅需要考虑模具产品的基本属性，如模具的功能、质量、成本和寿命等等，而很少、甚至不考虑它的环境属性。通常按常规思维来说，一个小型模具产品在完成使用后就成了一堆废弃的"垃圾"．回收利用率低。这也是在模具工业中开模难的最根本原因。因为一旦开了模，模具材料就很难再利用了，导致造价高。同时最重要的是这样也就造成了资源、能源严重浪费，而且模具材料中含有的毒、害物质，会严重污染生态环境，妨害人体健康。
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        绿色模具不仅仅指在使用时对环境的影响小．还应是从制造到报废的整个生命周期内对环境的破坏最小。
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            1 模具设计
        
, H* z6 G# q- W! X1 P: f        1．1传统设计与绿色设计
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; _( g: A! W" i1 ]' T# w        传统的模具设计只考虑能够设计制造出合格的模具。并不会过多地考虑材料是否对环境有影响。生产出的模具使用后能否再加工重新利用等。而在模具的绿色设计中从头至尾都考虑了对环境的影响，同时也考虑了模具的回收再利用。
        
/ v: X% E" O' r) J7 G+ S" ~            1．2材料的选择
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        模具材料的绿色程度对最终产品的绿色性能有着极为重要的影响。绿色设计的材料选择必须建立在绿色材料的基础上．摒弃过去对材料进行表面处理所采用的化学方法．代之以物理的方法以达到防腐或易于脱模的目的。选择优质镜面模具钢加工模具型腔；用不锈钢材料来加工防腐的模具以替代电镀；或用对环境的危害小和镍磷镀替代电镀铬。
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        绿色材料应具备的基本性能有：①低污染、低耗能、低成本：②易加工和加工过程中无污染或少污染：③可降解，可重复使用。
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; a' k! _& \, V4 ]1 ]. e# i            1．3设计规范化、标准化
        
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% T* J3 N/ h$ I* E. \        模具标准化是组织模具专业化生产的前提。而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、降低成本的关键。
        
        (1)采用和购买标准模架及其它标准件。模架及标准件由专门的厂家、企业通过社会化分工进行生产，使有限的资源得到优化配置。模具通常在报废之后只是凸凹模不能再用．但是模架还基本完好无损．因此使用标准模架有助于模架的再利用。冲压模和注塑模的模架都有很多种类，而这些模架也基本是由标准的上下模座。导柱。导套等部件组成。同时．模架的标准化可以使生产模架所使用的设备大大减少，从而节约资源。也利于管理。
        
  e" t, [- R+ G$ H; H        (2)模具各结构单元的规范化、标准化。这样可加快设计速度，缩短设计周期，方便加工管理。
        
6 U. i) E8 Y( R' X+ N            1．4可拆卸性设计
        
8 z8 ]& p$ R- g$ h5 e        模具在使用过程当中，部分零部件由于承受过大的摩擦与冲击，磨损较大。这时。只需更换这部分零部件模具仍可使用。另外。有时只要更换工作零件，即可实现一种新产品的生产。不可拆卸不仅造成大量可重复零部件材料的浪费。而且因废弃物不好处置．还会严重污染环境。因而在设计初期就要考虑到拆卸的问题：①尽可能选择通用结构，以便更换。②在满足强度要求的前提下。尽量采用可拆卸联接。如用螺纹联接，不用焊接、铆接等。
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$ M( k. f; U* W* P8 ]) ~            1．5  CAD，CAPP，CAM，CAE应用
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: s: s0 ]0 X, i5 p* j6 O( Y        CAD，CAPP／CAM是模具设计走向全盘自动化的重大措施。采用CAD／CAPP／CAM技术，可实现少图纸或无图纸加工和管理，节约了资源，可缩短模具设计与制造周期。可提高模具研制的成功率及模具质量。当今CAE技术已被广泛使用。首先可以应用CAD技术设计出产品的大体结构．标出其基本尺寸，然后用CAE技术对产品进行结构分析、可行性分析及工艺分析。现在的CAD三维软件(如Pro／E、SolidWorks、ug等)基本都集成了CAE技术，可以模拟材料的流动情况及分析其强度、刚度、抗冲击实验模拟等。使用CAD／CAE为实现并行工程提供了基本平台，因此提高了模具的设计效率，缩短了整个设计周期。实现了绿色的产品分析。
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1 m& y! @* v( x; W; _! \) Z  f& M1 E            1．6制造环境设计
        
        机械生产车间，尤其是冲压车间的噪音和污染非常严重。对工作人员的身体健康造成非常大的威胁，也干扰了周边的安宁，所以，在进行模具设计的时候要对产生的噪音加以控制。甚至消除。通常消除机器噪音的方法有以下几种方法：用V带代替齿轮传动；以摩擦离合器代替刚性离合器；做好飞轮等回转体的动平衡：在压力机产生噪音的主要部位加盖隔音罩：采用有减震器的无冲击模架等。
        
            1．7包装方案设计
        
        包装方案的设计主要包括三方面：包装材料的选用、包装结构的改进以及包装材料及其废弃物的回收利用。包装材料的使用和废弃物对环境产生了巨大的影响．尤其是一些难以回收或难降，解的材料，这些材料只能焚烧或掩埋。因此，产品的包装应尽量从简及使用绿色包装材料(无毒、无公害、易回收、易降解的材料)，这样既可以减少资源的浪费，又可以减少对环境的污染。
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5 y9 |: F% a7 Z            1．8回收处理设计
        
        模具回收处理就是在模具的设计阶段就考虑模具使用后回收利用的可能性及回收处理的方法及费用。回收性设计的主要内容包括可回收材料及标志、回收处理方法、回收性的技术经济评估和回收性的结构设计。其主要措施如下；①使用对环境影响较小的模具材料，如无毒无害的材料、可再生材料、易回收的材料等；②使用可重新利用的材料；③对使用过的模具零部件进行翻新、再加工等。
        
            2模具制造
        
        采用模具先进制造技术。在制造过程中选用生产浪费最小、能量消耗最低的制造工艺，是实现绿色制造的重要一环。
        
            2．1柔性制造技术(FMS)
        
        由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元。能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量生产，它通过简单地改变软件的方法能够制造出多种零件中任何一种零件。
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" i+ T% i/ l8 g* u, N% j. T6 E  g            2．2高速切削(High Speed MaclliIIing，HSM)
        
        模具制造业是高速加工应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小；浅腔大睦率半径的模具，完全可用高速铣削来代替电加工：对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高、周期缩短。钢的切削速度可达600一800m／min。
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; v4 P1 ]2 x4 i        高速切削为模具制造提供了发展的新契机。它简化了加工手段，缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本，目前它向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展，成为第三代制模技术。
        
' v% T' _! A- S2 n, S; g! {8 i7 S            2．3虚拟制造技术(virtualManufacruring)
        
1 Y/ p% D; K  B$ ]+ H        虚拟制造是对制造过程中的各个环节。包括产品的设计、加工、装配，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模．以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，形成一个可运行的虚拟制造环境。在计算机局域／广域网络上，生成数字化产品．实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。
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        虚拟制造的特点：①无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本．缩短产品开发周期；②产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正；③以软件模拟形式进行产品开发；④整个制造活动具有高度的并行性。
        
  g( I3 X( J2 o0 F7 n/ D        把虚拟制造技术应用在模具工业中，可以减少开发周期。产品设计、模具设计、模具制造过程、模具装配调试、试模均在计算机上进行，从而提高了生产效率和产品质量，并降低了生产成本，填补了模具CAD、CAM与生产管理间的鸿沟。
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            2．4逆向工程技术(Rever辩Enginee-ng，RE)
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        逆向工程是对已有的实物模型进行扫描，采集其表面的坐标数据信息，根据采集的数据生成模型表面的线框模型．之后可根据需要对模型进行凹凸模转换、比例缩放、旋转、平移等处理，再自动生成模具的加工程序。自动生成模具的加工程序可适用于广泛的数控系统。这样可以大大减少人力劳动和废料，也提高了模具的制造成功率，对模具的绿色制造起到了积极地推动作用。
        
& l. b7 x5 F6 r9 F, B! I            2．5快速成型技术
        
        
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8 R) Q4 T" a; h' y5 C! n9 K        它是近年发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果。是先进制造技术的重要组成部分。快速成型技术的应用已从原型制造发展到了模具制造，只要模具设计了出来，无论模具的结构多么复杂，都可以用快速成型技术制造出来，这是传统模具加工所无法比拟的。模具生产周期大大缩短。同时大大节约模具生产的费用，有的可减少到传统生产方法的几分之一甚至几十分之一。因此，在实际中真正实现了模具的绿色制造。
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) k) I! P% C. y2 W  O$ Q9 W2 J  R8 l            3 结束语
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        绿色设计与绿色制造技术将成为本世纪机械行业的主要发展方向。也是改善工业环境的重要途径。当前。产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造系统的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究已成为重要研究内容。绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式。它以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程。力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素．如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。模具实现了绿色设计与制造。将大大加快模具行业的迅速发展，也是模具发展的必然趋势。从而真正实现模具设计与制造的高质量、低成本、高效率、低污染的目标。绿色技术将对人类未来的生存环境起到深远的影响。发表时间：2008-11-10  李和平   来源：万方数据

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