綠色模具制造技巧應用研究論文

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編者按：本論文主要從模具的綠色制造等進行講述，包括了模具的綠色設計、模具材料的選擇、延長壽命的模具設計、模具的可回收性設計、模具的可拆卸性設計、模具設計的標準化、規范化、系列化、模具的綠色并行工程、模具的綠色制造工藝、模具的綠色包裝、模具的綠色維護、模具的綠色回收、再處理等，具體資料請見：

【摘要】在對綠色制造概念介紹的基礎上,介紹了模具綠色制造的整個生命周期,包括綠色設計、綠色制造、綠色包裝、綠色維護和綠色回收、再處理等階段,并結合鍛模、沖壓模、注塑模具自身的特點,具體闡述了基于綠色制造的模具設計與制造的原則與方法。指出了模具的設計和先進制造技術與綠色思想的結合是模具工業的發展必然。

【關鍵詞】綠色制造;模具;先進制造技術

制造業是社會經濟向前快速發展的重要支柱產業,制造業在將制造資源轉化成產品以及隨后產品的使用和廢棄后的處理過程中,將會給生態環境帶來了不同程度的污染。對于制造業來說,未來所面臨解決的重大問題是如何減少資源的消耗和盡可能少地產生環境污染。因而綠色制造(GreenManufacturing)應運而生,其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中,對環境的負影響最小,資源使用效率最高[1-2]。綠色制造主要包括以下幾方面內容:一是制造問題,包括產品生命周期全過程;二是環境影響問題;三是資源優化問題。綠色制造就是這三部分內容的交叉和有機集成。

模具是制造業中使用量大、影響面廣的工具產品,是工業生產當中的基礎工藝裝備。它的生產技術水平的高低,已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。傳統的模具設計過程一般僅僅需要考慮模具產品的基本屬性,如模具的功能、質量、成本和壽命等等,而很少、甚至不考慮它的環境屬性和對資源、能源造成的浪費。模具工業作為制造業的一個重要組成部分,并且在我國得到迅猛發展,因而在模具行業中提倡綠色制造尤為重要。

1模具的綠色制造

由綠色制造的概念可知,“綠色模具”不僅僅指在使用時對環境的影響小,還應是從制造到報廢的整個生命周期內對環境的破壞是最小的。因此,模具的綠色制造設計要求設計者在構思階段就要優先考慮模具產品的環境屬性(模具的可拆卸性、可再次回收性等等),然后再考慮原有應該考慮的模具產品應用的基本屬性[3]。總的來說,模具綠色制造的整個生命周期包括綠色設計、綠色制造、綠色包裝、綠色維護和綠色回收、再處理等階段。

1.1模具的綠色設計:模具綠色設計對模具綠色制造有著非常重要的地位,這一步解決的好壞直接影響到最終利用模具加工產品的綠色生產問題。

1.1.1模具材料的選擇:模具材料的選擇是模具產品設計的第一步。模具材料的“綠色程度”對最終產品的“綠色性能”具有非常重要的影響。因此,綠色模具設計必須建立在綠色模具材料基礎上。綠色模具材料應是低能耗、低成本的材料,尤其是少污染的材料;是易加工和加工過程中無污染或少污染的材料;是易回收處理、可重復多次使用或可降解的材料。比如,可選擇優質鏡面模具鋼加工型腔,輔之以良好的拋光手段;直接用不銹鋼材料來加工防腐的模具,以替代表面處理的方式。另外除在材料上選用不銹鋼來避免使用電鍍外,也可采用鎳磷鍍替代電鍍鉻,因為鎳磷鍍在對氯化氫氣體的防腐上要優于電鍍鉻,且前者對環境的危害也要小于后者。

1.1.2延長壽命的模具設計:延長產品壽命是綠色制造的主要手段之一。對于鍛造模具,在提高模具壽命方面已有很多的措施,如正確選擇分模面位置、選擇適當的飛邊槽、選擇合適噸位的鍛造設備、在一副鍛模上開設兩個終鍛模膛分別單獨使用等。對于沖壓模具,如沖壓間隙值的合理選取、盡量壓縮凸模工作部分長度、采用彈性卸料板、改進凸(凹)模的結構如采用一模多形、一形兩用和拼裝式模具來提高模具的利用率。對于注塑模具,如采用隨形冷卻水道可提高注塑精度和模具使用壽命;將模具型芯由整體結構改為鑲拼式結構,可解決模具的變形問題,提高模具壽命。

1.1.3模具的可回收性設計:模具的回收性設計是指在模具產品綠色的設計初期充分考慮產品中所用各種材料的回收、再利用的可能性、回收處理的方法、回收性的技術經濟評估以及回收性的結構框架設計等有關一系列問題。這樣就可在后續生產中盡可能節約材料,減少浪費。因此,因避免或不要過多使用銅、鉛等有害或對環境有重污染的材料;盡可能減少所用材料的種類;避免使用與現有標準循環再回收過程中不相兼容的材料;多使用無需特殊工具的連接件;設計時盡可能允許使用現有的一些可重復利用的零部件等。

1.1.4模具的可拆卸性設計:模具可拆卸性對于模具綠色制造來說是很重要的。當模具在使用過程中部分零部件由于承受過大的摩擦與沖擊磨損較大時,只需更換這部分零部件模具仍可使用。此外,有時只要更換凸、凹模即可實現一種新產品的生產。如果模具不具備可拆卸性不僅回造成大量可重復零部件材料的浪費,而且因廢棄物處理不好導致嚴重的環境污染。因而在設計初期就要考慮模具結構易于拆卸,維護方便,這樣就便于在后續回收處理中再利用。因此,在模具設計時應盡可能選擇通用結構,以便更換;在滿足強度要求的前提下,盡量采用可拆卸聯接(如螺紋聯接),不用焊接、鉚接、膠接等;不用或少用過盈配合;采用組合模架。

1.1.5模具設計的標準化、規范化、系列化:無論是鍛造、沖壓模還是塑料模,都有必要向標準化、規范化、系列化方向發展,模具標準化是組織模具專業化生產的前提,而模具的專業化生產是提高模具質量、縮短模具制造周期、降低成本的關鍵。模具設計向標準化、規范化、系列化方向發展,便于采用和購買模許多規格的標準模架及其它標準件,而這些模架及標準件又可由專門的廠家、企業通過社會化分工進行生產,從而使有限的資源得到優化配置。另外,模具各結構單元的規范化、標準化,可使生產其的夾具數量大為減少,從而節約資源,并且加快了設計速度,縮短了設計周期,方便加工管理。

1.1.6模具CAD/CAPP/CAM一體化:模具CAD/CAPP/CAM是模具設計走向全盤自動化的重大措施。采用CAD/CAPP/CAM技術,可實現少圖紙或無圖紙加工和管理,一方面,節約用紙即節約資源和能源;另一方面,模具CAD/CAPP/CAM一體化也為并行工程的實現提供可能,可縮短模具設計與制造周期,提高模具研制的成功率及模具質量。

1.1.7模具的綠色并行工程:綠色并行工程是現代綠色產品設計和開發的新模式,它的核心是并行一體化設計,強調產品設計及其相關過程同時交叉進行,即在設計階段就要考慮整個生命周期中從概念形成到產品報廢處理的所有環節和因素,如質量、成本、用戶要求、環境影響、資源消耗狀況等。因此,涉及產品整個生命周期的各個部分的小組成員必須協同工作。對于模具設計,不但需要模具設計小組成員之間進行討論,協調產品的設計任務,而且其他部門如工藝、制造、質量等小組也要參與產品的設計工作,對產品設計方案提出修改意見等,從而使得整個模具設計工作一次成功。

1.1.8其他綠色設計:鍛造、沖壓車間是機械工廠的高噪聲車間之一。大量的鍛壓設備在生產運轉過程中所產生的強烈噪聲,危害工人的健康,影響了生產效率,干擾了環境的安寧。因此,在進行模具設計的時候,必須對噪聲加以控制和消減。對于鍛造設備,如使用排氣消聲器、用液壓模鍛錘代替蒸空模鍛錘等等。對于沖壓設備,消減聲源噪聲的措施有:用V帶傳動代替齒輪傳動;以摩擦離合器代替剛性離合器;采用鑄鐵機身以增加壓力機的剛性和減震能力;作好飛輪等回轉體的動平衡等等。控制噪聲傳播的途徑有在軸承和軸承座之間加彈性襯套;在壓力機產生噪聲的主要部位加蓋隔聲罩;采用具有油減震器的無沖擊模架等等。對于注塑模具,澆道設計上要注意澆道凝料與塑料制品的體積比率,一般應小于30%。如果達不到,就要考慮進一步優化澆道設計和調整型腔數量,或者采用熱流道技術。熱流道技術在塑料原料的節約上有突出的優勢,在產品價格競爭日益激烈的今天,這一點尤為重要。因此近幾年該技術的應用得到快速普及。

1.2模具的綠色制造工藝:在模具綠色制造過程中,采用綠色制造工藝也是實現模具綠色制造的一個重要環節,它是一種既能提高經濟效益,又能同時減少環境影響的工藝技術。近來年,隨著先進制造技術在模具行業的推廣,模具行業也向著綠色制造工藝方向努力。目前,在模具行業中應用的較為典型的先進制造技術有:

1.2.1快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,RP&M)[4-5]:

快速原型制造是一項集計算機、激光、數控及精密傳動等技術于一體的先進制造技術,其在原理上突破了傳統加工技術采用材料“去除”的原則,而采用材料“逐層堆積”的原理,能根據產品的CAD數據,快速地制造出具有一定結構和功能的原型,甚至產品,由此可有效地加快新產品的開發速度。而以RP&M原型作母模來翻制模具的快速模具制造技術,進一步發揮了快速成型技術的優越性,可在短期內迅速推出滿足用戶需求的產品,大幅度降低新產品開發研制的成本和投資風險,縮短了新產品研制和投放市場的周期,在小批量、多品種、改型快的現代模具制造模式下具有強勁的發展勢頭。

1.2.2虛擬制造技術(VirtualManufacturing)[1]:

虛擬制造是對制造過程中的各個環節,包括產品的設計、加工、裝配,乃至企業的生產組織管理與調度進行統一建模,形成一個可運行的虛擬制造環境,以專門的虛擬軟件技術為支撐,借助高性能的硬件,在虛擬制造環境中生成數字化產品,實現產品設計、性能分析、工藝決策、制造裝配和質量檢驗,從而縮短模具產品的設計與制造周期,降低開模的開發成本,提高快速響應市場變化的能力。

1.2.3高速切削(HighSpeedMachining,HSM):

高速切削在模具領域的應用主要是加工復雜曲面[6],其中高速銑削(也稱為硬銑削,HardMilling,HM)可以把復雜形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、淺腔大曲率半徑的模具完全可用高

速銑削來代替電加工;對深腔小曲率半徑的模具可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工,而電加工只作為精加工。這樣可大大節約電火花和拋光的時間以及有關材料的消耗,這對保護環境的貢獻是不言而喻的。同時,極大地縮短了加工周期,提高了加工效率,降低了加工成本。

1.3模具的綠色包裝:模具的綠色包裝是模具銷售過程中涉及到的綠色問題,它著重從保護環境的角度出發,盡可能使模具產品進入銷售、使用、廢棄的物流過程中,其對環境資源消耗和廢棄物產生量最小。模具的綠色包裝主要包括三個方面的內容:模具包裝材料的選擇、模具包裝結構和模具包裝材料的回收。具體來講,第一方面就是在模具遠程配送過程中,在不影響包裝強度的前提下盡可能使用一些常見的木制材料(如合成板),這是由于模具產品不同于其他一些精制產品,它不太注重產品的外包裝精美問題,只關心產品的內在保護質量。第二方面就是要合理設計包裝箱內部結構,從而簡化包裝復雜度。即多個零件盡量在一個包裝箱中放置。同時,為了避免零件之間在運輸過程中互相摩擦造成磨損而影響模具產品表面質量,可在其中多放置一些軟性材料來隔離。第三方面就是要在包裝箱上注明包裝材料的可回收性標志及回收處理方式。如果用戶不能處理或難處理的,可注明可寄回原處處理,并給予一定的經濟補償。這樣的處理表面上看會使初期的成本可能有所增加,但從長遠來考慮,這也是節省成本的好方法。

1.4模具的綠色維護:在模具的使用過程中,由于其特殊性,要經常進行模具的修模工序。因此,同模具綠色制造過程一樣,修模過程也需要進行綠色處理。比如,在進行尺寸修模時,盡可能進行人工修護,少用或不用機加工;少用或不用有害溶液對模具進行表面處理,如鹽酸或甲醇等;在維護模具表面硬度方面,盡可能減少熱處理工序等等。

1.5模具的綠色回收、再處理:由于新產品的不斷開發以及產品更新換代的步伐不斷加快,舊產品模具必將被逐一淘汰。如何對廢棄模具進行回收處理,這是目前一直困擾模具行業無法得到解決的問題。提出模具綠色制造問題,很大一部分原因就是要有效地解決這個問題。如果模具在設計和制造階段就采用了綠色概念,則后續的回收處理就比較簡單,即只需根據模具的具體磨損情況,有針對性地進行拆卸,取其可用部分,進行適當修護加工,就可應用到新模具產品上,而剩余部分則可作廢料處理。

2結語

綠色制造能使產品生命周期內的環境影響達到最小,并能充分合理地利用資源,是21世紀制造業重要的發展方向,也是人類社會得以可持續發展的主要因素之一。模具設計和先進制造技術與綠色制造的有機結合結合是模具工業的發展必然,并將大大加快模具行業前進的步伐,真正實現高質量、少污染、短周期和低成本的目標。