摘要:本文从绿色设计制造概念入手,阐述了绿色模具的设计与制造方法,介绍了绿色模具制造所使用的各种先进制造工艺和技术。
关键词:模具;绿色设计;绿色制造
人类文明进入近现代社会以来,工业产品使用后的废弃物污染所导致的全球性环境逞加速状态恶化,目前达到了前所未有的程度,在此背景下,“绿色”的设计制造应运而生。
绿色模具的设计制造特点:(1)产品设计的闭环设计过程。绿色设计的产品全生命周期除具有传统产品生命周期各阶段外,还包括产品废弃后的拆卸回收、处理及处置,是一个闭环过程。(2)节约资源和能源。绿色产品设计从整体上优化了产品性能,使组成产品的零部件和材料得到充分有效地利用。(3)绿色产品设计可以预先设法防止产品及工艺对环境产生负作用。
1、绿色模具设计
1.1 绿色模具的设计手段
CAD/CAPP/CAM/CAE是模具设计进入绿色设计的基本手段措施,也是模具虚拟设计制造的重要步骤。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。大量通用专用的CAE技术已被广泛使用可对模具产品进行结构分析、制造可行性分析及工艺分析,可以模拟材料的流动情况及分析其强度、刚度、温度、抗冲击实验模拟等,极大提高了模具设计的成功率及模具质量,减少修模次数时间、甚至完全杜绝废品模具[1]。
1.2绿色模具的设计问题
1)模具材料的选择
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。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。
2)模具设计规范化、标准化、模块化
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,更好地提高材料利用率,使用模具绿色材料,从而节约资源,也利于管理。
(2)模具各结构单元规范化、标准化、组合化、模块化设计是进行模具的结构设计的一种有效方法,也是绿色产品设计中确定其结构方案的常见手段之一。组合化、模块化设计就是在一定范围内,在对不同功能、或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的产品,以满足市场的不同需求;如模具的抽芯滑块、脱模定位机构等都可以按这些方法设计、组合、再利用。
2、绿色模具的制造
2.1模具现代制造中的绿色要素
模具是典型的单件小批生产方式,精度高,生产周期长,保证质量、降低开发周期的成本是模具企业生存发展的必然要求,因此模具制造业一直以来在制造的组织方式、制造的现代工艺、制造的现代自动化手段方面跟进最快速的一个行业。革新组织方式、采用模具制造的先进技术,在制造过程中选用生产浪费最小、能量消耗最低、污染排放最小的制造工艺,是实现绿色模具制造的重要一环。
(1)采用先进的绿色模具制造生产模式
由于模具的单件生产方式,我国模具企业的生产组织模式较为落后,其改革的速度落后于技术手段的跟进速度,管理性质的家族化、作业方式的小规模化、生产方式的大而全等都阻碍了模具行业的进一步发展壮大。只有在标准化基础上的社会化分工,充分依靠计算机技术改进管理提高行业的整体资源的使用效能,不断学习创新,是模具企业发展所需,更是绿色模具制造所需。
(2)采用先进的绿色模具制造技术
1)柔性制造技术
由于模具单件生产方式,且加工表面复杂、尺寸几何精度高等特点决定了模具行业十分适合柔性制造技术。柔性制造技术是由计算机控制系统及若干数控设备、物料运贮装置组成,并能根据制造任务和生产品种变化通过简单地改变软件的方法,而迅速进行调整的自动化制造系统。
2)高速切削技术
模具型腔精加工是淬火工序后的机加工的最后一道工序,一直以来基本上通过特种电加工的电火花成形加工来解决,但其加工效率低。而近年来发展的高速铣削,由于是加工微量切削,切削力小,加工变形可以略,因此可铣淬火后精加工工序,且加工精度高、表面粗糙度值又很小。
(3)采用先进的绿色模具制造工艺
1)精确高效金属塑性成形工艺技术
用非去除材料的加工手段也称金属的无屑加工,大大减少了模具材料的消耗,是制造绿色模具的最佳工艺。但传统的拉、轧、挤、锻、冲等工艺方法无法满足现代模具制造要求。
从20世纪60年代起,世界各国在投入大量的人力物力基础上,已经在金属等温超塑成形、辊锻、楔横轧、粉末冶金锻造等工艺技术上取得了很大的突破,为高精度无屑、少屑的绿色模具制造奠定了基础。
2)逆向工程技术
逆向工程是一种在已有实物或其它参照的情况下,通过各种处理快速获得样型的全数字模型的方法,十分有利于设计中的模仿创新或者加速设计制造。在模具设计制造中有时称为模具的反求工程技术,应用十分广泛。在模具设计制造中,通过逆向工程在获得产品的全数字模型后,再在CAM等的支持下自动生成模具的加工程序。自动生成模具的加工程序适用模具的快速成形机床,快速加工模型以利于评估设计,或者制造快速模具进行中小批量的生产,也适用于各种数控加工机床,加工大批量生产的一般模具。
3)快速成型技术
快速成型技术一般与逆向工程技术相结合,能根据全数字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。与传统制造相比较,不使用材料剥离而是材料的堆积成型的方法极大地提高了材料的使用效率,废料基本为零;且材料堆积是在无力状态下进行的,因此,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[2]。
2.2模具传统工艺中的绿色改进
(1)加工参数的选择。尽量选择较小的加工余量,节约材料,提高工效;选择最佳切削参数,充分利用机床、刀具的潜能,使加工质量和制造成本处于最好状态。
(2)减小冷却液的使用,少用带油切削液,多用水基切削液;应用汽冷、低温汽冷代替冷却液。
(3)提高刀具、夹具、其它工具的使用寿命。
3、结束语
绿色概念与绿色技术将成为本世纪工业的主要发展方向。绿色模具的实现,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产生深远的影响。
