基于綠色設(shè)計理念下的模具設(shè)計與制造

李小明

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

工業(yè)革命后，工業(yè)設(shè)計過度的商業(yè)化，加速了資源、能源的消耗，人類對地球的生態(tài)平衡造成了極大的破壞。20世紀(jì)70年代“能源危機(jī)爆發(fā)”，使得設(shè)計師們必須重新思考自己的社會責(zé)任和倫理價值，綠色設(shè)計理念應(yīng)運而生。隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類可利用的自然資源、能源不斷減少，甚至某些資源已經(jīng)枯竭，為人類可持續(xù)發(fā)展，為子孫后代尋求生存空間，地球人必須走出一條人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展之路。

今天，以“高投入、高消耗、高污染、低水平、低效益”為特征的經(jīng)濟(jì)增長方式仍占我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)地位，其中制造業(yè)及其產(chǎn)品的能耗約占全國能耗的2/3。高消耗將導(dǎo)致對資源的高依賴，將成為制約中國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，也給國家的能源和資源安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近年來，國家大力倡導(dǎo)構(gòu)建節(jié)約型、低碳環(huán)保型社會，“綠色經(jīng)濟(jì)”、“綠色發(fā)展”、“綠色社會”，各種提法比比皆是。制造業(yè)中，新能源汽車的出現(xiàn)，LED燈的使用等等都顯示著社會在走綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路，然而模具工業(yè)作為國家重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，模具是重要的工藝裝備，由模具生產(chǎn)的產(chǎn)品占整個工業(yè)產(chǎn)品的80%，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代極快，一旦這些產(chǎn)品退市停產(chǎn)，將會導(dǎo)致大量模具進(jìn)入退役或精神報廢狀態(tài)，只等報廢回爐，由此造成很大的資源浪費，筆者結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計方法綠色設(shè)計談?wù)勀＞叩脑O(shè)計與制造。

1 綠色設(shè)計與綠色模具的含義

綠色設(shè)計（Green Design）,又稱生態(tài)設(shè)計（Ecological Design,Eco-design）、面向環(huán)境的設(shè)計（Design for Environment,DFE）、可持續(xù)設(shè)計（Sustainable Design）、產(chǎn)品生命周期設(shè)計（Product Life Cycle Design）等。國內(nèi)外對綠色設(shè)計定義很多，可歸納為：綠色設(shè)計是基于環(huán)境意識和可持續(xù)發(fā)展思想，在產(chǎn)品整個生命周期設(shè)計中考慮雙重屬性，即壞境屬性（可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等）和基本屬性（功能、質(zhì)量、壽命、成本等）的一種機(jī)械產(chǎn)品現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計方法。

綠色模具是指在模具設(shè)計之初結(jié)合綠色設(shè)計理念，以模具的環(huán)境屬性為設(shè)計目標(biāo)，從材料、結(jié)構(gòu)、壽命，制造及模具回收報廢方面考慮模具對環(huán)境資源的影響下所設(shè)計制造出來的模具。

2 模具綠色設(shè)計與綠色制造的內(nèi)容

2.1 模具綠色設(shè)計

（1）模具綠色結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要以面向拆卸（Design For Disassemly,DFD）和再循環(huán)（Design For Recycling,DFR為設(shè)計目標(biāo)。如模具中易損零件，為方便快速維護(hù)和更換應(yīng)采用面向產(chǎn)品維修（Design For Disassemly,DFD）的設(shè)計，因此設(shè)計時多采用可拆卸連接的鑲拼結(jié)構(gòu)，盡量避免整體結(jié)構(gòu)，以免拆卸時只能采用破壞性的拆卸方式，所以應(yīng)少用焊接、鉚接等方式；另外，為保證某些模具零件（模架）的通用、互換、共用、重復(fù)使用等要求，零件應(yīng)設(shè)計成通用標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)，盡量系列化。類似設(shè)計已經(jīng)得到應(yīng)用，如級進(jìn)模中常采用共用模架雙料帶結(jié)構(gòu)（成都正欣模具），塑料模也是如此，某系列酒瓶蓋產(chǎn)品的多副模具共用模架（四川隆鑫科技）。

（2）模具綠色材料。綠色材料是綠色模具又一主題，也是實現(xiàn)綠色制造的前提，涉及范圍廣，包括綠色材料的生產(chǎn)，綠色材料的選用，綠色材料的加工，綠色材料的管理等方面。模具零件不同于一般的機(jī)械零件，模具是生產(chǎn)其它機(jī)械產(chǎn)品的工具，工作時常處于高溫、高壓、高速狀態(tài)，同時要求模具具有長壽命、耐磨損、耐腐蝕等特點，正是這一原因，在綠色模具材料選擇上仍然存在困難，既要兼顧傳統(tǒng)設(shè)計注重材料的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性要求，又要考慮模具的綠色程度，在綠色設(shè)計中材料選擇應(yīng)遵循環(huán)境協(xié)調(diào)性原則，也稱為3R 1D原則，即Reduce減量化、Reuse回收重用、Recycle循環(huán)再生和Degradable可降解。在材料管理方面，企業(yè)應(yīng)該制定“綠色采購”計劃，優(yōu)先選用具有綠色標(biāo)示的材料，即從企業(yè)社會責(zé)任高度考慮材料的使用。

（3）模具綠色技術(shù)。在模具設(shè)計時，除從模具結(jié)構(gòu)、材料選取考慮綠色度以外，還要注意對當(dāng)前綠色技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用。例如在塑料模中全面采用熱流道技術(shù)，避免料頭產(chǎn)生，節(jié)約原料，從而避免對料頭的回收、粉碎等二次處理，精簡人員、設(shè)備和工藝。模具企業(yè)還應(yīng)加強(qiáng)C A X平臺建設(shè)，實現(xiàn)無圖紙作業(yè)，實現(xiàn)模具設(shè)計、制造、管理的一體化和并行工程的應(yīng)用，以提高工作效率和縮短開發(fā)周期。

2.2 模具綠色制造內(nèi)容

廣義上，“綠色制造”（Green Manufacturing，GM）研究的范圍廣，覆蓋內(nèi)容多。本文討論的綠色制造是指模具零件在生產(chǎn)制造過程中所采用的加工方法和工藝對環(huán)境資源產(chǎn)生的影響降為最低的制造模式。綠色模具不僅僅在于模具本身是綠色產(chǎn)品，還要保證其零件的制造過程綠色化，所以制造綠色化是實現(xiàn)綠色模具的根本保證。

模具綠色加工技術(shù)?；谀＞吡慵奶厥庑裕ǔ叽缇雀?、表面質(zhì)量高、材料硬度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且異型），在加工時往往有別于一般機(jī)械零件的加工，諸如數(shù)控銑、磨削、線切割、電火花成型等加工方法已廣泛用于模具制造，這類傳統(tǒng)加工基本都屬于濕式加工，即要使用切削液，切削廢液任意排放會對環(huán)境和人體造成污染和損害；又如電加工中，電極材料損耗會消耗資源，成型時油霧的排放會污染空氣，增加皮膚病和呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生，所以模具零件要實現(xiàn)綠色制造，還有待于一些新技術(shù)，新工藝的出現(xiàn)。目前模具行業(yè)具有代表性的綠色制造技術(shù)有以下幾種：①潔凈加工技術(shù)。它是指在加工過程中，不用或少用切削液（干切削、準(zhǔn)干切削、綠色濕式切削），以避免切削液對環(huán)境的污染，實現(xiàn)加工方式從傳統(tǒng)的大量使用切削液向綠色少、無切削液使用轉(zhuǎn)變，達(dá)到高效切削、節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目標(biāo)。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)干車削、干銑削加工，國內(nèi)也有不少學(xué)者進(jìn)行研究。②快速原型制造(RPM)。它是基于離散堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造的技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的材料去除或材料變形方法生產(chǎn)零件，實現(xiàn)無屑加工，節(jié)約材料，往往逆向工程（R E）技術(shù)配合使用。③高速切削(HSC/HSM)。模具制造業(yè)是高速加工應(yīng)用的重要領(lǐng)域。模具型腔所用材料硬度高，故常用電加工加工，但其加工效率低且有電極消耗，高速切削具有加工效率高，切削表面質(zhì)量好，可切削高硬度（60H R C）材料等特點，所以可用高速切削代替部分電加工，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約電極材料，降低成本。④虛擬制造技術(shù)（VM）。虛擬制造是在“實際制造”之前用于對產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問題進(jìn)行預(yù)測的方法，它是仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用。如沖壓模中的拉深工藝模擬分析，塑料模中的模流分析等等，通過虛擬現(xiàn)實預(yù)測產(chǎn)品性能，降低材料消耗，節(jié)約制造成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

除上述介紹的幾種先進(jìn)綠色制造技術(shù)以外，目前還有譬如綠色鑄造技術(shù)、綠色熱處理技術(shù)、綠色冷卻潤滑技術(shù)，綠色表面處理技術(shù)、綠色工藝規(guī)劃技術(shù)等，在這里就不再一一闡述。

3 結(jié)語

綠色發(fā)展是未來世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向，綠色產(chǎn)品可能成為未來世界商品市場的主導(dǎo)，綠色消費也趨于主流。一方面，世界主要經(jīng)濟(jì)體積極推進(jìn)綠色計劃，綠色經(jīng)濟(jì)體系逐漸構(gòu)建完善，我國加入WT O后，面臨日益嚴(yán)峻貿(mào)易技術(shù)壁壘的挑戰(zhàn)，技術(shù)性貿(mào)易壁壘（Technical Barriersto Trade，TBT）從早期的安全、標(biāo)志、性能等方面延伸到資源和能源節(jié)約、再生利用、保護(hù)環(huán)境等領(lǐng)域，對我國形成了綠色壁壘。例如：歐盟相繼制定了機(jī)床環(huán)境評價與能效檢測標(biāo)準(zhǔn)(ISO/TC39/WG12)、非道路用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)EUS tageⅢA及ⅢB、家電產(chǎn)品有毒有害物質(zhì)（ROHS）、回收（WEEE）、能效（EuP）等指令；日本制定了環(huán)境保護(hù)法規(guī)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以及美國的電機(jī)、空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)等，對我國機(jī)電產(chǎn)品出口貿(mào)易帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另一方面，為減少對自然生態(tài)的破壞，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到人與自然和平共處的目標(biāo)，制造業(yè)必須要走綠色發(fā)展之路，模具作為制造業(yè)的重要工藝裝備，占很大比重，世界各國又都視模具為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要動力，所以要實現(xiàn)“綠色社會”，發(fā)展“綠色經(jīng)濟(jì)”，模具從設(shè)計、制造、生產(chǎn)、回收再利用整個生命過程中都必須加入綠色理念。這也是我國模具工業(yè)和世界模具工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

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