基于綠色制造的模具設(shè)計(jì)探討

常虹，張巍

（武昌工學(xué)院，湖北武漢430065）

綠色裝備技術(shù)

基于綠色制造的模具設(shè)計(jì)探討

常虹，張巍

（武昌工學(xué)院，湖北武漢430065）

近年綠色制造以降低資源消耗和減少環(huán)境影響為目標(biāo)逐漸受到人們的重視。從選擇綠色的模具材料、設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)三方面論述基于綠色制造理念的模具設(shè)計(jì)方法。

綠色制造；計(jì)算機(jī)輔助4C；模具設(shè)計(jì)

保護(hù)環(huán)境、保持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展已成為全球共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，在此背景下，綠色制造逐漸受到人們的重視。模具作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工業(yè)裝備，涉及機(jī)械、汽車(chē)、輕工、電子、化工、冶金和建材等多個(gè)行業(yè)，據(jù)《2014-2018年中國(guó)模具制造行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)需求預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告》顯示：我國(guó)現(xiàn)在有75%的粗加工工業(yè)產(chǎn)品零件、50%的精加工零件由模具成型，絕大部分塑料制品也由模具成型。然而，我國(guó)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程一般只考慮模具產(chǎn)品的基本屬性，即模具的功能、質(zhì)量、成本和壽命等，幾乎未考慮模具生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)資源的有效利用。模具工業(yè)作為制造業(yè)的重要組成部分，其生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，因此，在模具行業(yè)提倡綠色制造顯得尤為重要。

模具設(shè)計(jì)在模具制造過(guò)程中占據(jù)著非常重要的地位，是否采用綠色設(shè)計(jì)直接決定模具是否具有“綠色”屬性。模具的綠色設(shè)計(jì)即結(jié)合環(huán)境保護(hù)意識(shí)和可持續(xù)發(fā)展理念，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮整個(gè)模具的生命周期（設(shè)計(jì)、制造、使用和報(bào)廢）對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，選擇可回收利用且便于后期制造的綠色材料；采用方便拆卸的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高資源的利用率；設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)輔助，減小設(shè)計(jì)過(guò)程中的資源浪費(fèi)。將綠色制造的理念應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足性能要求的同時(shí)兼顧模具的環(huán)境屬性，以此來(lái)推進(jìn)模具行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 選擇綠色的模具材料

模具材料的選擇是模具設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的組成部分，選擇綠色材料是實(shí)現(xiàn)模具綠色制造的前提。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇具有良好使用性能，并在制備、加工、使用和報(bào)廢后回收處理的全生命周期過(guò)程中能耗少，資源利用率高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且易回收處理的材料[1]。

模具的零部件與普通機(jī)械的零部件存在一定的差別，模具通常在高溫、高壓環(huán)境下工作，因此模具制造應(yīng)采用具有較高硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性的材料，并且具有較高的淬透性和淬硬性，使用壽命也要求更長(zhǎng)。選擇材料時(shí)，首先根據(jù)產(chǎn)品的功能要求和使用環(huán)境，以及各種材料的物理、力學(xué)性能和加工難易程度，初步確定幾種可供選擇的材料，然后考慮環(huán)境保護(hù)和資源的合理利用的要求，采用成本核算的方式，計(jì)算每種可選材料使用的總成本，包括模具加工成本、回收處理成本和環(huán)境成本，綜合考慮使用性能要求和成本確定最終選擇的材料。

2 設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)

2.1 采用可拆卸的模具結(jié)構(gòu)

模具的使用、維修和回收都離不開(kāi)拆卸工作，采用可拆卸的模具結(jié)構(gòu)是模具綠色設(shè)計(jì)的必備條件。在模具使用過(guò)程中，部分零件由于受到?jīng)_擊和摩擦的作用會(huì)失效，采用可拆卸的結(jié)構(gòu)只需更換損壞零件模具即可正常使用，節(jié)省維修的費(fèi)用。而且可拆卸的結(jié)構(gòu)使零件再次回收利用成為可能，避免產(chǎn)生浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，設(shè)計(jì)模具時(shí)，在滿(mǎn)足功能要求的前提下，盡可能選擇易于拆卸的螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)，不采用鉚接、焊接和膠接，少采用過(guò)盈配合，并設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的模具結(jié)構(gòu)，盡量減少零部件數(shù)量，方便模具拆裝及減少拆裝過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的影響。

2.2 采用標(biāo)準(zhǔn)化零部件

模具設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能將除凸模、凹模以外的其余零部件都制作成標(biāo)準(zhǔn)件，使用時(shí)只需按零件加工要求制作凸模、凹模，通過(guò)選擇合適零部件，更換凸模、凹模，以“搭積木”的方式組裝成所需的模具，就能夠制造新的產(chǎn)品，使模具零件能夠很好地適應(yīng)加工對(duì)象的變化。采用標(biāo)準(zhǔn)化的零部件后，設(shè)計(jì)者可以最大限度地選用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，減少計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的繪圖工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。標(biāo)準(zhǔn)化的零部件有利于組織專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，便于使用專(zhuān)用加工設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM），提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，大大降低模具零件的制造成本。標(biāo)準(zhǔn)化的零部件損壞后可以方便用相同類(lèi)型新零部件進(jìn)行更換，縮短維修時(shí)間，節(jié)約維修費(fèi)用。而且使用標(biāo)準(zhǔn)化的零部件便于模具報(bào)廢后的回收再利用，節(jié)約資源，減少浪費(fèi)。

3 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）統(tǒng)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)，在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中使用CAD/CAE/CAM/CAPP技術(shù)可以縮短模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可用于模具的二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程無(wú)紙化，減少對(duì)資源造成的浪費(fèi)，降低對(duì)環(huán)境造成的影響，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。使用CAD技術(shù)進(jìn)行模具三維設(shè)計(jì)，能夠直觀、清楚地利用裝配將模具的組成零部件按照對(duì)應(yīng)關(guān)系組合在一起，仿真模具開(kāi)模過(guò)程，并且利用干涉檢查功能避免模具設(shè)計(jì)出現(xiàn)干涉問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。模具三維設(shè)計(jì)可以采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，一旦設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，其修改相對(duì)二維設(shè)計(jì)更加方便快捷，有利于縮短設(shè)計(jì)周期。采用三維設(shè)計(jì)，模具在設(shè)計(jì)階段就可以利用軟件準(zhǔn)確計(jì)算出模具的質(zhì)量，有利于精確地控制生產(chǎn)成本。在模具的裝配過(guò)程中，由于三維實(shí)體造型的直觀性，可以大大減少裝配工人的識(shí)圖時(shí)間，縮短了模具的生產(chǎn)周期。此外，采用CAD技術(shù)還為模具的CAE、CAM和數(shù)控加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)與計(jì)劃模具及產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)工藝[2]。

模具設(shè)計(jì)需要分析模具的工作狀態(tài)并進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等校核，才能保證成型產(chǎn)品的質(zhì)量和模具安全、長(zhǎng)期的使用。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，校核計(jì)算粗略且不全面，不能精確反映模具的實(shí)際工況，一般通過(guò)反復(fù)試模發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷，并進(jìn)行返修與改進(jìn)，有時(shí)還會(huì)造成模具的報(bào)廢，才能最終確定復(fù)雜的模具原型，成本很高。采用CAE技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)，在三維實(shí)體造型的基礎(chǔ)上對(duì)模具結(jié)構(gòu)、成型工藝等進(jìn)行計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)階段即可模擬仿真模具的工作狀態(tài)，綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理之處，改進(jìn)和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案。CAE技術(shù)的應(yīng)用完全代替了試模過(guò)程，避免返修報(bào)廢，不僅可以縮短模具產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，大大降低模具的生產(chǎn)成本，而且提高了模具的質(zhì)量。

模具型腔作為模具加工的主要零件，一般具有較高的精度，且很多型腔具有曲面結(jié)構(gòu)，加工制造難度較大。為了保證模具產(chǎn)品的質(zhì)量，通常采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。加工程序的編制是模具數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于模具零件經(jīng)常存在復(fù)雜外型，采用傳統(tǒng)的手工編程方式根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，需要借助計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，使用CAM軟件，在CAD創(chuàng)建的三維加工模型基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的加工工藝要求，指定加工方式和加工參數(shù)，生成零件加工軌跡，并模擬仿真加工過(guò)程，最后按機(jī)床規(guī)定格式生成零件數(shù)控加工代碼，并將代碼傳輸至數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)零件加工。使用CAM技術(shù)不僅使高精度復(fù)雜型腔加工容易實(shí)現(xiàn)，而且提高了編程的效率和可靠性，縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期。

CAPP技術(shù)是連接CAD與CAM的橋梁，CAPP能直接從模具零件CAD模型中獲取零件的幾何信息、材料信息和工藝信息，并從工程數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得企業(yè)的生產(chǎn)條件、資源情況及企業(yè)工人技術(shù)水平等信息，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判定和推理等功能來(lái)制定模具零件機(jī)械加工工藝過(guò)程，形成工藝過(guò)程卡、工序卡和工步卡，解決手工工藝設(shè)計(jì)效率低、一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、不易達(dá)到最優(yōu)化的問(wèn)題。

通過(guò)在模具設(shè)計(jì)中充分利用計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模具零件分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具制造的一體化，提高模具生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高制造水平，實(shí)現(xiàn)綠色制造的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

模具制造業(yè)能否實(shí)現(xiàn)綠色化，很大程度上取決于模具的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)過(guò)程是否能滿(mǎn)足綠色設(shè)計(jì)的要求。在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)選擇綠色材料，采用合理的結(jié)構(gòu)和使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)能夠提高資源利用率，減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。

[1]李小明.基于綠色設(shè)計(jì)理念下的模具設(shè)計(jì)與制造[J].湖南農(nóng)機(jī)，2012，39（9）：43-44.

[2]陳暉，李名堯，吳華春.模具CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展及軟件應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，49（6）：238-240.

Abstrsct：In recent years，green manufacturing to reduce resource consumption and environmental impact for the target gradually get the attention of the people. Mould design methods are discussed in this paper，from the choice of green mold material，the reasonable design of die structure and application of computer aided 4C system three aspects based on the concept of green manufacturing.

Discussion on Mould Design Based on Green Manufacturing

CHANG Hong，ZHANG Wei
（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

green manufacturing；computer aided 4C system；mould design

T H166

A

1672-545X（2016）09-0168-03

2016-06-21

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)在模具綠色制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究（項(xiàng)目編號(hào)：B2015274）

常虹（1982-），女，湖北武漢人，講師，碩士，研究方向：機(jī)械制造；張?。?982-），男，甘肅武威人，教師，碩士，研究方向：材料成型。