基于CAE綠色模具設計的可行性研究*

張 巍 ， 朱建康 ， 王 婷

（1.武昌工學院智能制造學院，湖北 武漢 430065；2.武漢思凱精沖模具有限責任公司，湖北 武漢 430205；3.武昌工學院智能制造學院，湖北 武漢 430065）

模具作為國民經(jīng)濟的基礎行業(yè)應用范圍非常廣泛，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種、需求相對穩(wěn)定時期已經(jīng)進入到小批量、多品種、快變化的新時代。而傳統(tǒng)模具開發(fā)周期長、成本高、難以重復使用與回收等缺點，決定了傳統(tǒng)的設計方法已無法適應現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。因此，模具從設計、制造、生產(chǎn)、回收再利用整個流程中進行綠色設計勢在必行。

1 傳統(tǒng)模具設計

國家大力倡導構建節(jié)約型、低碳環(huán)保型社會，模具工業(yè)作為國家重要的基礎產(chǎn)業(yè)，被喻為“工業(yè)之母”。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)品的比重非常大。一方面，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)，將會導致大量模具進入退役或技術報廢狀態(tài)，只等報廢回爐，由此造成很大的資源浪費。另一方面，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種、需求相對穩(wěn)定時期已經(jīng)進入到小批量、多品種、快變化的新時代，而傳統(tǒng)模具開發(fā)周期長、成本高、難以重復使用、極難回收等缺點，不僅在時間上無法滿足快速變化情況，而且成本也高，模具廢棄的數(shù)量也非常多。此外，傳統(tǒng)模具設計理念僅僅將模具質(zhì)量和功能作為首要考慮的因素，往往忽視了模具產(chǎn)品對環(huán)境的影響，更沒有將模具的回收再利用體現(xiàn)在模具設計中。

2 綠色模具設計

模具的綠色設計是通過利用綠色設計原則提升模具的生態(tài)環(huán)保屬性，并從模具的應用材料、加工工藝及后續(xù)回收再利用等多角度進行全面優(yōu)化調(diào)整，以最大程度地降低模具制造加工帶來的資源浪費和環(huán)境污染，形成兼顧生態(tài)效益的綠色模具產(chǎn)品。綠色技術在保證模具質(zhì)量性能和使用壽命的基礎上合理利用環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念，形成符合新發(fā)展階段生態(tài)要求的模具設計生產(chǎn)模式[1-2]。模具的綠色設計主要表現(xiàn)在以下3個方面：1）提升可循環(huán)利用程度。德國模具零部件的標準化程度相當高，在模具出現(xiàn)故障的情況下可以快速高效更換零部件，縮短模具設計的時間；國內(nèi)模具零部件的標準化程度相對不高，因此保證模具零部件的可換性及通用性才能保證模具可循環(huán)利用，從而達到綠色設計的目標。2）提升模具的環(huán)保性能?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代極快，產(chǎn)品的更新及升級必然導致模具報廢，報廢的模具可以在可循環(huán)利用的基礎上進行回收再利用，因此模具在設計環(huán)節(jié)應考慮模具材料的環(huán)保性能，這樣才可以更好地可循環(huán)利用。國內(nèi)冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼占主導地位，還有一些特種模具鋼材料，但傳統(tǒng)的材料在重復利用時多采用化學處理方法，對環(huán)境會產(chǎn)生污染，綠色模具設計過程需要采用物理的處理方法使材料達到易于脫模、防腐及重復利用的效果。3）降低模具噪聲污染。傳統(tǒng)的模具制造過程中會產(chǎn)生持續(xù)的噪聲污染，很少考慮模具制造對工人及環(huán)境的噪聲污染，綠色模具設計可以增設消音裝置，或增加降噪材料以達到消除噪聲污染的目的[3]。

3 國內(nèi)外綠色模具設計研究現(xiàn)狀

楊德安在關于綠色制造理念下的模具設計探討中提到，模具設計理念要體現(xiàn)可行性，首先考慮是否“有用”，其次考慮是否“能用”，最后考慮是否能夠“回收再用”，“有用—能用—再用”是綠色制造理念的核心和宗旨[4]。李小明在基于綠色設計理念下的模具設計與制造中，提到模具綠色設計需要從模具綠色結構、模具綠色材料及模具綠色技術3個方面著手，其中模具結構設計時需以可拆卸和再循環(huán)為目標，模具材料從材料的選用、加工及管理3個方面著手，模具技術需要加強CAD、CAM、CAE及CAPP平臺建設，實現(xiàn)無圖紙作業(yè)及模具設計、制造、管理的一體化和并行工程的應用，以提高工作效率和縮短開發(fā)周期[5]。朱俊杰在基于綠色制造理念的注塑模具設計與制造工藝中提到快速成型技術（RE）、3D打印技術、綠色熱處理等技術是在注重環(huán)境保護的情況下，盡可能以消耗最少的資源來發(fā)展經(jīng)濟，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)兩者共贏，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[6]。路少磊等在汽車門鉸鏈沖壓模具CAD/CAM綠色制造技術應用中以汽車門鉸鏈為研究對象，以CAD/CAM技術完成汽車門鉸鏈模具零部件的綠色設計及加工，設計過程采用雙降解塑料薄膜、蜂窩紙板材料作為綠色包裝材料，以分類拆卸、二次利用的方式實現(xiàn)汽車門鉸鏈模具的回收與處理，最終實現(xiàn)沖壓模具的綠色設計與制造[7]。盧錫錦在以綠色理念為導向的模具設計與制造研究中提到從模具框架、模具材料及模具降噪3個方面體現(xiàn)模具設計理念，從潔凈綠色處理、快速原型制造、高速切削技術及逆向工程技術4個方面談到模具制造中的綠色技術。此外，國外早已開始綠色模具設計及綠色模具制造研究，并且取得了很好的效果，無人化沖壓車間的建立、智能模具的應用都是很好的應用實例。

4 現(xiàn)代產(chǎn)品設計方法

與傳統(tǒng)產(chǎn)品設計模式的不同，現(xiàn)代產(chǎn)品的設計首先制定方案，其次進行設計計算，再次應用CAD技術建立模型，最后利用CAE技術對產(chǎn)品進行結構分析、可行性分析及工藝分析。CAD、CAM、CAE及CAPP技術是現(xiàn)代產(chǎn)品設計走向全盤自動化的重大措施。一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術可實現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和管理，節(jié)約了資源，可縮短產(chǎn)品設計與制造周期；另一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術可實現(xiàn)從產(chǎn)品實物到新實物的快速設計。現(xiàn)如今CAE技術已被廣泛使用到產(chǎn)品分析，目前現(xiàn)有的CAD三維軟件（如Pro/E、Solidworks、 UG等）基本都已集成CAE技術，同時還有專業(yè)做分析的CAE軟件（如ANSYS、DEFORM、Moldflow等），這些軟件可以模擬材料的流動情況、分析產(chǎn)品結構及強度剛度、進行抗沖擊實驗模擬、實現(xiàn)材料成型等，使用CAD、CAM、CAE及CAPP技術為實現(xiàn)產(chǎn)品設計開發(fā)提供了實驗平臺。因此，提高了產(chǎn)品的設計效率，縮短了整個設計周期，實現(xiàn)了產(chǎn)品的綠色設計分析。

同樣，現(xiàn)代模具設計過程也是廣泛應用CAD、CAM、CAE及CAPP技術進行綠色設計，尤其在目前CAE技術越來越廣泛地應用到模具設計中。傳統(tǒng)的模具設計是憑借設計手冊、設計人員的經(jīng)驗來進行設計，但現(xiàn)代產(chǎn)品種類繁多，工藝要求高，利用傳統(tǒng)的設計經(jīng)驗無法應對設計過程中遇到的問題，試模、反復修模、修改結構等設計時間長，成本造價高，甚至出現(xiàn)模具報廢現(xiàn)象。將CAE技術應用到模具設計中，可以在模具設計時進行輔助分析，對設計的模具結構進行優(yōu)化設計，輔助選擇模具工藝參數(shù)，提升產(chǎn)品設計質(zhì)量，從而可以使設計的模具在制造階段獲得一次性成功，大大縮短模具設計及制造周期，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，以便應對市場個性化需求的到來。

5 CAE技術在綠色模具設計中的應用

紀永利用CAE分析軟件ANSYS針對不銹鋼真空吸濾網(wǎng)零件沖壓模具進行應力及應變分析，確定了模具間隙，驗證模具設計的合理性，降低模具設計成本和縮短模具設計周期[8]。曹琪針對鏈板沖壓模具傳統(tǒng)設計與制造方案進行了分析，利用AutoForm軟件對鏈板沖壓排樣進行了優(yōu)化設計分析，利用UG針對鏈板模具設計、裝配、運動仿真及模具設計優(yōu)化方面的應用，模具設計全程實現(xiàn)無紙化，實現(xiàn)了模具的綠色設計[9]。劉石柏以工業(yè)鋁型材為研究對象，采用DEFORM-3D和HyperXtrude兩種CAE分析軟件對其擠壓成型過程進行模擬分析，軟件的仿真模擬結果從型材出口流速均勻性出發(fā)，通過增設導流槽、合理布置分流孔和調(diào)整工作帶長度等措施，獲得了較為理想的模具結構，同時延長了模具的壽命[10]。

課題組在學習和借鑒國內(nèi)外學者關于綠色模具設計的研究基礎之上，以一種汽車零件為研究對象，如圖1所示。首先，利用綠色設計理念從模具結構出發(fā)對模具進行綠色的設計；其次，利用SolidWorks繪制模具三維模型；再次，利用CAE分析軟件ANSYS對已設計的模具進行沖壓成形過程有限元仿真模擬，根據(jù)仿真模擬的結果對初步設計的模具得到合理的模具結構參數(shù)；最后，應用得到的參數(shù)值進行實驗，模具壽命及產(chǎn)品質(zhì)量都取得良好的效果。

如圖2所示，從仿真數(shù)據(jù)得到模具最佳的圓角半徑、間隙等模具參數(shù)值，利用CAE技術分析得到的參數(shù)應用到實際中是否可行，設計全過程實現(xiàn)了無紙化設計，充分體現(xiàn)了綠色模具設計理念。

圖1 零件圖

圖2 CAE仿真結果

6 結語

綜上所述，基于CAE技術的綠色模具設計，縮短了模具開發(fā)周期，提高了模具壽命和零件質(zhì)量，降低了開發(fā)成本，提高了可回收性，減少了制造過程中對環(huán)境的污染，提高了產(chǎn)品競爭力。為進一步研究如何有效改進模具結構設計和提高模具壽命提供了理論依據(jù)，為后續(xù)模具生產(chǎn)自動化的實現(xiàn)奠定了理論基礎。