【摘要】在对绿色制造概念介绍的基础上,介绍了模具绿色制造的整个生命周期,包括绿色设计、绿色制造、绿色包装、绿色维护和绿色回收、再处理等阶段,并结合锻模、冲压模、注塑模具自身的特点,具体阐述了基于绿色制造的模具设计与制造的原则与方法。指出了模具的设计和先进制造技术与绿色思想的结合是模具 工业 的 发展 必然。
【关键词】绿色制造;模具;先进制造技术
制造业是社会 经济 向前快速发展的重要支柱产业,制造业在将制造资源转化成产品以及随后产品的使用和废弃后的处理过程中,将会给生态环境带来了不同程度的污染。对于制造业来说,未来所面临解决的重大问题是如何减少资源的消耗和尽可能少地产生环境污染。因而绿色制造(green manufacturing)应运而生,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的负影响最小,资源使用效率最高[1-2]。绿色制造主要包括以下几方面内容:一是制造问题,包括产品生命周期全过程;二是环境影响问题;三是资源优化问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉和有机集成。
模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品,是工业生产当中的基础工艺装备。它的生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。传统的模具设计过程一般仅仅需要考虑模具产品的基本属性,如模具的功能、质量、成本和寿命等等,而很少、甚至不考虑它的环境属性和对资源、能源造成的浪费。wwW.11665.COM模具工业作为制造业的一个重要组成部分, 并且在我国得到迅猛发展, 因而在模具行业中提倡绿色制造尤为重要。
1 模具的绿色制造
由绿色制造的概念可知,“绿色模具”不仅仅指在使用时对环境的影响小,还应是从制造到报废的整个生命周期内对环境的破坏是最小的。因此,模具的绿色制造设计要求设计者在构思阶段就要优先考虑模具产品的环境属性(模具的可拆卸性、可再次回收性等等),然后再考虑原有应该考虑的模具产品应用的基本属性[3]。总的来说,模具绿色制造的整个生命周期包括绿色设计、绿色制造、绿色包装、绿色维护和绿色回收、再处理等阶段。
1.1 模具的绿色设计:模具绿色设计对模具绿色制造有着非常重要的地位,这一步解决的好坏直接影响到最终利用模具加工产品的绿色生产问题。
1.1.1 模具材料的选择:模具材料的选择是模具产品设计的第一步。模具材料的“绿色程度”对最终产品的“绿色性能”具有非常重要的影响。因此,绿色模具设计必须建立在绿色模具材料基础上。绿色模具材料应是低能耗、低成本的材料,尤其是少污染的材料;是易加工和加工过程中无污染或少污染的材料;是易回收处理、可重复多次使用或可降解的材料。比如,可选择优质镜面模具钢加工型腔,辅之以良好的抛光手段;直接用不锈钢材料来加工防腐的模具,以替代表面处理的方式。另外除在材料上选用不锈钢来避免使用电镀外,也可采用镍磷镀替代电镀铬,因为镍磷镀在对氯化氢气体的防腐上要优于电镀铬,且前者对环境的危害也要小于后者。
1.1.2 延长寿命的模具设计:延长产品寿命是绿色制造的主要手段之一。对于锻造模具,在提高模具寿命方面已有很多的措施,如正确选择分模面位置、选择适当的飞边槽、选择合适吨位的锻造设备、在一副锻模上开设两个终锻模膛分别单独使用等。对于冲压模具,如冲压间隙值的合理选取、尽量压缩凸模工作部分长度、采用弹性卸料板、改进凸(凹)模的结构如采用一模多形、一形两用和拼装式模具来提高模具的利用率。对于注塑模具,如采用随形冷却水道可提高注塑精度和模具使用寿命;将模具型芯由整体结构改为镶拼式结构, 可解决模具的变形问题,提高模具寿命。
1.1.3 模具的可回收性设计:模具的回收性设计是指在模具产品绿色的设计初期充分考虑产品中所用各种材料的回收、再利用的可能性、回收处理的方法、回收性的技术经济评估以及回收性的结构框架设计等有关一系列问题。这样就可在后续生产中尽可能节约材料,减少浪费。因此,因避免或不要过多使用铜、铅等有害或对环境有重污染的材料;尽可能减少所用材料的种类;避免使用与现有标准循环再回收过程中不相兼容的材料;多使用无需特殊工具的连接件;设计时尽可能允许使用现有的一些可重复利用的零部件等。
1.1.4 模具的可拆卸性设计:模具可拆卸性对于模具绿色制造来说是很重要的。当模具在使用过程中部分零部件由于承受过大的摩擦与冲击磨损较大时,只需更换这部分零部件模具仍可使用。此外,有时只要更换凸、凹模即可实现一种新产品的生产。如果模具不具备可拆卸性不仅回造成大量可重复零部件材料的浪费,而且因废弃物处理不好导致严重的环境污染。因而在设计初期就要考虑模具结构易于拆卸,维护方便,这样就便于在后续回收处理中再利用。因此,在模具设计时应尽可能选择通用结构,以便更换;在满足强度要求的前提下,尽量采用可拆卸联接(如螺纹联接),不用焊接、铆接、胶接等;不用或少用过盈配合;采用组合模架。
1.1.5 模具设计的标准化、规范化、系列化:无论是锻造、冲压模还是塑料模,都有必要向标准化、规范化、系列化方向发展,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。模具设计向标准化、规范化、系列化方向发展,便于采用和购买模许多规格的标准模架及其它标准件,而这些模架及标准件又可由专门的厂家、 企业 通过社会化分工进行生产,从而使有限的资源得到优化配置。另外,模具各结构单元的规范化、标准化,可使生产其的夹具数量大为减少,从而节约资源,并且加快了设计速度,缩短了设计周期,方便加工管理。
1.1.6 模具cad/capp/cam一体化:模具cad/capp/cam是模具设计走向全盘自动化的重大措施。采用 cad/ capp/cam技术,可实现少图纸或无图纸加工和管理,一方面,节约用纸即节约资源和能源;另一方面,模具cad/capp/cam一体化也为并行工程的实现提供可能,可缩短模具设计与制造周期,提高模具研制的成功率及模具质量。
1.1.7 模具的绿色并行工程:绿色并行工程是 现代 绿色产品设计和开发的新模式,它的核心是并行一体化设计,强调产品设计及其相关过程同时交叉进行,即在设计阶段就要考虑整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有环节和因素,如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。因此,涉及产品整个生命周期的各个部分的小组成员必须协同工作。对于模具设计,不但需要模具设计小组成员之间进行讨论,协调产品的设计任务,而且其他部门如工艺、制造、质量等小组也要参与产品的设计工作,对产品设计方案提出修改意见等,从而使得整个模具设计工作一次成功。
1.1.8 其他绿色设计:锻造、冲压车间是机械工厂的高噪声车间之一。大量的锻压设备在生产运转过程中所产生的强烈噪声,危害工人的健康,影响了生产效率,干扰了环境的安宁。因此,在进行模具设计的时候,必须对噪声加以控制和消减。对于锻造设备,如使用排气消声器、用液压模锻锤代替蒸空模锻锤等等。对于冲压设备,消减声源噪声的措施有:用v带传动代替齿轮传动;以摩擦离合器代替刚性离合器;采用铸铁机身以增加压力机的刚性和减震能力;作好飞轮等回转体的动平衡等等。控制噪声传播的途径有在轴承和轴承座之间加弹性衬套;在压力机产生噪声的主要部位加盖隔声罩;采用具有油减震器的无冲击模架等等。
对于注塑模具,浇道设计上要注意浇道凝料与塑料制品的体积比率,一般应小于30%。如果达不到,就要考虑进一步优化浇道设计和调整型腔数量,或者采用热流道技术。热流道技术在塑料原料的节约上有突出的优势,在产品价格竞争日益激烈的今天,这一点尤为重要。因此近几年该技术的应用得到快速普及。
1.2 模具的绿色制造工艺:在模具绿色制造过程中,采用绿色制造工艺也是实现模具绿色制造的一个重要环节,它是一种既能提高 经济 效益,又能同时减少环境影响的工艺技术。近来年,随着先进制造技术在模具行业的推广,模具行业也向着绿色制造工艺方向努力。目前,在模具行业中应用的较为典型的先进制造技术有:
1.2.1 快速原型制造(rapid prototyping manufacturing, rp&m)[4-5]:
快速原型制造是一项集 计算 机、激光、数控及精密传动等技术于一体的先进制造技术,其在原理上突破了传统加工技术采用材料“去除”的原则,而采用材料“逐层堆积”的原理,能根据产品的cad数据,快速地制造出具有一定结构和功能的原型,甚至产品,由此可有效地加快新产品的开发速度。而以rp&m原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术,进一步发挥了快速成型技术的优越性,可在短期内迅速推出满足用户需求的产品,大幅度降低新产品开发研制的成本和投资风险,缩短了新产品研制和投放市场的周期,在小批量、多品种、改型快的 现代 模具制造模式下具有强劲的 发展 势头。
1.2.2 虚拟制造技术(virtual manufacturing)[1]:
虚拟制造是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,乃至 企业 的生产组织管理与调度进行统一建模,形成一个可运行的虚拟制造环境,以专门的虚拟软件技术为支撑,借助高性能的硬件,在虚拟制造环境中生成数字化产品,实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验,从而缩短模具产品的设计与制造周期,降低开模的开发成本,提高快速响应市场变化的能力。
1.2.3 高速切削(high speed machining, hsm):
高速切削在模具领域的应用主要是加工复杂曲面[6],其中高速铣削(也称为硬铣削,hard milling, hm)可以把复杂形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、浅腔大曲率半径的模具完全可用高
速铣削来代替电加工;对深腔小曲率半径的模具可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工,而电加工只作为精加工。这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的消耗,这对保护环境的贡献是不言而喻的。同时,极大地缩短了加工周期,提高了加工效率,降低了加工成本。
1.3 模具的绿色包装:模具的绿色包装是模具销售过程中涉及到的绿色问题,它着重从保护环境的角度出发,尽可能使模具产品进入销售、使用、废弃的物流过程中,其对环境资源消耗和废弃物产生量最小。模具的绿色包装主要包括三个方面的内容:模具包装材料的选择、模具包装结构和模具包装材料的回收。具体来讲,第一方面就是在模具远程配送过程中,在不影响包装强度的前提下尽可能使用一些常见的木制材料(如合成板),这是由于模具产品不同于其他一些精制产品,它不太注重产品的外包装精美问题,只关心产品的内在保护质量。第二方面就是要合理设计包装箱内部结构,从而简化包装复杂度。即多个零件尽量在一个包装箱中放置。同时,为了避免零件之间在运输过程中互相摩擦造成磨损而影响模具产品表面质量,可在其中多放置一些软性材料来隔离。第三方面就是要在包装箱上注明包装材料的可回收性标志及回收处理方式。如果用户不能处理或难处理的,可注明可寄回原处处理,并给予一定的经济补偿。这样的处理表面上看会使初期的成本可能有所增加,但从长远来考虑,这也是节省成本的好方法。
1.4 模具的绿色维护:在模具的使用过程中,由于其特殊性,要经常进行模具的修模工序。因此,同模具绿色制造过程一样,修模过程也需要进行绿色处理。比如,在进行尺寸修模时,尽可能进行人工修护,少用或不用机加工;少用或不用有害溶液对模具进行表面处理,如盐酸或甲醇等;在维护模具表面硬度方面,尽可能减少热处理工序等等。
1.5 模具的绿色回收、再处理:由于新产品的不断开发以及产品更新换代的步伐不断加快,旧产品模具必将被逐一淘汰。如何对废弃模具进行回收处理,这是目前一直困扰模具行业无法得到解决的问题。提出模具绿色制造问题,很大一部分原因就是要有效地解决这个问题。如果模具在设计和制造阶段就采用了绿色概念,则后续的回收处理就比较简单,即只需根据模具的具体磨损情况,有针对性地进行拆卸,取其可用部分,进行适当修护加工,就可应用到新模具产品上,而剩余部分则可作废料处理。
2 结语
绿色制造能使产品生命周期内的环境影响达到最小,并能充分合理地利用资源,是21世纪制造业重要的发展方向,也是人类社会得以可持续发展的主要因素之一。模具设计和先进制造技术与绿色制造的有机结合结合是模具 工业 的发展必然,并将大大加快模具行业前进的步伐,真正实现高质量、少污染、短周期和低成本的目标。
参考 文献
[1] 李伟主编.先进制造技术[m].北京:机械工业出版社,2005
[2] 刘飞.21世纪制造业的绿色变革与创新[j].机械工程学报,2000,36(1):7-10
[3] 朱伟,张质良,董湘怀等.模具绿色制造过程探讨[j]. cmet.锻压装备与制造技术,2006,(1):18-21
[4] 王广春,赵国群编著.快速成型与快速模具制造技术及其应用[m].北京:机械工业出版社,2004
[5] suwat jirathearanat et al. visual processing application of rapid prototyping for visualization of metal forming processes[m]. journal of materials processing technology, 2000, (98):116-124
[6] 徐哲.高速切削加工在模具制造中的应用[m].cad/cam与制造业信息化,2004,(11):90-92
