模具工业是制造工业化生产的基础

提出了绿色技术的具体实现形式绿色设计及绿色制造技术。在此基础上。比较了模具的传统设计与绿色设计的差异。阐述了模具的绿色设计与制造的实现方法。介绍了当今模具绿色制造所使用的先进制造技术。

　　近年来。为了解决全球环境污染问题，一种新的"绿色制造"概念正在流行。它的目的就是为了减轻产品对环境的污染，在设计产品的整个生命周期过程中着重考虑产品的环境属性(环保特性)，采用一种绿色技术对产品进行全方面设计。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，是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，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。

　　模具工业是制造工业化生产的基础，它的生产技术水平高低．已经成为衡量制造业水平的重要标志。以前，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。

　　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最小。

　　1模具设计

　　1．1传统设计与绿色设计

　　传统的模具设计只考虑能够设计制造出合格的模具。并不会过多地考虑材料是否对环境有影响。生产出的模具使用后能否再加工重新利用等。

　　1．2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．摒弃过去对材料进行表面处理所采用的化学方法．代之以物理的方法以达到防腐或易于脱模的目的。

　　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：

　　1．3设计规范化、标准化

　　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。

　　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，从而节约资源。也利于管理。

　　(2)模具各结构单元的规范化、标准化。这样可加快设计速度，缩短设计周期，方便加工管理。

　　1．4可拆卸性设计

　　模具在使用过程当中，部分零部件由于承受过大的摩擦与冲击，磨损较大。这时。只需更换这部分零部件模具仍可使用。另外。有时只要更换工作零件，即可实现一种新产品的生产。不可拆卸不仅造成大量可重复零部件材料的浪费。

　　①尽可能选择通用结构，以便更换。

　　②在满足强度要求的前提下。尽量采用可拆卸联接。如用螺纹联接，不用焊接、铆接等。

　　1．5CAD，CAPP，CAM，CAE应用

　　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，节约了资源，可缩短模具设计与制造周期。可提高模具研制的成功率及模具质量。当今CAE技术已被广泛使用。首先可以应用CAD技术设计出产品的大体结构．标出其基本尺寸，然后用CAE技术对产品进行结构分析、可行性分析及工艺分析。

　　1．6制造环境设计

　　机械生产车间，尤其是冲压车间的噪音和污染非常严重。对工作人员的身体健康造成非常大的威胁，也干扰了周边的安宁，所以，在进行模具设计的时候要对产生的噪音加以控制。甚至消除。通常消除机器噪音的方法有以下几种方法：用V带代替齿轮传动；以摩擦离合器代替刚性离合器；做好飞轮等回转体的动平衡：在压力机产生噪音的主要部位加盖隔音罩：采用有减震器的无冲击模架等。

　　1．7包装方案设计

　　包装方案的设计主要包括三方面：包装材料的选用

　　、包装结构的改进以及包装材料及其废弃物的回收利用。包装材料的使用和废弃物对环境产生了巨大的影响．尤其是一些难以回收或难降，解的材料，这些材料只能焚烧或掩埋。因此，产品的包装应尽量从简及使用绿色包装材料(无毒、无公害、易回收、易降解的材料)，这样既可以减少资源的浪费，又可以减少对环境的污染。

　　1．8回收处理设计

　　模具回收处理就是在模具的设计阶段就考虑模具使用后回收利用的可能性及回收处理的方法及费用。回收性设计的主要内容包括可回收材料及标志、回收处理方法、回收性的技术经济评估和回收性的结构设计。其主要措施如下；

　　①使用对环境影响较小的模具材料，如无毒无害的材料、可再生材料、易回收的材料等；

　　②使用可重新利用的材料；

　　2模具制造

　　采用模具先进制造技术。

　　在制造过程中选用生产浪费最小、能量消耗最低的制造工艺，是实现绿色制造的重要一环。

　　2．1柔性制造技术(FMS)

　　由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元。

　　2．2高速切削

　　模具制造业是高速加工应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小；浅腔大睦率半径的模具，完全可用高速铣削来代替电加工：对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。

　　2．3虚拟制造技术(virtualManufacruring)

　　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．以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，形成一个可运行的虚拟制造环境。在计算机局域／广域网络上，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。

　　虚拟制造的特点：

　　①无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本．缩短产品开发周期；

　　②产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正；③以软件模拟形式进行产品开发；

　　2．4逆向工程技术(Rever辩Enginee-ng，RE)

　　逆向工程是对已有的实物模型进行扫描，采集其表面的坐标数据信息，根据采集的数据生成模型表面的线框模型．之后可根据需要对模型进行凹凸模转换、比例缩放、旋转、平移等处理，再自动生成模具的加工程序。自动生成模具的加工程序可适用于广泛的数控系统。

　　2．5快速成型技术

　　它是近年发展起来的直接根据CAD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。是先进制造技术的重要组成部分。快速成型技术的应用已从原型制造发展到了模具制造，只要模具设计了出来。

　　模具生产周期大大缩短。同时大大节约模具生产的费用，有的可减少到传统生产方法的几分之一甚至几十分之一。因此，在实际中真正实现了模具的绿色制造。

　　绿色设计与绿色制造技术将成为本世纪机械行业的主要发展方向。也是改善工业环境的重要途径。当前。产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造系统的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究已成为重要研究内容。

　　力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素．如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。模具实现了绿色设计与制造。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。

　　快速模具技术是现代生产技术的产物, 在模具界占据及其重要的位置。快速模具技术以“快”为特点, 加快了产品开发生产速度, 符合现代顾客对产品的需求。本文主要阐述了快速模具制造技术的含义及分类, 针对快速模具制造技术的特点及目的, 提出了应用研究方法。

　　随着现代社会的发展, 产品市场竞争日趋激烈, 如何减少产品开发上市时间, 抢做市场“领头羊”, 已经是厂家所需要面临与解决的严峻问题。然而, 目前产品开发流程还比较复杂, 上市所用时间较长。若能在产品开发制造过程中缩短用时、减轻成本, 对产品市场竞争力就有巨大帮助。为此, 快速模具制造技术应运而生。快速模具制造技术蕴含了多种先进科技, 如材料、控制及信息技术等, 是制造技术发展的综合集成[1]。

　　1 快速模具制造技术的概念及分类

是通过快速成型技术使用直接或间接的方法快速、准确地制造所需模具的过程。经过多年的发展, 已形成多种新类型的快速模具制造技术。该技术不依赖辅助性加工工具, 而是基于计算机辅助设计模型之上驱动模具, 在操作应用过程中, 可以有效地较少产品设计与生产时间, 降低生产成本, 保证产品制造精准度。

　　1.1 直接制模法

　　直接制模法是指运用快速的原型机械直接制造出可以大量生产的模型或型芯, 对其再进一步加工处理, 以获取模具精准度与性能等, 使其能直接用于批量生产, 此种制模法主要应用于金属材料模具制造等方面。虽然直接制模法可以充分发挥原型技术的速度且制造过程较简单, 特别是对于形状复杂且需要冷却系统的零件, 直接制模法具有无可取代的优势。但在掌控模具性能与精准度上难度较大, 对模具尺度也有一定的限制, 本文主要介绍以下4种快速成型制模技术。一是光固化快速成型工艺技术直接制造模具。光固化快速成型工艺技术所制造的树脂模具柔韧性较强, 适用于小规模塑料零部件模具的批量生产。使用光固化快速成型直接制造模具, 可延长产品使用寿命。二是使用特殊纸材, 利用叠层制造技术可直接制造纸质模具。这种模具与木模具有同样的强度, 且耐磨性能更强, 可以进行机械与修饰加工。

　　1.2 间接制模法

　　间接制模法是指通过量产原型机械, 首先制造出一个理想的产品外部形状, 再通过此原型件进行翻制, 从而得到大批量的模具。间接制模法结合了翻制技术与原型技术, 相较于直接制模法, 可以更好地把握模具精准度与性能, 降低产品成本。间接制模法主要应用于硅胶、金属树脂与喷涂模等, 可生产出软质模具与硬质模具。一是软质模具。软质模具使用不同于传统钢质材料的软质性物质, 如硅胶、树脂和铝等, 具有成本低, 周期短的特征, 因而适用于航空等领域的单件或小批量的产品制造以及种类多、更新快的现代产品制造。二是硬质模具。硬质模具是使用钢质材料制造模具, 用于快速制造钢质模具的方法主要有熔模制模法、陶瓷精密制模法等。熔模制模首先采用原型件翻制硅胶或金属树脂等材料的压型, 然后再根据该压型大批量生产制造蜡膜, 再融合熔模制模技术制造钢模具。

　　2 快速模具的特点

　　快速模具相较于传统模具有时间短、成本低、精准度高等特点[2]。传统模具制造完成一般需要60~90 d, 制造复杂的模具时, 制作及加工程序所需的时间会相应增加。对于无法借助辅助刀具进行加工的部位, 还需采取计算机数字控制机床加工。因此, 传统制造模具加工过程所用的时间较长。而快速模具以原型件为基础, 仅花费几小时即可完成加工, 加以脱蜡, 总制造完成过程只需4 d。由此可见, 快速模具技术极大缩短了模具加工过程所用的时间。

　　从模具制造成本来说, 由于传统模具制造过程需要使用刀具与电极, 故会产生相应的损耗, 且伴有大量废料。而快速模具制造不需要使用辅助工具, 也没有废料出现。因此, 快速模具与传统模具相比成本较低;从成品的精准度来讲, 传统模具在制造加工过程当中, 由于需要用到刀具加工, 就会对刀具造成一定的磨损, 故需多次更换刀具及多次安装, 并对模具的精准度产生一定的影响。

　　3 快速模具制造技术的应用研究

　　在实际应用中, 快速模具制造技术主要以缩短产品开发生产时间为目的。目前, 虽然快速模具制造技术已经取得了明显成果, 但与现实工业化生产需求还存在一定差距。所以应加强扩大快速模具制造技术的使用领域及范围, 减少快速模具在生产过程中所花费的成本, 特别是大型模具在生产方面的成本。虽然现在快速模具制造所需材料还是传统材料, 但作为新类型的生产形式, 发展方向将侧重于寻求新模具材料及新工艺, 开发强度较高的金属模具, 以缩短产品生产时间, 再次降低成本。