綠色模具的設計生產-職業(yè)學院畢業(yè)論文

1 合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 摘要 在對綠色制造概念介紹的基礎上,介紹了模具綠色制造的整個生命周期,包 括綠色設計、綠色制造、綠色包裝、綠色維護和綠色回收、再處理等階段,并結 合鍛模、沖壓模、注塑模具自身的特點,具體闡述了基于綠色制造的模具設計與 制造的原則與方法。 指出了模具的設計和先進制造技術與綠色思想的結合是模具 工業(yè)的發(fā)展必然。人類文明進入近現(xiàn)代社會以來,工業(yè)產品使用后的廢棄物污染 所導致的全球性環(huán)境逞加速狀態(tài)惡化,目前達到了前所未有的程度,在此背景下, “綠色”的設計制造應運而生。 本文從綠色設計制造概念入手,闡述了綠色模具 的設計與制造方法,介紹了綠色模具制造所使用的各種先進制造工藝和技術。 【關鍵詞】綠色制造;模具;先進制造技術 2 合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 目 錄 摘要.1 目 錄.2 第一章引言.3 第二章綠色模具設計.4 1.1 綠色模具的設計手段4 1.2 綠色模具的設計問題.4 第三章綠色模具的設計生產.5 3.1 模具現(xiàn)代制造中的綠色要素 5 3.2 模具傳統(tǒng)工藝中的綠色改進 6 第四章模具的綠色制造.7 4.1 模具的綠色設計7 4.2 模具的綠色制造工藝9 4.3 模具的綠色包裝10 4.4 模具的綠色維護10 4.5 模具的綠色回收、再處理. 10 總 結.11 參考文獻.12 致 謝.13 3 第一章引言 綠色模具的設計制造特點:(1)產品設計的閉環(huán)設計過程。綠色設計的產品 全生命周期除具有傳統(tǒng)產品生命周期各階段外,還包括產品廢棄后的拆卸回收、 處理及處置,是一個閉環(huán)過程。(2)節(jié)約資源和能源。綠色產品設計從整體上優(yōu)化 了產品性能,使組成產品的零部件和材料得到充分有效地利用。 (3)綠色產品設計 可以預先設法防止產品及工藝對環(huán)境產生負作用。 制造業(yè)是社會經濟向前快速發(fā)展的重要支柱產業(yè),制造業(yè)在將制造資源轉化 成產品以及隨后產品的使用和廢棄后的處理過程中,將會給生態(tài)環(huán)境帶來了不同 程度的污染。對于制造業(yè)來說,未來所面臨解決的重大問題是如何減少資源的消 耗和盡可能少地產生環(huán)境污染。因而綠色制造(Green Manufacturing)應運而生, 其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命 周期中,對環(huán)境的負影響最小,資源使用效率最高1-2。綠色制造主要包括以下 幾方面內容:一是制造問題,包括產品生命周期全過程;二是環(huán)境影響問題;三是 資源優(yōu)化問題。綠色制造就是這三部分內容的交叉和有機集成。 模具是制造業(yè)中使用量大、影響面廣的工具產品,是工業(yè)生產當中的基礎工 藝裝備。它的生產技術水平的高低,已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重 要標志。傳統(tǒng)的模具設計過程一般僅僅需要考慮模具產品的基本屬性,如模具的 功能、質量、成本和壽命等等,而很少、甚至不考慮它的環(huán)境屬性和對資源、能 源造成的浪費。 模具工業(yè)作為制造業(yè)的一個重要組成部分, 并且在我國得到迅猛 發(fā)展, 因而在模具行業(yè)中提倡綠色制造尤為重要。 4 第二章綠色模具設計 1.1 綠色模具的設計手段綠色模具的設計手段 CAD/CAPP/CAM/CAE 是模具設計進入綠色設計的基本手段措施,也是模具虛 擬設計制造的重要步驟。 采用 CAD/CAPP/CAM 技術,可實現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和 管理,節(jié)約了資源,可縮短模具設計與制造周期。 大量通用專用的 CAE 技術已被廣 泛使用可對模具產品進行結構分析、制造可行性分析及工藝分析,可以模擬材料 的流動情況及分析其強度、剛度、溫度、抗沖擊實驗模擬等,極大提高了模具設 計的成功率及模具質量,減少修模次數時間、甚至完全杜絕廢品模具1 1.2 綠色模具的設計問題綠色模具的設計問題 1)模具材料的選擇 模具材料的綠色程度對最終產品的綠色性能有著極為重要的影響。 綠色設計 的材料選擇必須建立在綠色材料的基礎上。綠色材料應具備的基本性能有:低 污染、低耗能、低成本:易加工和加工過程中無污染或少污染:可降解,可重 復使用。 2)模具設計規(guī)范化、標準化、模塊化 模具標準化是組織模具專業(yè)化生產的前提。 而模具的專業(yè)化生產是提高模具 質量、縮短模具制造周期、降低成本的關鍵。 (1)采用和購買標準模架及其它標準件。模架及標準件由專門的廠家、企業(yè) 通過社會化分工進行生產,使有限的資源得到優(yōu)化配置。模具通常在報廢之后只 是凸凹模不能再用,但是模架還基本完好無損,因此使用標準模架有助于模架的 再利用。沖壓模和注塑模的模架都有很多種類,而這些模架也基本是由標準的上 下模座、導柱、導套等部件組成。同時,.模架的標準化可以使生產模架所使用的 設備大大減少,更好地提高材料利用率,使用模具綠色材料,從而節(jié)約資源,也利 于管理。 (2)模具各結構單元規(guī)范化、標準化、組合化、模塊化設計是進行模具的結 構設計的一種有效方法,也是綠色產品設計中確定其結構方案的常見手段之一。 組合化、模塊化設計就是在一定范圍內,在對不同功能、或相同功能下的不同性 能、 不同規(guī)格的產品進行功能分析的基礎上,劃分并設計出一系列功能模塊,通過 模塊的選擇和組合可以構成不同的產品,以滿足市場的不同需求;如模具的抽芯 滑塊、脫模定位機構等都可以按這些方法設計、組合、再利用。 5 第三章綠色模具的設計生產 3.1 模具現(xiàn)代制造中的綠色要素模具現(xiàn)代制造中的綠色要素 模具是典型的單件小批生產方式,精度高,生產周期長,保證質量、降低開發(fā)周 期的成本是模具企業(yè)生存發(fā)展的必然要求,因此模具制造業(yè)一直以來在制造的組 織方式、制造的現(xiàn)代工藝、制造的現(xiàn)代自動化手段方面跟進最快速的一個行業(yè)。 革新組織方式、采用模具制造的先進技術,在制造過程中選用生產浪費最小、能 量消耗最低、污染排放最小的制造工藝,是實現(xiàn)綠色模具制造的重要一環(huán)。 (1)采用先進的綠色模具制造生產模式 由于模具的單件生產方式,我國模具企業(yè)的生產組織模式較為落后,其改革的 速度落后于技術手段的跟進速度,管理性質的家族化、作業(yè)方式的小規(guī)?；?、生 產方式的大而全等都阻礙了模具行業(yè)的進一步發(fā)展壯大。 只有在標準化基礎上的 社會化分工,充分依靠計算機技術改進管理提高行業(yè)的整體資源的使用效能,不斷 學習創(chuàng)新,是模具企業(yè)發(fā)展所需,更是綠色模具制造所需。 (2)采用先進的綠色模具制造技術 1)柔性制造技術 由于模具單件生產方式,且加工表面復雜、尺寸幾何精度高等特點決定了模 具行業(yè)十分適合柔性制造技術。 柔性制造技術是由計算機控制系統(tǒng)及若干數控設 備、物料運貯裝置組成,并能根據制造任務和生產品種變化通過簡單地改變軟件 的方法,而迅速進行調整的自動化制造系統(tǒng)。 高速切削技術 模具型腔精加工是淬火工序后的機加工的最后一道工序,一直以來基本上通 過特種電加工的電火花成形加工來解決,但其加工效率低。而近年來發(fā)展的高速 銑削,由于是加工微量切削,切削力小,加工變形可以略,因此可銑淬火后精加工工 序,且加工精度高、表面粗糙度值又很小。 (3)采用先進的綠色模具制造工藝 1)精確高效金屬塑性成形工藝技術 用非去除材料的加工手段也稱金屬的無屑加工,大大減少了模具材料的消耗, 是制造綠色模具的最佳工藝。但傳統(tǒng)的拉、軋、擠、鍛、沖等工藝方法無法滿足 現(xiàn)代模具制造要求。 從 20 世紀 60 年代起,世界各國在投入大量的人力物力基礎上,已經在金屬等 溫超塑成形、輥鍛、楔橫軋、粉末冶金鍛造等工藝技術上取得了很大的突破,為 高精度無屑、少屑的綠色模具制造奠定了基礎。 2)逆向工程技術 逆向工程是一種在已有實物或其它參照的情況下,通過各種處理快速獲得樣 6 型的全數字模型的方法,十分有利于設計中的模仿創(chuàng)新或者加速設計制造。在模 具設計制造中有時稱為模具的反求工程技術,應用十分廣泛。在模具設計制造中, 通過逆向工程在獲得產品的全數字模型后,再在 CAM 等的支持下自動生成模具 的加工程序。自動生成模具的加工程序適用模具的快速成形機床,快速加工模型 以利于評估設計,或者制造快速模具進行中小批量的生產,也適用于各種數控加工 機床,加工大批量生產的一般模具。 3)快速成型技術 快速成型技術一般與逆向工程技術相結合,能根據全數字模型快速生產樣件 或零件的成組技術的總稱,它集成了 CAD 技術、數控技術、激光技術和材料技術 等現(xiàn)代科技成果。與傳統(tǒng)制造相比較,不使用材料剝離而是材料的堆積成型的方 法極大地提高了材料的使用效率,廢料基本為零;且材料堆積是在無力狀態(tài)下進行 的,因此,無論模具的結構多么復雜,都可以用快速成型技術制造出來2。 3.2 模具傳統(tǒng)工藝中的綠色改進模具傳統(tǒng)工藝中的綠色改進 (1)加工參數的選擇。 盡量選擇較小的加工余量,節(jié)約材料,提高工效;選擇最佳 切削參數,充分利用機床、刀具的潛能,使加工質量和制造成本處于最好狀態(tài)。 (2)減小冷卻液的使用,少用帶油切削液,多用水基切削液;應用汽冷、 低溫汽冷 代替冷卻液。 (3)提高刀具、夾具、其它工具的使用壽命。 7 第四章模具的綠色制造 由綠色制造的概念可知,“綠色模具”不僅僅指在使用時對環(huán)境的影響小,還 應是從制造到報廢的整個生命周期內對環(huán)境的破壞是最小的。因此,模具的綠色 制造設計要求設計者在構思階段就要優(yōu)先考慮模具產品的環(huán)境屬性(模具的可拆 卸性、可再次回收性等等),然后再考慮原有應該考慮的模具產品應用的基本屬性 3?？偟膩碚f,模具綠色制造的整個生命周期包括綠色設計、綠色制造、綠色包 裝、綠色維護和綠色回收、再處理等階段。 4.1 模具的綠色設計模具的綠色設計 模具綠色設計對模具綠色制造有著非常重要的地位,這一步解決的好壞直接 影響到最終利用模具加工產品的綠色生產問題。 4.1.1 模具材料的選擇:模具材料的選擇是模具產品設計的第一步。模具材料 的“綠色程度”對最終產品的“綠色性能”具有非常重要的影響。因此,綠色模 具設計必須建立在綠色模具材料基礎上。綠色模具材料應是低能耗、低成本的材 料,尤其是少污染的材料;是易加工和加工過程中無污染或少污染的材料;是易回 收處理、可重復多次使用或可降解的材料。比如,可選擇優(yōu)質鏡面模具鋼加工型 腔,輔之以良好的拋光手段;直接用不銹鋼材料來加工防腐的模具,以替代表面處 理的方式。另外除在材料上選用不銹鋼來避免使用電鍍外,也可采用鎳磷鍍替代 電鍍鉻,因為鎳磷鍍在對氯化氫氣體的防腐上要優(yōu)于電鍍鉻,且前者對環(huán)境的危害 也要小于后者。 4.1.2 延長壽命的模具設計:延長產品壽命是綠色制造的主要手段之一。對于 鍛造模具,在提高模具壽命方面已有很多的措施,如正確選擇分模面位置、選擇適 當的飛邊槽、選擇合適噸位的鍛造設備、在一副鍛模上開設兩個終鍛模膛分別單 獨使用等。對于沖壓模具,如沖壓間隙值的合理選取、盡量壓縮凸模工作部分長 度、采用彈性卸料板、改進凸(凹)模的結構如采用一模多形、一形兩用和拼裝式 模具來提高模具的利用率。對于注塑模具,如采用隨形冷卻水道可提高注塑精度 和模具使用壽命;將模具型芯由整體結構改為鑲拼式結構, 可解決模具的變形問 題,提高模具壽命。 4.1.3 模具的可回收性設計:模具的回收性設計是指在模具產品綠色的設計初 期充分考慮產品中所用各種材料的回收、再利用的可能性、回收處理的方法、回 收性的技術經濟評估以及回收性的結構框架設計等有關一系列問題。 這樣就可在 后續(xù)生產中盡可能節(jié)約材料,減少浪費。因此,因避免或不要過多使用銅、鉛等有 害或對環(huán)境有重污染的材料;盡可能減少所用材料的種類;避免使用與現(xiàn)有標準循 環(huán)再回收過程中不相兼容的材料;多使用無需特殊工具的連接件;設計時盡可能允 8 許使用現(xiàn)有的一些可重復利用的零部件等。 4.1.4 模具的可拆卸性設計:模具可拆卸性對于模具綠色制造來說是很重要 的。當模具在使用過程中部分零部件由于承受過大的摩擦與沖擊磨損較大時,只 需更換這部分零部件模具仍可使用。此外,有時只要更換凸、凹模即可實現(xiàn)一種 新產品的生產。 如果模具不具備可拆卸性不僅回造成大量可重復零部件材料的浪 費,而且因廢棄物處理不好導致嚴重的環(huán)境污染。因而在設計初期就要考慮模具 結構易于拆卸,維護方便,這樣就便于在后續(xù)回收處理中再利用。因此,在模具設計 時應盡可能選擇通用結構,以便更換;在滿足強度要求的前提下,盡量采用可拆卸 聯(lián)接(如螺紋聯(lián)接),不用焊接、鉚接、膠接等;不用或少用過盈配合;采用組合模架。 4.1.5 模具設計的標準化、規(guī)范化、系列化:無論是鍛造、沖壓模還是塑料模, 都有必要向標準化、規(guī)范化、系列化方向發(fā)展,模具標準化是組織模具專業(yè)化生 產的前提,而模具的專業(yè)化生產是提高模具質量、縮短模具制造周期、降低成本 的關鍵。模具設計向標準化、規(guī)范化、系列化方向發(fā)展,便于采用和購買模許多 規(guī)格的標準模架及其它標準件,而這些模架及標準件又可由專門的廠家、企業(yè)通 過社會化分工進行生產,從而使有限的資源得到優(yōu)化配置。另外,模具各結構單元 的規(guī)范化、標準化,可使生產其的夾具數量大為減少,從而節(jié)約資源,并且加快了設 計速度,縮短了設計周期,方便加工管理。 4.1.6 模具 CAD/CAPP/CAM 一體化:模具 CAD/CAPP/CAM 是模具設計走向 全盤自動化的重大措施。采用 CAD/ CAPP/CAM 技術,可實現(xiàn)少圖紙或無圖紙加 工和管理,一方面,節(jié)約用紙即節(jié)約資源和能源;另一方面,模具 CAD/CAPP/CAM 一體化也為并行工程的實現(xiàn)提供可能,可縮短模具設計與制造周期,提高模具研制 的成功率及模具質量。 4.1.7 模具的綠色并行工程:綠色并行工程是現(xiàn)代綠色產品設計和開發(fā)的新 模式,它的核心是并行一體化設計,強調產品設計及其相關過程同時交叉進行,即 在設計階段就要考慮整個生命周期中從概念形成到產品報廢處理的所有環(huán)節(jié)和 因素,如質量、成本、用戶要求、環(huán)境影響、資源消耗狀況等。因此,涉及產品整 個生命周期的各個部分的小組成員必須協(xié)同工作。對于模具設計,不但需要模具 設計小組成員之間進行討論,協(xié)調產品的設計任務,而且其他部門如工藝、制造、 質量等小組也要參與產品的設計工作,對產品設計方案提出修改意見等,從而使得 整個模具設計工作一次成功。 4.1.8 其他綠色設計:鍛造、沖壓車間是機械工廠的高噪聲車間之一。大量的 鍛壓設備在生產運轉過程中所產生的強烈噪聲,危害工人的健康,影響了生產效率, 干擾了環(huán)境的安寧。因此,在進行模具設計的時候,必須對噪聲加以控制和消減。 對于鍛造設備,如使用排氣消聲器、用液壓模鍛錘代替蒸空模鍛錘等等。對于沖 壓設備,消減聲源噪聲的措施有:用 V 帶傳動代替齒輪傳動;以摩擦離合器代替剛 性離合器;采用鑄鐵機身以增加壓力機的剛性和減震能力;作好飛輪等回轉體的動 9 平衡等等?？刂圃肼晜鞑サ耐緩接性谳S承和軸承座之間加彈性襯套;在壓力機產 生噪聲的主要部位加蓋隔聲罩;采用具有油減震器的無沖擊模架等等。 對于注塑模具,澆道設計上要注意澆道凝料與塑料制品的體積比率,一般應小于 30%。如果達不到,就要考慮進一步優(yōu)化澆道設計和調整型腔數量,或者采用熱流 道技術。 對于注塑模具,澆道設計上要注意澆道凝料與塑料制品的體積比率,一般應小 于 30%。如果達不到,就要考慮進一步優(yōu)化澆道設計和調整型腔數量,或者采用熱 流道技術。熱流道技術在塑料原料的節(jié)約上有突出的優(yōu)勢,在產品價格競爭日益 激烈的今天,這一點尤為重要。因此近幾年該技術的應用得到快速普及。 4.2 模具的綠色制造工藝模具的綠色制造工藝 在模具綠色制造過程中,采用綠色制造工藝也是實現(xiàn)模具綠色制造的一個重 要環(huán)節(jié),它是一種既能提高經濟效益,又能同時減少環(huán)境影響的工藝技術。近來年, 隨著先進制造技術在模具行業(yè)的推廣,模具行業(yè)也向著綠色制造工藝方向努力。 目前,在模具行業(yè)中應用的較為典型的先進制造技術有: 4.2.1 快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing, RP對深腔小曲率半徑的模具可用高速銑削加工作為粗加 10 工和半精加工,而電加工只作為精加工。這樣可大大節(jié)約電火花和拋光的時間以 及有關材料的消耗,這對保護環(huán)境的貢獻是不言而喻的。同時,極大地縮短了加工 周期,提高了加工效率,降低了加工成本。 4.3 模具的綠色包裝模具的綠色包裝 模具的綠色包裝是模具銷售過程中涉及到的綠色問題,它著重從保護環(huán)境的 角度出發(fā),盡可能使模具產品進入銷售、使用、廢棄的物流過程中,其對環(huán)境資源 消耗和廢棄物產生量最小。模具的綠色包裝主要包括三個方面的內容:模具包裝 材料的選擇、模具包裝結構和模具包裝材料的回收。具體來講,第一方面就是在 模具遠程配送過程中,在不影響包裝強度的前提下盡可能使用一些常見的木制材 料(如合成板),這是由于模具產品不同于其他一些精制產品,它不太注重產品的外 包裝精美問題,只關心產品的內在保護質量。第二方面就是要合理設計包裝箱內 部結構,從而簡化包裝復雜度。即多個零件盡量在一個包裝箱中放置。同時,為了 避免零件之間在運輸過程中互相摩擦造成磨損而影響模具產品表面質量,可在其 中多放置一些軟性材料來隔離。 第三方面就是要在包裝箱上注明包裝材料的可回 收性標志及回收處理方式。如果用戶不能處理或難處理的,可注明可寄回原處處 理,并給予一定的經濟補償。這樣的處理表面上看會使初期的成本可能有所增加, 但從長遠來考慮,這也是節(jié)省成本的好方法。 4.4 模具的綠色維護模具的綠色維護 在模具的使用過程中,由于其特殊性,要經常進行模具的修模工序。因此,同模 具綠色制造過程一樣,修模過程也需要進行綠色處理。比如,在進行尺寸修模時, 盡可能進行人工修護,少用或不用機加工;少用或不用有害溶液對模具進行表面處 理,如鹽酸或甲醇等;在維護模具表面硬度方面,盡可能減少熱處理工序等等。 4.5 模具的綠色回收、再處理模具的綠色回收、再處理 由于新產品的不斷開發(fā)以及產品更新?lián)Q代的步伐不斷加快,舊產品模具必將 被逐一淘汰。如何對廢棄模具進行回收處理,這是目前一直困擾模具行業(yè)無法得 到解決的問題。提出模具綠色制造問題,很大一部分原因就是要有效地解決這個 問題。如果模具在設計和制造階段就采用了綠色概念,則后續(xù)的回收處理就比較 簡單,即只需根據模具的具體磨損情況,有針對性地進行拆卸,取其可用部分,進行 適當修護加工,就可應用到新模具產品上,而剩余部分則可作廢料處理。 11 合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 總 結 綠色制造能使產品生命周期內的環(huán)境影響達到最小,并能充分合理地利用 資源,是 21 世紀制造業(yè)重要的發(fā)展方向,也是人類社會得以可持續(xù)發(fā)展的主要