绿色模具的设计生产-职业学院毕业论文

1 合肥通用职业技术学院毕业论文 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。人类文明进入近现代社会以来,工业产品使用后的废弃物污染 所导致的全球性环境逞加速状态恶化,目前达到了前所未有的程度,在此背景下, “绿色”的设计制造应运而生。 本文从绿色设计制造概念入手,阐述了绿色模具 的设计与制造方法,介绍了绿色模具制造所使用的各种先进制造工艺和技术。 【关键词】绿色制造;模具;先进制造技术 2 合肥通用职业技术学院毕业论文 目 录 摘要.1 目 录.2 第一章引言.3 第二章绿色模具设计.4 1.1 绿色模具的设计手段4 1.2 绿色模具的设计问题.4 第三章绿色模具的设计生产.5 3.1 模具现代制造中的绿色要素 5 3.2 模具传统工艺中的绿色改进 6 第四章模具的绿色制造.7 4.1 模具的绿色设计7 4.2 模具的绿色制造工艺9 4.3 模具的绿色包装10 4.4 模具的绿色维护10 4.5 模具的绿色回收、再处理. 10 总 结.11 参考文献.12 致 谢.13 3 第一章引言 绿色模具的设计制造特点:(1)产品设计的闭环设计过程。绿色设计的产品 全生命周期除具有传统产品生命周期各阶段外,还包括产品废弃后的拆卸回收、 处理及处置,是一个闭环过程。(2)节约资源和能源。绿色产品设计从整体上优化 了产品性能,使组成产品的零部件和材料得到充分有效地利用。 (3)绿色产品设计 可以预先设法防止产品及工艺对环境产生负作用。 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。 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。 4 第二章绿色模具设计 1.1 绿色模具的设计手段绿色模具的设计手段 CAD/CAPP/CAM/CAE 是模具设计进入绿色设计的基本手段措施,也是模具虚 拟设计制造的重要步骤。 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。 大量通用专用的 CAE 技术已被广 泛使用可对模具产品进行结构分析、制造可行性分析及工艺分析,可以模拟材料 的流动情况及分析其强度、刚度、温度、抗冲击实验模拟等,极大提高了模具设 计的成功率及模具质量,减少修模次数时间、甚至完全杜绝废品模具1 1.2 绿色模具的设计问题绿色模具的设计问题 1)模具材料的选择 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。绿色材料应具备的基本性能有:低 污染、低耗能、低成本:易加工和加工过程中无污染或少污染:可降解,可重 复使用。 2)模具设计规范化、标准化、模块化 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。模具通常在报废之后只 是凸凹模不能再用,但是模架还基本完好无损,因此使用标准模架有助于模架的 再利用。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,更好地提高材料利用率,使用模具绿色材料,从而节约资源,也利 于管理。 (2)模具各结构单元规范化、标准化、组合化、模块化设计是进行模具的结 构设计的一种有效方法,也是绿色产品设计中确定其结构方案的常见手段之一。 组合化、模块化设计就是在一定范围内,在对不同功能、或相同功能下的不同性 能、 不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过 模块的选择和组合可以构成不同的产品,以满足市场的不同需求;如模具的抽芯 滑块、脱模定位机构等都可以按这些方法设计、组合、再利用。 5 第三章绿色模具的设计生产 3.1 模具现代制造中的绿色要素模具现代制造中的绿色要素 模具是典型的单件小批生产方式,精度高,生产周期长,保证质量、降低开发周 期的成本是模具企业生存发展的必然要求,因此模具制造业一直以来在制造的组 织方式、制造的现代工艺、制造的现代自动化手段方面跟进最快速的一个行业。 革新组织方式、采用模具制造的先进技术,在制造过程中选用生产浪费最小、能 量消耗最低、污染排放最小的制造工艺,是实现绿色模具制造的重要一环。 (1)采用先进的绿色模具制造生产模式 由于模具的单件生产方式,我国模具企业的生产组织模式较为落后,其改革的 速度落后于技术手段的跟进速度,管理性质的家族化、作业方式的小规模化、生 产方式的大而全等都阻碍了模具行业的进一步发展壮大。 只有在标准化基础上的 社会化分工,充分依靠计算机技术改进管理提高行业的整体资源的使用效能,不断 学习创新,是模具企业发展所需,更是绿色模具制造所需。 (2)采用先进的绿色模具制造技术 1)柔性制造技术 由于模具单件生产方式,且加工表面复杂、尺寸几何精度高等特点决定了模 具行业十分适合柔性制造技术。 柔性制造技术是由计算机控制系统及若干数控设 备、物料运贮装置组成,并能根据制造任务和生产品种变化通过简单地改变软件 的方法,而迅速进行调整的自动化制造系统。 高速切削技术 模具型腔精加工是淬火工序后的机加工的最后一道工序,一直以来基本上通 过特种电加工的电火花成形加工来解决,但其加工效率低。而近年来发展的高速 铣削,由于是加工微量切削,切削力小,加工变形可以略,因此可铣淬火后精加工工 序,且加工精度高、表面粗糙度值又很小。 (3)采用先进的绿色模具制造工艺 1)精确高效金属塑性成形工艺技术 用非去除材料的加工手段也称金属的无屑加工,大大减少了模具材料的消耗, 是制造绿色模具的最佳工艺。但传统的拉、轧、挤、锻、冲等工艺方法无法满足 现代模具制造要求。 从 20 世纪 60 年代起,世界各国在投入大量的人力物力基础上,已经在金属等 温超塑成形、辊锻、楔横轧、粉末冶金锻造等工艺技术上取得了很大的突破,为 高精度无屑、少屑的绿色模具制造奠定了基础。 2)逆向工程技术 逆向工程是一种在已有实物或其它参照的情况下,通过各种处理快速获得样 6 型的全数字模型的方法,十分有利于设计中的模仿创新或者加速设计制造。在模 具设计制造中有时称为模具的反求工程技术,应用十分广泛。在模具设计制造中, 通过逆向工程在获得产品的全数字模型后,再在 CAM 等的支持下自动生成模具 的加工程序。自动生成模具的加工程序适用模具的快速成形机床,快速加工模型 以利于评估设计,或者制造快速模具进行中小批量的生产,也适用于各种数控加工 机床,加工大批量生产的一般模具。 3)快速成型技术 快速成型技术一般与逆向工程技术相结合,能根据全数字模型快速生产样件 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。与传统制造相比较,不使用材料剥离而是材料的堆积成型的方 法极大地提高了材料的使用效率,废料基本为零;且材料堆积是在无力状态下进行 的,因此,无论模具的结构多么复杂,都可以用快速成型技术制造出来2。 3.2 模具传统工艺中的绿色改进模具传统工艺中的绿色改进 (1)加工参数的选择。 尽量选择较小的加工余量,节约材料,提高工效;选择最佳 切削参数,充分利用机床、刀具的潜能,使加工质量和制造成本处于最好状态。 (2)减小冷却液的使用,少用带油切削液,多用水基切削液;应用汽冷、 低温汽冷 代替冷却液。 (3)提高刀具、夹具、其它工具的使用寿命。 7 第四章模具的绿色制造 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。 4.1 模具的绿色设计模具的绿色设计 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。 4.1.1 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。 4.1.2 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。 4.1.3 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 8 许使用现有的一些可重复利用的零部件等。 4.1.4 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。 4.1.5 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。 4.1.6 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。 4.1.7 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。 4.1.8 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 9 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。 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。 4.2 模具的绿色制造工艺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: 4.2.1 快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing, RP对深腔小曲率半径的模具可用高速铣削加工作为粗加 10 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。 4.3 模具的绿色包装模具的绿色包装 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。 4.4 模具的绿色维护模具的绿色维护 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。 4.5 模具的绿色回收、再处理模具的绿色回收、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。 11 合肥通用职业技术学院毕业论文 总 结 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