基于綠色設計理念下的模具設計與制造

李小明

（四川職業技術學院 機械工程系，四川 遂寧 629000）

工業革命后，工業設計過度的商業化，加速了資源、能源的消耗，人類對地球的生態平衡造成了極大的破壞。20世紀70年代“能源危機爆發”，使得設計師們必須重新思考自己的社會責任和倫理價值，綠色設計理念應運而生。隨著全球經濟的高速發展，人類可利用的自然資源、能源不斷減少，甚至某些資源已經枯竭，為人類可持續發展，為子孫后代尋求生存空間，地球人必須走出一條人與自然和諧可持續發展之路。

今天，以“高投入、高消耗、高污染、低水平、低效益”為特征的經濟增長方式仍占我國經濟發展的主導地位，其中制造業及其產品的能耗約占全國能耗的2/3。高消耗將導致對資源的高依賴，將成為制約中國制造業發展的瓶頸，也給國家的能源和資源安全帶來嚴峻挑戰。近年來，國家大力倡導構建節約型、低碳環保型社會，“綠色經濟”、“綠色發展”、“綠色社會”，各種提法比比皆是。制造業中，新能源汽車的出現，LED燈的使用等等都顯示著社會在走綠色經濟發展之路，然而模具工業作為國家重要的基礎產業，模具是重要的工藝裝備，由模具生產的產品占整個工業產品的80%，現代工業產品更新換代極快，一旦這些產品退市停產，將會導致大量模具進入退役或精神報廢狀態，只等報廢回爐，由此造成很大的資源浪費，筆者結合現代先進設計方法綠色設計談談模具的設計與制造。

1 綠色設計與綠色模具的含義

綠色設計（Green Design）,又稱生態設計（Ecological Design,Eco-design）、面向環境的設計（Design for Environment,DFE）、可持續設計（Sustainable Design）、產品生命周期設計（Product Life Cycle Design）等。國內外對綠色設計定義很多，可歸納為：綠色設計是基于環境意識和可持續發展思想，在產品整個生命周期設計中考慮雙重屬性，即壞境屬性（可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等）和基本屬性（功能、質量、壽命、成本等）的一種機械產品現代系統設計方法。

綠色模具是指在模具設計之初結合綠色設計理念，以模具的環境屬性為設計目標，從材料、結構、壽命，制造及模具回收報廢方面考慮模具對環境資源的影響下所設計制造出來的模具。

2 模具綠色設計與綠色制造的內容

2.1 模具綠色設計

（1）模具綠色結構。在結構設計時，主要以面向拆卸（Design For Disassemly,DFD）和再循環（Design For Recycling,DFR為設計目標。如模具中易損零件，為方便快速維護和更換應采用面向產品維修（Design For Disassemly,DFD）的設計，因此設計時多采用可拆卸連接的鑲拼結構，盡量避免整體結構，以免拆卸時只能采用破壞性的拆卸方式，所以應少用焊接、鉚接等方式；另外，為保證某些模具零件（模架）的通用、互換、共用、重復使用等要求，零件應設計成通用標準型結構，盡量系列化。類似設計已經得到應用，如級進模中常采用共用模架雙料帶結構（成都正欣模具），塑料模也是如此，某系列酒瓶蓋產品的多副模具共用模架（四川隆鑫科技）。

（2）模具綠色材料。綠色材料是綠色模具又一主題，也是實現綠色制造的前提，涉及范圍廣，包括綠色材料的生產，綠色材料的選用，綠色材料的加工，綠色材料的管理等方面。模具零件不同于一般的機械零件，模具是生產其它機械產品的工具，工作時常處于高溫、高壓、高速狀態，同時要求模具具有長壽命、耐磨損、耐腐蝕等特點，正是這一原因，在綠色模具材料選擇上仍然存在困難，既要兼顧傳統設計注重材料的技術性和經濟性要求，又要考慮模具的綠色程度，在綠色設計中材料選擇應遵循環境協調性原則，也稱為3R 1D原則，即Reduce減量化、Reuse回收重用、Recycle循環再生和Degradable可降解。在材料管理方面，企業應該制定“綠色采購”計劃，優先選用具有綠色標示的材料，即從企業社會責任高度考慮材料的使用。

（3）模具綠色技術。在模具設計時，除從模具結構、材料選取考慮綠色度以外，還要注意對當前綠色技術的引進和應用。例如在塑料模中全面采用熱流道技術，避免料頭產生，節約原料，從而避免對料頭的回收、粉碎等二次處理，精簡人員、設備和工藝。模具企業還應加強C A X平臺建設，實現無圖紙作業，實現模具設計、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周期。

2.2 模具綠色制造內容

廣義上，“綠色制造”（Green Manufacturing，GM）研究的范圍廣，覆蓋內容多。本文討論的綠色制造是指模具零件在生產制造過程中所采用的加工方法和工藝對環境資源產生的影響降為最低的制造模式。綠色模具不僅僅在于模具本身是綠色產品，還要保證其零件的制造過程綠色化，所以制造綠色化是實現綠色模具的根本保證。

模具綠色加工技術。基于模具零件的特殊性（尺寸精度高、表面質量高、材料硬度高、結構復雜且異型），在加工時往往有別于一般機械零件的加工，諸如數控銑、磨削、線切割、電火花成型等加工方法已廣泛用于模具制造，這類傳統加工基本都屬于濕式加工，即要使用切削液，切削廢液任意排放會對環境和人體造成污染和損害；又如電加工中，電極材料損耗會消耗資源，成型時油霧的排放會污染空氣，增加皮膚病和呼吸系統疾病發生，所以模具零件要實現綠色制造，還有待于一些新技術，新工藝的出現。目前模具行業具有代表性的綠色制造技術有以下幾種：①潔凈加工技術。它是指在加工過程中，不用或少用切削液（干切削、準干切削、綠色濕式切削），以避免切削液對環境的污染，實現加工方式從傳統的大量使用切削液向綠色少、無切削液使用轉變，達到高效切削、節能減排、綠色環保的目標。目前國外已經出現干車削、干銑削加工，國內也有不少學者進行研究。②快速原型制造(RPM)。它是基于離散堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造的技術，它改變了傳統的材料去除或材料變形方法生產零件，實現無屑加工，節約材料，往往逆向工程（R E）技術配合使用。③高速切削(HSC/HSM)。模具制造業是高速加工應用的重要領域。模具型腔所用材料硬度高，故常用電加工加工，但其加工效率低且有電極消耗，高速切削具有加工效率高，切削表面質量好，可切削高硬度（60H R C）材料等特點，所以可用高速切削代替部分電加工，提高生產效率，節約電極材料，降低成本。④虛擬制造技術（VM）。虛擬制造是在“實際制造”之前用于對產品的功能及可制造性的潛在問題進行預測的方法，它是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用。如沖壓模中的拉深工藝模擬分析，塑料模中的模流分析等等，通過虛擬現實預測產品性能，降低材料消耗，節約制造成本，縮短產品開發周期。

除上述介紹的幾種先進綠色制造技術以外，目前還有譬如綠色鑄造技術、綠色熱處理技術、綠色冷卻潤滑技術，綠色表面處理技術、綠色工藝規劃技術等，在這里就不再一一闡述。

3 結語

綠色發展是未來世界經濟發展的重要方向，綠色產品可能成為未來世界商品市場的主導，綠色消費也趨于主流。一方面，世界主要經濟體積極推進綠色計劃，綠色經濟體系逐漸構建完善，我國加入WT O后，面臨日益嚴峻貿易技術壁壘的挑戰，技術性貿易壁壘（Technical Barriersto Trade，TBT）從早期的安全、標志、性能等方面延伸到資源和能源節約、再生利用、保護環境等領域，對我國形成了綠色壁壘。例如：歐盟相繼制定了機床環境評價與能效檢測標準(ISO/TC39/WG12)、非道路用柴油機排放標準EUS tageⅢA及ⅢB、家電產品有毒有害物質（ROHS）、回收（WEEE）、能效（EuP）等指令；日本制定了環境保護法規及相應的標準，以及美國的電機、空調能效標準等，對我國機電產品出口貿易帶來了嚴峻的挑戰。另一方面，為減少對自然生態的破壞，實現人類社會的可持續發展，達到人與自然和平共處的目標，制造業必須要走綠色發展之路，模具作為制造業的重要工藝裝備，占很大比重，世界各國又都視模具為各國經濟發展的重要動力，所以要實現“綠色社會”，發展“綠色經濟”，模具從設計、制造、生產、回收再利用整個生命過程中都必須加入綠色理念。這也是我國模具工業和世界模具工業發展的必然趨勢。

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