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轉(zhuǎn)發(fā)自： 108 機(jī)電技術(shù) 2018年8月

作者：李云妹 謝祖華

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，福建福州 350007）

從模具設(shè)計(jì)階段就要開始考慮綠色制造問題。綠色設(shè)計(jì)奠定了綠色制造的基礎(chǔ)。

1.1 沖壓模具材料的選擇

沖壓模具設(shè)計(jì)的第一步是選定模具材料。為達(dá)到綠色設(shè)計(jì)的目的，所選用的材料應(yīng)當(dāng)是易加工、成本低、加工過程能耗低且污染少或無污染的材料；而且要求可重復(fù)多次使用、易于回收處理或可降解的材料。雖然能制造沖壓模具的材料種類很多，但目前完全滿足這些條件的沖模材料還幾乎沒有，還有待進(jìn)一步開發(fā)；目前只能選擇盡量符合上述條件的材料。

1.2 延長(zhǎng)沖壓模具使用壽命的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)綠色制造的重要手段之一是延長(zhǎng)模具使用壽命。對(duì)于沖壓模具，模具間隙的合理選擇尤為重要，在滿足沖壓件技術(shù)要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較大的模具間隙，這樣可大大提高沖壓模具使用壽命，有時(shí)壽命能提高幾倍甚至幾十倍。對(duì)于小孔沖孔模，最常見的模具失效形式是細(xì)小凸模折彎或折斷，因此：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短凸模的長(zhǎng)度；或設(shè)計(jì)時(shí)增加凸模護(hù)套，這樣沖孔時(shí)凸模除了伸入沖壓板料的一段長(zhǎng)度以外，其余部分均可得到護(hù)套的不間斷的導(dǎo)向，從而增加了凸模剛度、減少了凸模彎曲和折斷的可能、延長(zhǎng)了模具使用壽命。對(duì)于精密沖裁模，應(yīng)特別注意模具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的精度；可靠和高精度的導(dǎo)向可減少凸凹模的磨損和啃傷，延長(zhǎng)模具壽命。此外，模具壓力中心和上下模板的剛性對(duì)模具壽命也有影響。

1.3 模具零件的標(biāo)準(zhǔn)化

模具零件的標(biāo)準(zhǔn)化比例越高，模具中要設(shè)計(jì)的零件就越少，這樣可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，而且：標(biāo)準(zhǔn)化的零件可直接購(gòu)買，縮短了模具制造周期；標(biāo)準(zhǔn)化的零件都是由專業(yè)廠大批量生產(chǎn)，有利于保證質(zhì)量、降低成本，使有限的資源得到優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)模具的綠色制造。目前我國(guó)已頒布了冷沖模模架、冷沖模模柄、冷沖模導(dǎo)正銷、冷沖模廢料切刀等多項(xiàng)冷沖模具零部件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)化生產(chǎn)正處于積極組織和實(shí)施中。但總的來說，我國(guó)沖壓模具的標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還處于較低水平：我國(guó)模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率

作者簡(jiǎn)介：李云妹（1963—），女，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。謝祖華（1963—），男，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。

第4期 李云妹等：沖壓模具的綠色制造 109

才達(dá)到 30%~40%，而發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)到 70%~80%。

因此這方面還有許多工作要做。

2 沖壓模具的綠色制造加工工藝

綠色加工工藝是指生產(chǎn)效率高；加工過程能量消耗低；能改善勞動(dòng)條件，減少對(duì)操作人員的健康危害、對(duì)環(huán)境影響又相對(duì)較小的工藝技術(shù)[2]。要實(shí)現(xiàn)綠色制造，一方面優(yōu)化目前的加工工藝，另一方面采用先進(jìn)的模具加工技術(shù)。這些加工技術(shù)如下：

2.1 超高速加工技術(shù)

超高速加工技術(shù)是指利用高自動(dòng)化、高柔性和高精度的能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的制造設(shè)備，采用超硬切削刀具或磨具，以超高切削速度來提高材料切除率，達(dá)到高加工精度和質(zhì)量的先進(jìn)加工技術(shù)[3]。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。通常把切削速度是常規(guī)的5～10倍以上的切削加工稱為超高速切削。超高速切削時(shí)，切屑為碎片狀而不是普通切削的帶狀，95%的切削熱被切屑帶走，切削力降低30%；此外，超高速切削時(shí)設(shè)備的激振頻率特別高，其頻率范圍遠(yuǎn)離了“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，因此機(jī)床工作平穩(wěn)，加工的工件精度極高、表面質(zhì)量極好、工件表面殘余應(yīng)力極小，可直接達(dá)到精加工要求，材料切除率相應(yīng)提高若干倍[3]。與超高速切削一樣，超高速磨削具有效率極高、磨削力極小、磨出的工件表面粗糙度值極低、砂輪壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，超高速加工可以提高加工工件質(zhì)量和生產(chǎn)率、節(jié)約能耗，是一個(gè)很好的綠色加工工藝。

2.2 干切削技術(shù)

干切削加工是指加工過程中不用或僅用微量切削液，這是一種從環(huán)境污染源頭上進(jìn)行控制的清潔環(huán)保新型綠色制造技術(shù)。干切削加工技術(shù)不僅沒有切削液對(duì)環(huán)境的污染，而且省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過濾、回收等裝置和費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)、降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，形成的切屑又干凈、清潔、無污染，便于回收和處理。

干切削時(shí)沒有切削液的冷卻，刀具溫度比濕切削高得多，因此：刀具材料應(yīng)具有良好熱硬性和高溫韌性、高的耐磨性和抗粘結(jié)性能、低的摩擦系數(shù)；刀具的幾何形狀要適合干切削的特點(diǎn)，槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱。目前，干切削刀具主要使用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、立方氮化硼、聚晶金剛石、SiC 晶須增韌陶瓷及納米陶瓷等材料制造。此外，對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理，也能大大提高刀具性能。涂層可以是單層的，也可以是多層的復(fù)合涂層；不同的涂層可使刀具獲得不同的性能，主要有可提高刀具硬度和耐磨性、提高抗“月牙洼”磨損的能力、降低摩擦系數(shù)、減少切削力和降低切削溫度等。

干切削已成為綠色制造工藝研究的一個(gè)熱點(diǎn)，德、日美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家無論是刀具還是設(shè)備研究都取得了重要成果，并已成功應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，雖然取得了一些成果，但總體而言比發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，有待進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用。

2.3 基于快速原型制造技術(shù)的快速模具（RT）制造技術(shù)

快速原型制造技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）是20世紀(jì)80年代末期迅速崛起的一種先進(jìn)制造技術(shù)。其原理是：設(shè)計(jì)人員通過 CAD將設(shè)計(jì)思想進(jìn)行三維實(shí)體造型；然后對(duì)三維實(shí)體沿給定方向二維切片，并根據(jù)各截面層形成二維數(shù)據(jù)；之后快速成形系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓形狀和厚度要求，用液體、絲材、片材、粉末或制成薄片，通過固化、熔接、黏結(jié)、燒結(jié)等方式，將材料一片一片“堆積、疊壓”，從而快速完成三維實(shí)體的原型制造。

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目前這種基于快速原型制造技術(shù)的快速模具（Rapid tooling，RT）制造方法有直接制模法和間接制模法。直接制模法就是用上述快速原型制造技術(shù)制造模具，雖然其具有加工過程無需刀具和工裝夾具、材料利用率極高、制造速度快、制造費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但受到使用材料的限制，目前使用不多。間接制造法是先通過快速原型制造技術(shù)（RPM）制作母模，然后通過一次或多次轉(zhuǎn)換的方法制成模具型腔。目前各種間接制模工藝比較成熟，使用較多。依據(jù)制模材料的不同，間接制模法制造的模具可分為硬質(zhì)模具和軟質(zhì)模具兩種類型。硬質(zhì)模具一般指鋼質(zhì)模具，雖然制造難度較高，但使用壽命較長(zhǎng)；利用RPM原型制作鋼質(zhì)模具的主要方法有電火花加工法、熔模鑄造法、陶瓷型精密鑄造法等。制模材料使用環(huán)氧樹脂、硅橡膠、低熔點(diǎn)合金等的模具稱為軟質(zhì)模具，其具有制作周期短、制造成本低的優(yōu)勢(shì)，因而特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)或小批量、多品種、快速改型的場(chǎng)合；目前軟質(zhì)模具的制造方法主要有硅橡膠澆注法、樹脂澆注法、電鑄法以及金屬噴涂法等。

目前基于 RPM 技術(shù)的快速模具可用于板料沖壓的成形模、拉深模、彎曲模，有的還可用于沖裁模、切邊模，特別是在汽車覆蓋件沖壓成形中應(yīng)用較多。汽車覆蓋件快速模具的成功應(yīng)用，降低了研發(fā)成本、縮短了汽車新產(chǎn)品的研發(fā)周期[4-6]。

與傳統(tǒng)模具制造技術(shù)相比，快速模具制造技術(shù)制造周期短，一般可節(jié)省1/3左右的時(shí)間，且無需電火花加工、無需數(shù)控銑削、無需專用工裝，復(fù)雜的模具型腔可直接根據(jù)RPM原型制造出來，而且制造成本低。這是對(duì)多品種、小批量的生產(chǎn)模式和快速變化的市場(chǎng)需求強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是很有發(fā)展前景的綠色制造工藝。

3 模具的綠色包裝、維護(hù)、回收和再處理綠色包裝包括包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、包裝材料的選擇和包裝材料的回收。包裝箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)合理，以達(dá)到簡(jiǎn)化包裝的目的；應(yīng)盡量選擇無毒無害、易回收易降解的綠色包裝材料；在包裝箱上注明包裝材料的可回收性標(biāo)志及回收處理方式等。

模具的綠色維護(hù)方面。修模時(shí)盡可能采用人工修模，不用或少用機(jī)加工；不用或少用有害環(huán)境的溶液處理模具表面，如甲醇、鹽酸等。

模具綠色回收與再處理方面。在模具設(shè)計(jì)和制造階段就注意貫穿模具可拆卸性和可回收性綠色理念，使得：模具在使用過程中某個(gè)零件損壞時(shí)可以更換；對(duì)于可用部分拆下并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修加工，可以用于新模具上；有些模具甚至只要更換凸凹模就是一副不同的模具，可以生產(chǎn)新的產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

綠色制造是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式，也是模具發(fā)展的必然趨勢(shì)，應(yīng)引起人們的重視和自覺應(yīng)用。模具綠色設(shè)計(jì)與制造可減少對(duì)環(huán)境造成的污染、縮短模具制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本，推動(dòng)模具行業(yè)快速發(fā)展。雖然現(xiàn)階段有些綠色制造工藝和技術(shù)，由于其本身還有需要完善之處等種種原因而不能全面施行和應(yīng)用，但有理由相信，綠色制造將在不久的將來大顯身手。

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（上接第43頁）

口和FANUC LADDER-Ⅲ軟件，通過CNC系統(tǒng)側(cè)與 技能緊缺人才奠定了基礎(chǔ)。本文所述的這種基于軟件側(cè)關(guān)鍵參數(shù)的正確設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了PMC數(shù)據(jù)備份 FANUC LADDER-Ⅲ的PMC數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)的方與恢復(fù)，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的提高，為培養(yǎng)高 法對(duì)數(shù)控機(jī)床裝調(diào)維修具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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