基于绿色设计理念下的模具设计与制造

李小明

（四川职业技术学院 机械工程系，四川 遂宁 629000）

工业革命后，工业设计过度的商业化，加速了资源、能源的消耗，人类对地球的生态平衡造成了极大的破坏。20世纪70年代“能源危机爆发”，使得设计师们必须重新思考自己的社会责任和伦理价值，绿色设计理念应运而生。随着全球经济的高速发展，人类可利用的自然资源、能源不断减少，甚至某些资源已经枯竭，为人类可持续发展，为子孙后代寻求生存空间，地球人必须走出一条人与自然和谐可持续发展之路。

今天，以“高投入、高消耗、高污染、低水平、低效益”为特征的经济增长方式仍占我国经济发展的主导地位，其中制造业及其产品的能耗约占全国能耗的2/3。高消耗将导致对资源的高依赖，将成为制约中国制造业发展的瓶颈，也给国家的能源和资源安全带来严峻挑战。近年来，国家大力倡导构建节约型、低碳环保型社会，“绿色经济”、“绿色发展”、“绿色社会”，各种提法比比皆是。制造业中，新能源汽车的出现，LED灯的使用等等都显示着社会在走绿色经济发展之路，然而模具工业作为国家重要的基础产业，模具是重要的工艺装备，由模具生产的产品占整个工业产品的80%，现代工业产品更新换代极快，一旦这些产品退市停产，将会导致大量模具进入退役或精神报废状态，只等报废回炉，由此造成很大的资源浪费，笔者结合现代先进设计方法绿色设计谈谈模具的设计与制造。

1 绿色设计与绿色模具的含义

绿色设计（Green Design）,又称生态设计（Ecological Design,Eco-design）、面向环境的设计（Design for Environment,DFE）、可持续设计（Sustainable Design）、产品生命周期设计（Product Life Cycle Design）等。国内外对绿色设计定义很多，可归纳为：绿色设计是基于环境意识和可持续发展思想，在产品整个生命周期设计中考虑双重属性，即坏境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等）和基本属性（功能、质量、寿命、成本等）的一种机械产品现代系统设计方法。

绿色模具是指在模具设计之初结合绿色设计理念，以模具的环境属性为设计目标，从材料、结构、寿命，制造及模具回收报废方面考虑模具对环境资源的影响下所设计制造出来的模具。

2 模具绿色设计与绿色制造的内容

2.1 模具绿色设计

（1）模具绿色结构。在结构设计时，主要以面向拆卸（Design For Disassemly,DFD）和再循环（Design For Recycling,DFR为设计目标。如模具中易损零件，为方便快速维护和更换应采用面向产品维修（Design For Disassemly,DFD）的设计，因此设计时多采用可拆卸连接的镶拼结构，尽量避免整体结构，以免拆卸时只能采用破坏性的拆卸方式，所以应少用焊接、铆接等方式；另外，为保证某些模具零件（模架）的通用、互换、共用、重复使用等要求，零件应设计成通用标准型结构，尽量系列化。类似设计已经得到应用，如级进模中常采用共用模架双料带结构（成都正欣模具），塑料模也是如此，某系列酒瓶盖产品的多副模具共用模架（四川隆鑫科技）。

（2）模具绿色材料。绿色材料是绿色模具又一主题，也是实现绿色制造的前提，涉及范围广，包括绿色材料的生产，绿色材料的选用，绿色材料的加工，绿色材料的管理等方面。模具零件不同于一般的机械零件，模具是生产其它机械产品的工具，工作时常处于高温、高压、高速状态，同时要求模具具有长寿命、耐磨损、耐腐蚀等特点，正是这一原因，在绿色模具材料选择上仍然存在困难，既要兼顾传统设计注重材料的技术性和经济性要求，又要考虑模具的绿色程度，在绿色设计中材料选择应遵循环境协调性原则，也称为3R 1D原则，即Reduce减量化、Reuse回收重用、Recycle循环再生和Degradable可降解。在材料管理方面，企业应该制定“绿色采购”计划，优先选用具有绿色标示的材料，即从企业社会责任高度考虑材料的使用。

（3）模具绿色技术。在模具设计时，除从模具结构、材料选取考虑绿色度以外，还要注意对当前绿色技术的引进和应用。例如在塑料模中全面采用热流道技术，避免料头产生，节约原料，从而避免对料头的回收、粉碎等二次处理，精简人员、设备和工艺。模具企业还应加强C A X平台建设，实现无图纸作业，实现模具设计、制造、管理的一体化和并行工程的应用，以提高工作效率和缩短开发周期。

2.2 模具绿色制造内容

广义上，“绿色制造”（Green Manufacturing，GM）研究的范围广，覆盖内容多。本文讨论的绿色制造是指模具零件在生产制造过程中所采用的加工方法和工艺对环境资源产生的影响降为最低的制造模式。绿色模具不仅仅在于模具本身是绿色产品，还要保证其零件的制造过程绿色化，所以制造绿色化是实现绿色模具的根本保证。

模具绿色加工技术。基于模具零件的特殊性（尺寸精度高、表面质量高、材料硬度高、结构复杂且异型），在加工时往往有别于一般机械零件的加工，诸如数控铣、磨削、线切割、电火花成型等加工方法已广泛用于模具制造，这类传统加工基本都属于湿式加工，即要使用切削液，切削废液任意排放会对环境和人体造成污染和损害；又如电加工中，电极材料损耗会消耗资源，成型时油雾的排放会污染空气，增加皮肤病和呼吸系统疾病发生，所以模具零件要实现绿色制造，还有待于一些新技术，新工艺的出现。目前模具行业具有代表性的绿色制造技术有以下几种：①洁净加工技术。它是指在加工过程中，不用或少用切削液（干切削、准干切削、绿色湿式切削），以避免切削液对环境的污染，实现加工方式从传统的大量使用切削液向绿色少、无切削液使用转变，达到高效切削、节能减排、绿色环保的目标。目前国外已经出现干车削、干铣削加工，国内也有不少学者进行研究。②快速原型制造(RPM)。它是基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造的技术，它改变了传统的材料去除或材料变形方法生产零件，实现无屑加工，节约材料，往往逆向工程（R E）技术配合使用。③高速切削(HSC/HSM)。模具制造业是高速加工应用的重要领域。模具型腔所用材料硬度高，故常用电加工加工，但其加工效率低且有电极消耗，高速切削具有加工效率高，切削表面质量好，可切削高硬度（60H R C）材料等特点，所以可用高速切削代替部分电加工，提高生产效率，节约电极材料，降低成本。④虚拟制造技术（VM）。虚拟制造是在“实际制造”之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测的方法，它是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用。如冲压模中的拉深工艺模拟分析，塑料模中的模流分析等等，通过虚拟现实预测产品性能，降低材料消耗，节约制造成本，缩短产品开发周期。

除上述介绍的几种先进绿色制造技术以外，目前还有譬如绿色铸造技术、绿色热处理技术、绿色冷却润滑技术，绿色表面处理技术、绿色工艺规划技术等，在这里就不再一一阐述。

3 结语

绿色发展是未来世界经济发展的重要方向，绿色产品可能成为未来世界商品市场的主导，绿色消费也趋于主流。一方面，世界主要经济体积极推进绿色计划，绿色经济体系逐渐构建完善，我国加入WT O后，面临日益严峻贸易技术壁垒的挑战，技术性贸易壁垒（Technical Barriersto Trade，TBT）从早期的安全、标志、性能等方面延伸到资源和能源节约、再生利用、保护环境等领域，对我国形成了绿色壁垒。例如：欧盟相继制定了机床环境评价与能效检测标准(ISO/TC39/WG12)、非道路用柴油机排放标准EUS tageⅢA及ⅢB、家电产品有毒有害物质（ROHS）、回收（WEEE）、能效（EuP）等指令；日本制定了环境保护法规及相应的标准，以及美国的电机、空调能效标准等，对我国机电产品出口贸易带来了严峻的挑战。另一方面，为减少对自然生态的破坏，实现人类社会的可持续发展，达到人与自然和平共处的目标，制造业必须要走绿色发展之路，模具作为制造业的重要工艺装备，占很大比重，世界各国又都视模具为各国经济发展的重要动力，所以要实现“绿色社会”，发展“绿色经济”，模具从设计、制造、生产、回收再利用整个生命过程中都必须加入绿色理念。这也是我国模具工业和世界模具工业发展的必然趋势。

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