冲压模具的绿色制造（二）

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转发自： 108 机电技术 2018年8月

作者：李云妹谢祖华

（福建船政交通职业学院机械工程系，福建福州 350007）

从模具设计阶段就要开始考虑绿色制造问题。绿色设计奠定了绿色制造的基础。

1.1 冲压模具材料的选择

冲压模具设计的第一步是选定模具材料。为达到绿色设计的目的，所选用的材料应当是易加工、成本低、加工过程能耗低且污染少或无污染的材料；而且要求可重复多次使用、易于回收处理或可降解的材料。虽然能制造冲压模具的材料种类很多，但目前完全满足这些条件的冲模材料还几乎没有，还有待进一步开发；目前只能选择尽量符合上述条件的材料。

1.2 延长冲压模具使用寿命的设计

实现绿色制造的重要手段之一是延长模具使用寿命。对于冲压模具，模具间隙的合理选择尤为重要，在满足冲压件技术要求的前提下，应尽量选择较大的模具间隙，这样可大大提高冲压模具使用寿命，有时寿命能提高几倍甚至几十倍。对于小孔冲孔模，最常见的模具失效形式是细小凸模折弯或折断，因此：设计时应尽量缩短凸模的长度；或设计时增加凸模护套，这样冲孔时凸模除了伸入冲压板料的一段长度以外，其余部分均可得到护套的不间断的导向，从而增加了凸模刚度、减少了凸模弯曲和折断的可能、延长了模具使用寿命。对于精密冲裁模，应特别注意模具导向机构的精度；可靠和高精度的导向可减少凸凹模的磨损和啃伤，延长模具寿命。此外，模具压力中心和上下模板的刚性对模具寿命也有影响。

1.3 模具零件的标准化

模具零件的标准化比例越高，模具中要设计的零件就越少，这样可节省设计时间，而且：标准化的零件可直接购买，缩短了模具制造周期；标准化的零件都是由专业厂大批量生产，有利于保证质量、降低成本，使有限的资源得到优化配置，实现模具的绿色制造。目前我国已颁布了冷冲模模架、冷冲模模柄、冷冲模导正销、冷冲模废料切刀等多项冷冲模具零部件的国家标准，专业化生产正处于积极组织和实施中。但总的来说，我国冲压模具的标准化和专业化生产水平与发达国家相比还处于较低水平：我国模具标准件使用覆盖率

作者简介：李云妹（1963—），女，副教授，硕士，主要从事机械设计与制造研究。谢祖华（1963—），男，副教授，硕士，主要从事机械设计与制造研究。

第4期李云妹等：冲压模具的绿色制造 109

才达到 30%~40%，而发达国家达到 70%~80%。

因此这方面还有许多工作要做。

2 冲压模具的绿色制造加工工艺

绿色加工工艺是指生产效率高；加工过程能量消耗低；能改善劳动条件，减少对操作人员的健康危害、对环境影响又相对较小的工艺技术[2]。要实现绿色制造，一方面优化目前的加工工艺，另一方面采用先进的模具加工技术。这些加工技术如下：

2.1 超高速加工技术

超高速加工技术是指利用高自动化、高柔性和高精度的能实现高速运动的制造设备，采用超硬切削刀具或磨具，以超高切削速度来提高材料切除率，达到高加工精度和质量的先进加工技术[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规的5～10倍以上的切削加工称为超高速切削。超高速切削时，切屑为碎片状而不是普通切削的带状，95%的切削热被切屑带走，切削力降低30%；此外，超高速切削时设备的激振频率特别高，其频率范围远离了“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率，因此机床工作平稳，加工的工件精度极高、表面质量极好、工件表面残余应力极小，可直接达到精加工要求，材料切除率相应提高若干倍[3]。与超高速切削一样，超高速磨削具有效率极高、磨削力极小、磨出的工件表面粗糙度值极低、砂轮寿命长等优点。因此，超高速加工可以提高加工工件质量和生产率、节约能耗，是一个很好的绿色加工工艺。

2.2 干切削技术

干切削加工是指加工过程中不用或仅用微量切削液，这是一种从环境污染源头上进行控制的清洁环保新型绿色制造技术。干切削加工技术不仅没有切削液对环境的污染，而且省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置和费用，简化了生产系统、降低了产品生产成本，形成的切屑又干净、清洁、无污染，便于回收和处理。

干切削时没有切削液的冷却，刀具温度比湿切削高得多，因此：刀具材料应具有良好热硬性和高温韧性、高的耐磨性和抗粘结性能、低的摩擦系数；刀具的几何形状要适合干切削的特点，槽型应保证排屑流畅、易于散热。目前，干切削刀具主要使用超细颗粒硬质合金、立方氮化硼、聚晶金刚石、SiC 晶须增韧陶瓷及纳米陶瓷等材料制造。此外，对刀具进行涂层处理，也能大大提高刀具性能。涂层可以是单层的，也可以是多层的复合涂层；不同的涂层可使刀具获得不同的性能，主要有可提高刀具硬度和耐磨性、提高抗“月牙洼”磨损的能力、降低摩擦系数、减少切削力和降低切削温度等。

干切削已成为绿色制造工艺研究的一个热点，德、日美等工业发达国家无论是刀具还是设备研究都取得了重要成果，并已成功应用于生产领域。我国在这方面的研究起步较晚，虽然取得了一些成果，但总体而言比发达国家还存在较大差距，有待进一步研究和推广应用。

2.3 基于快速原型制造技术的快速模具（RT）制造技术

快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）是20世纪80年代末期迅速崛起的一种先进制造技术。其原理是：设计人员通过 CAD将设计思想进行三维实体造型；然后对三维实体沿给定方向二维切片，并根据各截面层形成二维数据；之后快速成形系统根据切片的轮廓形状和厚度要求，用液体、丝材、片材、粉末或制成薄片，通过固化、熔接、黏结、烧结等方式，将材料一片一片“堆积、叠压”，从而快速完成三维实体的原型制造。

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目前这种基于快速原型制造技术的快速模具（Rapid tooling，RT）制造方法有直接制模法和间接制模法。直接制模法就是用上述快速原型制造技术制造模具，虽然其具有加工过程无需刀具和工装夹具、材料利用率极高、制造速度快、制造费用低等优点，但受到使用材料的限制，目前使用不多。间接制造法是先通过快速原型制造技术（RPM）制作母模，然后通过一次或多次转换的方法制成模具型腔。目前各种间接制模工艺比较成熟，使用较多。依据制模材料的不同，间接制模法制造的模具可分为硬质模具和软质模具两种类型。硬质模具一般指钢质模具，虽然制造难度较高，但使用寿命较长；利用RPM原型制作钢质模具的主要方法有电火花加工法、熔模铸造法、陶瓷型精密铸造法等。制模材料使用环氧树脂、硅橡胶、低熔点合金等的模具称为软质模具，其具有制作周期短、制造成本低的优势，因而特别适用于新产品开发或小批量、多品种、快速改型的场合；目前软质模具的制造方法主要有硅橡胶浇注法、树脂浇注法、电铸法以及金属喷涂法等。

目前基于 RPM 技术的快速模具可用于板料冲压的成形模、拉深模、弯曲模，有的还可用于冲裁模、切边模，特别是在汽车覆盖件冲压成形中应用较多。汽车覆盖件快速模具的成功应用，降低了研发成本、缩短了汽车新产品的研发周期[4-6]。

与传统模具制造技术相比，快速模具制造技术制造周期短，一般可节省1/3左右的时间，且无需电火花加工、无需数控铣削、无需专用工装，复杂的模具型腔可直接根据RPM原型制造出来，而且制造成本低。这是对多品种、小批量的生产模式和快速变化的市场需求强有力的技术支撑，是很有发展前景的绿色制造工艺。

3 模具的绿色包装、维护、回收和再处理绿色包装包括包装结构设计、包装材料的选择和包装材料的回收。包装箱内部结构要设计合理，以达到简化包装的目的；应尽量选择无毒无害、易回收易降解的绿色包装材料；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等。

模具的绿色维护方面。修模时尽可能采用人工修模，不用或少用机加工；不用或少用有害环境的溶液处理模具表面，如甲醇、盐酸等。

模具绿色回收与再处理方面。在模具设计和制造阶段就注意贯穿模具可拆卸性和可回收性绿色理念，使得：模具在使用过程中某个零件损坏时可以更换；对于可用部分拆下并进行适当的维修加工，可以用于新模具上；有些模具甚至只要更换凸凹模就是一副不同的模具，可以生产新的产品。

4 结束语

绿色制造是现代制造业的可持续发展模式，也是模具发展的必然趋势，应引起人们的重视和自觉应用。模具绿色设计与制造可减少对环境造成的污染、缩短模具制造周期、提高产品质量、降低制造成本，推动模具行业快速发展。虽然现阶段有些绿色制造工艺和技术，由于其本身还有需要完善之处等种种原因而不能全面施行和应用，但有理由相信，绿色制造将在不久的将来大显身手。

参考文献：

[1] 刘飞. 21世纪制造业的绿色变革与创新[J]. 机械工程学报，2000，36（l）：7-10.

[2] 汪劲松，段广洪，李方义，等. 基于产品生命周期的绿色制造技术研究现状与展望[J]. 计算机集成制造系统CIMS，1999，

5（4）：1-8.

[3] 周文，尹存涛，等. 机械制造工艺[M]. 北京：北京师范大学出版社，2008.

[4] 樊延良，刘敬平，王斌修. 基于RP技术的快速模具在板料冲压中的应用[C]//2005年中国机械工程学会年会第11届全国特种加工学术会议专辑. 2005：362-365.

[5] 徐达，宋玉华，张人佶，等. 基于快速成形技术的汽车覆盖件金属模具制造[J]. 清华大学学报（自然科学版），2000，40

（5）：1-4.

[6] 胡仲勋，周海萍. 汽车覆盖件模具的快速制造技术探析[J]. 模具技术，2004（3）：60-62.

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（上接第43页）

口和FANUC LADDER-Ⅲ软件，通过CNC系统侧与技能紧缺人才奠定了基础。本文所述的这种基于软件侧关键参数的正确设定，实现了PMC数据备份 FANUC LADDER-Ⅲ的PMC数据备份与恢复的方与恢复，促进了学生实践动手能力的提高，为培养高法对数控机床装调维修具有一定的实用价值。