CAE綠色模具設(shè)計可行性探析

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摘要：課題組結(jié)合現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計方法，分析了國內(nèi)現(xiàn)有綠色模具設(shè)計的理念，探討了利用cae技術(shù)進行綠色模具設(shè)計的理論研究。研究結(jié)果表明：CAE技術(shù)的綠色模具設(shè)計，可縮短模具開發(fā)周期，提高模具壽命和零件的質(zhì)量，提高可回收性，降低了成本和對環(huán)境的污染，提高了產(chǎn)品競爭力，是模具行業(yè)發(fā)展的必由之路。

關(guān)鍵詞：綠色模具；綠色設(shè)計；CAE

模具作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)行業(yè)應(yīng)用范圍非常廣泛，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種、需求相對穩(wěn)定時期已經(jīng)進入到小批量、多品種、快變化的新時代。而傳統(tǒng)模具開發(fā)周期長、成本高、難以重復(fù)使用與回收等缺點，決定了傳統(tǒng)的設(shè)計方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。因此，模具從設(shè)計、制造、生產(chǎn)、回收再利用整個流程中進行綠色設(shè)計勢在必行。

1傳統(tǒng)模具設(shè)計

國家大力倡導(dǎo)構(gòu)建節(jié)約型、低碳環(huán)保型社會，模具工業(yè)作為國家重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，被喻為“工業(yè)之母”。模具是重要的工藝裝備，由模具生產(chǎn)的產(chǎn)品占整個工業(yè)產(chǎn)品的比重非常大。一方面，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代極快，一旦這些產(chǎn)品退市停產(chǎn)，將會導(dǎo)致大量模具進入退役或技術(shù)報廢狀態(tài)，只等報廢回爐，由此造成很大的資源浪費。另一方面，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種、需求相對穩(wěn)定時期已經(jīng)進入到小批量、多品種、快變化的新時代，而傳統(tǒng)模具開發(fā)周期長、成本高、難以重復(fù)使用、極難回收等缺點，不僅在時間上無法滿足快速變化情況，而且成本也高，模具廢棄的數(shù)量也非常多。此外，傳統(tǒng)模具設(shè)計理念僅僅將模具質(zhì)量和功能作為首要考慮的因素，往往忽視了模具產(chǎn)品對環(huán)境的影響，更沒有將模具的回收再利用體現(xiàn)在模具設(shè)計中。

2綠色模具設(shè)計

模具的綠色設(shè)計是通過利用綠色設(shè)計原則提升模具的生態(tài)環(huán)保屬性，并從模具的應(yīng)用材料、加工工藝及后續(xù)回收再利用等多角度進行全面優(yōu)化調(diào)整，以最大程度地降低模具制造加工帶來的資源浪費和環(huán)境污染，形成兼顧生態(tài)效益的綠色模具產(chǎn)品。綠色技術(shù)在保證模具質(zhì)量性能和使用壽命的基礎(chǔ)上合理利用環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念，形成符合新發(fā)展階段生態(tài)要求的模具設(shè)計生產(chǎn)模式[1-2]。模具的綠色設(shè)計主要表現(xiàn)在以下3個方面：1）提升可循環(huán)利用程度。德國模具零部件的標準化程度相當(dāng)高，在模具出現(xiàn)故障的情況下可以快速高效更換零部件，縮短模具設(shè)計的時間；國內(nèi)模具零部件的標準化程度相對不高，因此保證模具零部件的可換性及通用性才能保證模具可循環(huán)利用，從而達到綠色設(shè)計的目標。2）提升模具的環(huán)保性能?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代極快，產(chǎn)品的更新及升級必然導(dǎo)致模具報廢，報廢的模具可以在可循環(huán)利用的基礎(chǔ)上進行回收再利用，因此模具在設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)考慮模具材料的環(huán)保性能，這樣才可以更好地可循環(huán)利用。國內(nèi)冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼占主導(dǎo)地位，還有一些特種模具鋼材料，但傳統(tǒng)的材料在重復(fù)利用時多采用化學(xué)處理方法，對環(huán)境會產(chǎn)生污染，綠色模具設(shè)計過程需要采用物理的處理方法使材料達到易于脫模、防腐及重復(fù)利用的效果。3）降低模具噪聲污染。傳統(tǒng)的模具制造過程中會產(chǎn)生持續(xù)的噪聲污染，很少考慮模具制造對工人及環(huán)境的噪聲污染，綠色模具設(shè)計可以增設(shè)消音裝置，或增加降噪材料以達到消除噪聲污染的目的[3]。

3國內(nèi)外綠色模具設(shè)計研究現(xiàn)狀

楊德安在關(guān)于綠色制造理念下的模具設(shè)計探討中提到，模具設(shè)計理念要體現(xiàn)可行性，首先考慮是否“有用”，其次考慮是否“能用”，最后考慮是否能夠“回收再用”，“有用—能用—再用”是綠色制造理念的核心和宗旨[4]。李小明在基于綠色設(shè)計理念下的模具設(shè)計與制造中，提到模具綠色設(shè)計需要從模具綠色結(jié)構(gòu)、模具綠色材料及模具綠色技術(shù)3個方面著手，其中模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時需以可拆卸和再循環(huán)為目標，模具材料從材料的選用、加工及管理3個方面著手，模具技術(shù)需要加強CAD、CAM、CAE及CAPP平臺建設(shè)，實現(xiàn)無圖紙作業(yè)及模具設(shè)計、制造、管理的一體化和并行工程的應(yīng)用，以提高工作效率和縮短開發(fā)周期[5]。朱俊杰在基于綠色制造理念的注塑模具設(shè)計與制造工藝中提到快速成型技術(shù)（RE）、3D打印技術(shù)、綠色熱處理等技術(shù)是在注重環(huán)境保護的情況下，盡可能以消耗最少的資源來發(fā)展經(jīng)濟，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)兩者共贏，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[6]。路少磊等在汽車門鉸鏈沖壓模具CAD/CAM綠色制造技術(shù)應(yīng)用中以汽車門鉸鏈為研究對象，以CAD/CAM技術(shù)完成汽車門鉸鏈模具零部件的綠色設(shè)計及加工，設(shè)計過程采用雙降解塑料薄膜、蜂窩紙板材料作為綠色包裝材料，以分類拆卸、二次利用的方式實現(xiàn)汽車門鉸鏈模具的回收與處理，最終實現(xiàn)沖壓模具的綠色設(shè)計與制造[7]。盧錫錦在以綠色理念為導(dǎo)向的模具設(shè)計與制造研究中提到從模具框架、模具材料及模具降噪3個方面體現(xiàn)模具設(shè)計理念，從潔凈綠色處理、快速原型制造、高速切削技術(shù)及逆向工程技術(shù)4個方面談到模具制造中的綠色技術(shù)。此外，國外早已開始綠色模具設(shè)計及綠色模具制造研究，并且取得了很好的效果，無人化沖壓車間的建立、智能模具的應(yīng)用都是很好的應(yīng)用實例。

4現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計方法

與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計模式的不同，現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計首先制定方案，其次進行設(shè)計計算，再次應(yīng)用CAD技術(shù)建立模型，最后利用CAE技術(shù)對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)分析、可行性分析及工藝分析。CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計走向全盤自動化的重大措施。一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)可實現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和管理，節(jié)約了資源，可縮短產(chǎn)品設(shè)計與制造周期；另一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)可實現(xiàn)從產(chǎn)品實物到新實物的快速設(shè)計?，F(xiàn)如今CAE技術(shù)已被廣泛使用到產(chǎn)品分析，目前現(xiàn)有的CAD三維軟件（如Pro/E、Solidworks、 UG等）基本都已集成CAE技術(shù)，同時還有專業(yè)做分析的CAE軟件（如ANSYS、DEFORM、Moldflow等），這些軟件可以模擬材料的流動情況、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及強度剛度、進行抗沖擊實驗?zāi)M、實現(xiàn)材料成型等，使用CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)為實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)提供了實驗平臺。因此，提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短了整個設(shè)計周期，實現(xiàn)了產(chǎn)品的綠色設(shè)計分析。同樣，現(xiàn)代模具設(shè)計過程也是廣泛應(yīng)用CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)進行綠色設(shè)計，尤其在目前CAE技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到模具設(shè)計中。傳統(tǒng)的模具設(shè)計是憑借設(shè)計手冊、設(shè)計人員的經(jīng)驗來進行設(shè)計，但現(xiàn)代產(chǎn)品種類繁多，工藝要求高，利用傳統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗無法應(yīng)對設(shè)計過程中遇到的問題，試模、反復(fù)修模、修改結(jié)構(gòu)等設(shè)計時間長，成本造價高，甚至出現(xiàn)模具報廢現(xiàn)象。將CAE技術(shù)應(yīng)用到模具設(shè)計中，可以在模具設(shè)計時進行輔助分析，對設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，輔助選擇模具工藝參數(shù)，提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，從而可以使設(shè)計的模具在制造階段獲得一次性成功，大大縮短模具設(shè)計及制造周期，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，以便應(yīng)對市場個性化需求的到來。

5CAE技術(shù)在綠色模具設(shè)計中的應(yīng)用

紀永利用CAE分析軟件ANSYS針對不銹鋼真空吸濾網(wǎng)零件沖壓模具進行應(yīng)力及應(yīng)變分析，確定了模具間隙，驗證模具設(shè)計的合理性，降低模具設(shè)計成本和縮短模具設(shè)計周期[8]。曹琪針對鏈板沖壓模具傳統(tǒng)設(shè)計與制造方案進行了分析，利用AutoForm軟件對鏈板沖壓排樣進行了優(yōu)化設(shè)計分析，利用UG針對鏈板模具設(shè)計、裝配、運動仿真及模具設(shè)計優(yōu)化方面的應(yīng)用，模具設(shè)計全程實現(xiàn)無紙化，實現(xiàn)了模具的綠色設(shè)計[9]。劉石柏以工業(yè)鋁型材為研究對象，采用DEFORM-3D和HyperXtrude兩種CAE分析軟件對其擠壓成型過程進行模擬分析，軟件的仿真模擬結(jié)果從型材出口流速均勻性出發(fā)，通過增設(shè)導(dǎo)流槽、合理布置分流孔和調(diào)整工作帶長度等措施，獲得了較為理想的模具結(jié)構(gòu)，同時延長了模具的壽命[10]。課題組在學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于綠色模具設(shè)計的研究基礎(chǔ)之上，以一種汽車零件為研究對象，如圖1所示。首先，利用綠色設(shè)計理念從模具結(jié)構(gòu)出發(fā)對模具進行綠色的設(shè)計；其次，利用SolidWorks繪制模具三維模型；再次，利用CAE分析軟件ANSYS對已設(shè)計的模具進行沖壓成形過程有限元仿真模擬，根據(jù)仿真模擬的結(jié)果對初步設(shè)計的模具得到合理的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后，應(yīng)用得到的參數(shù)值進行實驗，模具壽命及產(chǎn)品質(zhì)量都取得良好的效果。如圖2所示，從仿真數(shù)據(jù)得到模具最佳的圓角半徑、間隙等模具參數(shù)值，利用CAE技術(shù)分析得到的參數(shù)應(yīng)用到實際中是否可行，設(shè)計全過程實現(xiàn)了無紙化設(shè)計，充分體現(xiàn)了綠色模具設(shè)計理念。

6結(jié)語

綜上所述，基于CAE技術(shù)的綠色模具設(shè)計，縮短了模具開發(fā)周期，提高了模具壽命和零件質(zhì)量，降低了開發(fā)成本，提高了可回收性，減少了制造過程中對環(huán)境的污染，提高了產(chǎn)品競爭力。為進一步研究如何有效改進模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和提高模具壽命提供了理論依據(jù)，為后續(xù)模具生產(chǎn)自動化的實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

作者:張巍 朱建康 王婷 單位:武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院 武漢思凱精沖模具有限責(zé)任公司 武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院