CAE綠色模具設(shè)計(jì)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(jì)方法，分析了國內(nèi)現(xiàn)有綠色模具設(shè)計(jì)的理念，探討了利用cae技術(shù)進(jìn)行綠色模具設(shè)計(jì)的理論研究。研究結(jié)果表明：CAE技術(shù)的綠色模具設(shè)計(jì)，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(duì)環(huán)境的污染，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(jì)；CAE

模具作為國民經(jīng)濟(jì)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(duì)穩(wěn)定時(shí)期已經(jīng)進(jìn)入到小批量、多品種、快變化的新時(shí)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(diǎn)，決定了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)、制造、生產(chǎn)、回收再利用整個(gè)流程中進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

1傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)

國家大力倡導(dǎo)構(gòu)建節(jié)約型、低碳環(huán)保型社會(huì)，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(gè)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(huì)導(dǎo)致大量模具進(jìn)入退役或技術(shù)報(bào)廢狀態(tài)，只等報(bào)廢回爐，由此造成很大的資源浪費(fèi)。另一方面，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種、需求相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期已經(jīng)進(jìn)入到小批量、多品種、快變化的新時(shí)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(diǎn)，不僅在時(shí)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(jì)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(duì)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(jì)中。

2綠色模具設(shè)計(jì)

模具的綠色設(shè)計(jì)是通過利用綠色設(shè)計(jì)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(jìn)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(fèi)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(jì)生產(chǎn)模式[1-2]。模具的綠色設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1）提升可循環(huán)利用程度。德國模具零部件的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的時(shí)間；國內(nèi)模具零部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)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(dá)到綠色設(shè)計(jì)的目標(biāo)。2）提升模具的環(huán)保性能。現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代極快，產(chǎn)品的更新及升級(jí)必然導(dǎo)致模具報(bào)廢，報(bào)廢的模具可以在可循環(huán)利用的基礎(chǔ)上進(jìn)行回收再利用，因此模具在設(shè)計(jì)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(shí)多采用化學(xué)處理方法，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生污染，綠色模具設(shè)計(jì)過程需要采用物理的處理方法使材料達(dá)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(huì)產(chǎn)生持續(xù)的噪聲污染，很少考慮模具制造對(duì)工人及環(huán)境的噪聲污染，綠色模具設(shè)計(jì)可以增設(shè)消音裝置，或增加降噪材料以達(dá)到消除噪聲污染的目的[3]。

3國內(nèi)外綠色模具設(shè)計(jì)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(jì)探討中提到，模具設(shè)計(jì)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(jì)理念下的模具設(shè)計(jì)與制造中，提到模具綠色設(shè)計(jì)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(gè)方面著手，其中模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需以可拆卸和再循環(huán)為目標(biāo)，模具材料從材料的選用、加工及管理3個(gè)方面著手，模具技術(shù)需要加強(qiáng)CAD、CAM、CAE及CAPP平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無圖紙作業(yè)及模具設(shè)計(jì)、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(jì)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(hù)的情況下，盡可能以消耗最少的資源來發(fā)展經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)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(duì)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(jì)及加工，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)汽車門鉸鏈模具的回收與處理，最終實(shí)現(xiàn)沖壓模具的綠色設(shè)計(jì)與制造[7]。盧錫錦在以綠色理念為導(dǎo)向的模具設(shè)計(jì)與制造研究中提到從模具框架、模具材料及模具降噪3個(gè)方面體現(xiàn)模具設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(shí)例。

4現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的不同，現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)首先制定方案，其次進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，再次應(yīng)用CAD技術(shù)建立模型，最后利用CAE技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(jì)走向全盤自動(dòng)化的重大措施。一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)可實(shí)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(jì)與制造周期；另一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品實(shí)物到新實(shí)物的快速設(shè)計(jì)?，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(shí)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(dòng)情況、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度剛度、進(jìn)行抗沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M、實(shí)現(xiàn)材料成型等，使用CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)分析。同樣，現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)過程也是廣泛應(yīng)用CAD、CAM、CAE及CAPP技術(shù)進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)，尤其在目前CAE技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到模具設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)是憑借設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)經(jīng)驗(yàn)無法應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)間長，成本造價(jià)高，甚至出現(xiàn)模具報(bào)廢現(xiàn)象。將CAE技術(shù)應(yīng)用到模具設(shè)計(jì)中，可以在模具設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行輔助分析，對(duì)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，輔助選擇模具工藝參數(shù)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而可以使設(shè)計(jì)的模具在制造階段獲得一次性成功，大大縮短模具設(shè)計(jì)及制造周期，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，以便應(yīng)對(duì)市場(chǎng)個(gè)性化需求的到來。

5CAE技術(shù)在綠色模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

紀(jì)永利用CAE分析軟件ANSYS針對(duì)不銹鋼真空吸濾網(wǎng)零件沖壓模具進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析，確定了模具間隙，驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)的合理性，降低模具設(shè)計(jì)成本和縮短模具設(shè)計(jì)周期[8]。曹琪針對(duì)鏈板沖壓模具傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造方案進(jìn)行了分析，利用AutoForm軟件對(duì)鏈板沖壓排樣進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，利用UG針對(duì)鏈板模具設(shè)計(jì)、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真及模具設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的應(yīng)用，模具設(shè)計(jì)全程實(shí)現(xiàn)無紙化，實(shí)現(xiàn)了模具的綠色設(shè)計(jì)[9]。劉石柏以工業(yè)鋁型材為研究對(duì)象，采用DEFORM-3D和HyperXtrude兩種CAE分析軟件對(duì)其擠壓成型過程進(jìn)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(shí)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(jì)的研究基礎(chǔ)之上，以一種汽車零件為研究對(duì)象，如圖1所示。首先，利用綠色設(shè)計(jì)理念從模具結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)模具進(jìn)行綠色的設(shè)計(jì)；其次，利用SolidWorks繪制模具三維模型；再次，利用CAE分析軟件ANSYS對(duì)已設(shè)計(jì)的模具進(jìn)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(duì)初步設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)際中是否可行，設(shè)計(jì)全過程實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了綠色模具設(shè)計(jì)理念。

6結(jié)語

綜上所述，基于CAE技術(shù)的綠色模具設(shè)計(jì)，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(duì)環(huán)境的污染，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。為進(jìn)一步研究如何有效改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)化的實(shí)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