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轉發自： 108 機電技術 2018年8月

作者：李云妹 謝祖華

（福建船政交通職業學院機械工程系，福建福州 350007）

從模具設計階段就要開始考慮綠色制造問題。綠色設計奠定了綠色制造的基礎。

1.1 沖壓模具材料的選擇

沖壓模具設計的第一步是選定模具材料。為達到綠色設計的目的，所選用的材料應當是易加工、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，還有待進一步開發；目前只能選擇盡量符合上述條件的材料。

1.2 延長沖壓模具使用壽命的設計

實現綠色制造的重要手段之一是延長模具使用壽命。對于沖壓模具，模具間隙的合理選擇尤為重要，在滿足沖壓件技術要求的前提下，應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，有時壽命能提高幾倍甚至幾十倍。對于小孔沖孔模，最常見的模具失效形式是細小凸模折彎或折斷，因此：設計時應盡量縮短凸模的長度；或設計時增加凸模護套，這樣沖孔時凸模除了伸入沖壓板料的一段長度以外，其余部分均可得到護套的不間斷的導向，從而增加了凸模剛度、減少了凸模彎曲和折斷的可能、延長了模具使用壽命。對于精密沖裁模，應特別注意模具導向機構的精度；可靠和高精度的導向可減少凸凹模的磨損和啃傷，延長模具壽命。此外，模具壓力中心和上下模板的剛性對模具壽命也有影響。

1.3 模具零件的標準化

模具零件的標準化比例越高，模具中要設計的零件就越少，這樣可節省設計時間，而且：標準化的零件可直接購買，縮短了模具制造周期；標準化的零件都是由專業廠大批量生產，有利于保證質量、降低成本，使有限的資源得到優化配置，實現模具的綠色制造。目前我國已頒布了冷沖模模架、冷沖模模柄、冷沖模導正銷、冷沖模廢料切刀等多項冷沖模具零部件的國家標準，專業化生產正處于積極組織和實施中。但總的來說，我國沖壓模具的標準化和專業化生產水平與發達國家相比還處于較低水平：我國模具標準件使用覆蓋率

作者簡介：李云妹（1963—），女，副教授，碩士，主要從事機械設計與制造研究。謝祖華（1963—），男，副教授，碩士，主要從事機械設計與制造研究。

第4期 李云妹等：沖壓模具的綠色制造 109

才達到 30%~40%，而發達國家達到 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效率高；加工過程能量消耗低；能改善勞動條件，減少對操作人員的健康危害、對環境影響又相對較小的工藝技術[2]。要實現綠色制造，一方面優化目前的加工工藝，另一方面采用先進的模具加工技術。這些加工技術如下：

2.1 超高速加工技術

超高速加工技術是指利用高自動化、高柔性和高精度的能實現高速運動的制造設備，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，達到高加工精度和質量的先進加工技術[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的5～10倍以上的切削加工稱為超高速切削。超高速切削時，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，超高速切削時設備的激振頻率特別高，其頻率范圍遠離了“機床-刀具-工件”工藝系統的固有頻率，因此機床工作平穩，加工的工件精度極高、表面質量極好、工件表面殘余應力極小，可直接達到精加工要求，材料切除率相應提高若干倍[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、砂輪壽命長等優點。因此，超高速加工可以提高加工工件質量和生產率、節約能耗，是一個很好的綠色加工工藝。

2.2 干切削技術

干切削加工是指加工過程中不用或僅用微量切削液，這是一種從環境污染源頭上進行控制的清潔環保新型綠色制造技術。干切削加工技術不僅沒有切削液對環境的污染，而且省去了與切削液有關的傳輸、過濾、回收等裝置和費用，簡化了生產系統、降低了產品生產成本，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：刀具材料應具有良好熱硬性和高溫韌性、高的耐磨性和抗粘結性能、低的摩擦系數；刀具的幾何形狀要適合干切削的特點，槽型應保證排屑流暢、易于散熱。目前，干切削刀具主要使用超細顆粒硬質合金、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，對刀具進行涂層處理，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、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熱點，德、日美等工業發達國家無論是刀具還是設備研究都取得了重要成果，并已成功應用于生產領域。我國在這方面的研究起步較晚，雖然取得了一些成果，但總體而言比發達國家還存在較大差距，有待進一步研究和推廣應用。

2.3 基于快速原型制造技術的快速模具（RT）制造技術

快速原型制造技術（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）是20世紀80年代末期迅速崛起的一種先進制造技術。其原理是：設計人員通過 CAD將設計思想進行三維實體造型；然后對三維實體沿給定方向二維切片，并根據各截面層形成二維數據；之后快速成形系統根據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、燒結等方式，將材料一片一片“堆積、疊壓”，從而快速完成三維實體的原型制造。

110 機電技術 2018年8月

目前這種基于快速原型制造技術的快速模具（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、制造費用低等優點，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（RPM）制作母模，然后通過一次或多次轉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。依據制模材料的不同，間接制模法制造的模具可分為硬質模具和軟質模具兩種類型。硬質模具一般指鋼質模具，雖然制造難度較高，但使用壽命較長；利用RPM原型制作鋼質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。制模材料使用環氧樹脂、硅橡膠、低熔點合金等的模具稱為軟質模具，其具有制作周期短、制造成本低的優勢，因而特別適用于新產品開發或小批量、多品種、快速改型的場合；目前軟質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用較多。汽車覆蓋件快速模具的成功應用，降低了研發成本、縮短了汽車新產品的研發周期[4-6]。

與傳統模具制造技術相比，快速模具制造技術制造周期短，一般可節省1/3左右的時間，且無需電火花加工、無需數控銑削、無需專用工裝，復雜的模具型腔可直接根據RPM原型制造出來，而且制造成本低。這是對多品種、小批量的生產模式和快速變化的市場需求強有力的技術支撐，是很有發展前景的綠色制造工藝。

3 模具的綠色包裝、維護、回收和再處理綠色包裝包括包裝結構設計、包裝材料的選擇和包裝材料的回收。包裝箱內部結構要設計合理，以達到簡化包裝的目的；應盡量選擇無毒無害、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志及回收處理方式等。

模具的綠色維護方面。修模時盡可能采用人工修模，不用或少用機加工；不用或少用有害環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。在模具設計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零件損壞時可以更換；對于可用部分拆下并進行適當的維修加工，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，可以生產新的產品。

4 結束語

綠色制造是現代制造業的可持續發展模式，也是模具發展的必然趨勢，應引起人們的重視和自覺應用。模具綠色設計與制造可減少對環境造成的污染、縮短模具制造周期、提高產品質量、降低制造成本，推動模具行業快速發展。雖然現階段有些綠色制造工藝和技術，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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[6] 胡仲勛，周海萍. 汽車覆蓋件模具的快速制造技術探析[J]. 模具技術，2004（3）：60-62.

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（上接第43頁）

口和FANUC LADDER-Ⅲ軟件，通過CNC系統側與 技能緊缺人才奠定了基礎。本文所述的這種基于軟件側關鍵參數的正確設定，實現了PMC數據備份 FANUC LADDER-Ⅲ的PMC數據備份與恢復的方與恢復，促進了學生實踐動手能力的提高，為培養高 法對數控機床裝調維修具有一定的實用價值。

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