基于CAE绿色模具设计的可行性研究*

2021-11-15朱建康

南方农机 2021年21期

张巍，朱建康，王婷

（1.武昌工学院智能制造学院，湖北武汉 430065；2.武汉思凯精冲模具有限责任公司，湖北武汉 430205；3.武昌工学院智能制造学院，湖北武汉 430065）

模具作为国民经济的基础行业应用范围非常广泛，现代工业生产从大批量、少品种、需求相对稳定时期已经进入到小批量、多品种、快变化的新时代。而传统模具开发周期长、成本高、难以重复使用与回收等缺点，决定了传统的设计方法已无法适应现代工业发展的需要。因此，模具从设计、制造、生产、回收再利用整个流程中进行绿色设计势在必行。

1 传统模具设计

国家大力倡导构建节约型、低碳环保型社会，模具工业作为国家重要的基础产业，被喻为“工业之母”。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比重非常大。一方面，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技术报废状态，只等报废回炉，由此造成很大的资源浪费。另一方面，工业生产从大批量、少品种、需求相对稳定时期已经进入到小批量、多品种、快变化的新时代，而传统模具开发周期长、成本高、难以重复使用、极难回收等缺点，不仅在时间上无法满足快速变化情况，而且成本也高，模具废弃的数量也非常多。此外，传统模具设计理念仅仅将模具质量和功能作为首要考虑的因素，往往忽视了模具产品对环境的影响，更没有将模具的回收再利用体现在模具设计中。

2 绿色模具设计

模具的绿色设计是通过利用绿色设计原则提升模具的生态环保属性，并从模具的应用材料、加工工艺及后续回收再利用等多角度进行全面优化调整，以最大程度地降低模具制造加工带来的资源浪费和环境污染，形成兼顾生态效益的绿色模具产品。绿色技术在保证模具质量性能和使用寿命的基础上合理利用环保和可持续发展理念，形成符合新发展阶段生态要求的模具设计生产模式[1-2]。模具的绿色设计主要表现在以下3个方面：1）提升可循环利用程度。德国模具零部件的标准化程度相当高，在模具出现故障的情况下可以快速高效更换零部件，缩短模具设计的时间；国内模具零部件的标准化程度相对不高，因此保证模具零部件的可换性及通用性才能保证模具可循环利用，从而达到绿色设计的目标。2）提升模具的环保性能。现代工业产品更新换代极快，产品的更新及升级必然导致模具报废，报废的模具可以在可循环利用的基础上进行回收再利用，因此模具在设计环节应考虑模具材料的环保性能，这样才可以更好地可循环利用。国内冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢占主导地位，还有一些特种模具钢材料，但传统的材料在重复利用时多采用化学处理方法，对环境会产生污染，绿色模具设计过程需要采用物理的处理方法使材料达到易于脱模、防腐及重复利用的效果。3）降低模具噪声污染。传统的模具制造过程中会产生持续的噪声污染，很少考虑模具制造对工人及环境的噪声污染，绿色模具设计可以增设消音装置，或增加降噪材料以达到消除噪声污染的目的[3]。

3 国内外绿色模具设计研究现状

杨德安在关于绿色制造理念下的模具设计探讨中提到，模具设计理念要体现可行性，首先考虑是否“有用”，其次考虑是否“能用”，最后考虑是否能够“回收再用”，“有用—能用—再用”是绿色制造理念的核心和宗旨[4]。李小明在基于绿色设计理念下的模具设计与制造中，提到模具绿色设计需要从模具绿色结构、模具绿色材料及模具绿色技术3个方面着手，其中模具结构设计时需以可拆卸和再循环为目标，模具材料从材料的选用、加工及管理3个方面着手，模具技术需要加强CAD、CAM、CAE及CAPP平台建设，实现无图纸作业及模具设计、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[5]。朱俊杰在基于绿色制造理念的注塑模具设计与制造工艺中提到快速成型技术（RE）、3D打印技术、绿色热处理等技术是在注重环境保护的情况下，尽可能以消耗最少的资源来发展经济，实现经济和环境协调发展，实现两者共赢，符合可持续发展的要求[6]。路少磊等在汽车门铰链冲压模具CAD/CAM绿色制造技术应用中以汽车门铰链为研究对象，以CAD/CAM技术完成汽车门铰链模具零部件的绿色设计及加工，设计过程采用双降解塑料薄膜、蜂窝纸板材料作为绿色包装材料，以分类拆卸、二次利用的方式实现汽车门铰链模具的回收与处理，最终实现冲压模具的绿色设计与制造[7]。卢锡锦在以绿色理念为导向的模具设计与制造研究中提到从模具框架、模具材料及模具降噪3个方面体现模具设计理念，从洁净绿色处理、快速原型制造、高速切削技术及逆向工程技术4个方面谈到模具制造中的绿色技术。此外，国外早已开始绿色模具设计及绿色模具制造研究，并且取得了很好的效果，无人化冲压车间的建立、智能模具的应用都是很好的应用实例。

4 现代产品设计方法

与传统产品设计模式的不同，现代产品的设计首先制定方案，其次进行设计计算，再次应用CAD技术建立模型，最后利用CAE技术对产品进行结构分析、可行性分析及工艺分析。CAD、CAM、CAE及CAPP技术是现代产品设计走向全盘自动化的重大措施。一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技术可实现少图纸或无图纸加工和管理，节约了资源，可缩短产品设计与制造周期；另一方面，CAD、CAM、CAE及CAPP技术可实现从产品实物到新实物的快速设计。现如今CAE技术已被广泛使用到产品分析，目前现有的CAD三维软件（如Pro/E、Solidworks、 UG等）基本都已集成CAE技术，同时还有专业做分析的CAE软件（如ANSYS、DEFORM、Moldflow等），这些软件可以模拟材料的流动情况、分析产品结构及强度刚度、进行抗冲击实验模拟、实现材料成型等，使用CAD、CAM、CAE及CAPP技术为实现产品设计开发提供了实验平台。因此，提高了产品的设计效率，缩短了整个设计周期，实现了产品的绿色设计分析。

同样，现代模具设计过程也是广泛应用CAD、CAM、CAE及CAPP技术进行绿色设计，尤其在目前CAE技术越来越广泛地应用到模具设计中。传统的模具设计是凭借设计手册、设计人员的经验来进行设计，但现代产品种类繁多，工艺要求高，利用传统的设计经验无法应对设计过程中遇到的问题，试模、反复修模、修改结构等设计时间长，成本造价高，甚至出现模具报废现象。将CAE技术应用到模具设计中，可以在模具设计时进行辅助分析，对设计的模具结构进行优化设计，辅助选择模具工艺参数，提升产品设计质量，从而可以使设计的模具在制造阶段获得一次性成功，大大缩短模具设计及制造周期，加快产品的开发速度，以便应对市场个性化需求的到来。

5 CAE技术在绿色模具设计中的应用

纪永利用CAE分析软件ANSYS针对不锈钢真空吸滤网零件冲压模具进行应力及应变分析，确定了模具间隙，验证模具设计的合理性，降低模具设计成本和缩短模具设计周期[8]。曹琪针对链板冲压模具传统设计与制造方案进行了分析，利用AutoForm软件对链板冲压排样进行了优化设计分析，利用UG针对链板模具设计、装配、运动仿真及模具设计优化方面的应用，模具设计全程实现无纸化，实现了模具的绿色设计[9]。刘石柏以工业铝型材为研究对象，采用DEFORM-3D和HyperXtrude两种CAE分析软件对其挤压成型过程进行模拟分析，软件的仿真模拟结果从型材出口流速均匀性出发，通过增设导流槽、合理布置分流孔和调整工作带长度等措施，获得了较为理想的模具结构，同时延长了模具的寿命[10]。

课题组在学习和借鉴国内外学者关于绿色模具设计的研究基础之上，以一种汽车零件为研究对象，如图1所示。首先，利用绿色设计理念从模具结构出发对模具进行绿色的设计；其次，利用SolidWorks绘制模具三维模型；再次，利用CAE分析软件ANSYS对已设计的模具进行冲压成形过程有限元仿真模拟，根据仿真模拟的结果对初步设计的模具得到合理的模具结构参数；最后，应用得到的参数值进行实验，模具寿命及产品质量都取得良好的效果。

如图2所示，从仿真数据得到模具最佳的圆角半径、间隙等模具参数值，利用CAE技术分析得到的参数应用到实际中是否可行，设计全过程实现了无纸化设计，充分体现了绿色模具设计理念。