冲压模具CAD/CAM绿色制造技术在汽车门铰链生产中的应用

绿色制造是一种在保证产品功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，对环境影响最小、资源能源利用率最高、对人体健康与社会危害最小，并使企业经济效益与社会效益协调优化的制造方法的统称。由于改革开放初期采用的是粗放式经济增长方式，注重工业发展的同时不注重对环境的保护，造成现在环境污染严重。随着经济的不断发展，人们对生态环境的保护意识不断加强，节能、低碳、环保成为全社会各个行业的新标准。而传统的装备制造业以其固有的“高投入、高消耗、高污染”特点严重制约着社会的发展。作为有“现代工业之父”的模具制造行业来说，传统的冲压模具设计过程一般仅仅需要考虑模具产品的基本属性，如模具的功能、质量、成本和寿命等，而很少、甚至不考虑它的环境属性和对资源、能源造成的浪费，因此在模具制造中引入绿色制造更加符合时代要求。对于已经进入制造业新时代的汽车模具企业来说，仅仅将CAD／CAM先进加工制造技术引入到企业、实现模具制造过程的数字化、现代化、无图化生产是远远不能够实现“低能耗、高效益、高产出”的新时代要求。而绿色制造模式是一个闭环系统，能从设计、制造、使用一直到产品报废、回收，减少整个寿命周期对环境的影响，提高资源利用率，也就是说要在产品整个生命周期内，考虑产品环境属性，改变原来末端处理的环境保护办法，对环境保护从源头抓起，使产品在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量。随着资源、能源、环境问题日益成为困扰我国制造业发展的因素，加之“节能减排”可持续发展战略的制定，模具企业引入绿色加工技术，以保护环境、节约资源、降低成本为目标的优势能够取得国家政策支持，提高企业竞争力。

1模具模块化CAD／CAM绿色制造概念

绿色制造技术由绿色设计、绿色选材、绿色工艺、绿色包装、绿色处理5项关键技术组成。冲压模具CAD/CAM绿色制造技术主要是将绿色制造理念与先进制造技术相结合，在模具的全生命周期中，不牺牲模具的性能、寿命、质量等前提下，通过选择环保材料、优化模具设计、改进模具加工工艺、精简模具包装、增加模具回收处理等措施，合理配置资源，减少模具生产制造过程中对环境的负面影响。

冲压模具CAD/CAM绿色制造技术是基于绿色制造理念的模具产品开发和设计的新加工模式，模具设计作为该技术的核心，与其他相关过程并行进行，即在模具设计的初始阶段要考虑到模具的整个生命周期中(从客户送来工件图纸到模具报废处理）的所有因素，如客户要求、模具质量与成本、资源消耗等，需要企业中的各个部分协调进行。如模具设计方案的确定，不仅需要模具设计部门内部共同参与研究，更要使其他部门如加工、质检、装配等部门参与到模具方案的设计工作中来，对模具设计方案提出问题、修改意见等，减少模具部件的返加工率，用合理的设计减少模具加工过程中的能源、资源的损耗。

2汽车门铰链及其冲压模具简述

汽车车门铰链如图1所示，作为汽车必不可少的结构件，其主要作用是将车门和车身连接起来，使车门与车身保持一个相对不变的位置，并保证车门的开合。铰链的结构由3部分组成：（1）和车身相连接的车身件；（2）和车门相连接的车门件；（3）连接车门和车身的、并保证车门铰链能进行开合运动的连接部分。

由以上可知，一套汽车门铰链由车门件、连接部分、车身件3部分组成，本文以普通家用五门轿车的车门铰链的冲压模具作为研究对象，选用车身件及相应冲压模具介绍汽车门铰链冲压模具的CAD/CAM绿色制造技术的应用，车身件的产品尺寸图如图2所示，料厚5.0mm，材质为冷成形热轧汽车结构钢板QSTE420TM。

通过分析车身件的结构及工艺性，其所需要的成形工序为冲栽、折弯、冲孔。根据客户的要求，其冲压模具选用单工序模具：落料模、成形模、冲孔模，其中落料模为级进模，如图3所示。

3汽车门铰链冲压模具CAD／CAM绿色技术

3.1模具绿色设计

模具绿色设计是整个汽车门铰链模具绿色制造技术的核心，主要包括模具材料的选择和模具结构的设计两部分。模具材料、结构设计均需要考虑模具在全生命周期中的加工、回收等环节中的能源消耗和环境影响，并注重对模具及其零部件的回收及再次利用。在汽车铰链冲压模具的设计阶段，模具材质的选择要兼顾性能与环境的保护，在保证模具功能的前提下，选择污染小、易回收、易加工的材质，并尽可能地降低模具的成本；铰链模具结构设计是通过模具结构的合理设计来降低模具在加工、使用及回收过程中对环境的影响，延长模具的使用寿命，降低模具在加工过程中的能源消耗。如广泛采用易换结构，便于维修、零部件更换，同时也降低了模具报废时的拆卸难度，便于模具报废后的回收、二次利用。

3.1.1模具材料的选择

模具零部件材料的选择对汽车门铰链模具的环保性能具有直接的影响，目前我国模具制造企业多选用冷作通用模具钢Cr12MoV（或者SKD11）作为模具零部件的材料，尤其是凸模、凹模的材料，因其具有高强度、高耐磨性、加工性能优异、能够显著提高模具的零部件的寿命等特点，在落料模中选择该材质的冲头，可避免使用镍磷镀、电镀铬等表面处理方式，能够减少表面处理过程中对环境造成的负面影响；此外，将凹模镶块（图4）做成镶块型腔，并加以抛光，也可以减少对环境的危害。

3.1.2模具结构的设计

模具结构和工艺设计不合理，不仅会降低汽车门铰链模具使用寿命，造成模具及零部件材料的浪费，更会使加工能耗变大，增加汽车门铰链模具的加工成本，因此合理的模具结构和工艺设计对提高模具的耐用性具有重要的意义，由于汽车门铰链属于大批量生产产品，模具及其零部件在工作过程中的磨损较重，因此对模具及其零部件的使用寿命要求较高，且应保证易损的模具零部件便于拆卸更换。将汽车门铰链模具的结构及工艺进行标准化设计，是实现汽车门铰链绿色设计的一个重要手段。

以汽车门铰链模架的标准化为例，说明如何通过模具结构标准化实现汽车门铰链模具的绿色设计。由图3可知，不同工序的汽车门铰链可同时由3个设计人员完成。即使是同一个设计人员完成3个工序的模具设计，其在模架中标准件的布置也不尽相同，因此将模架结构标准化，能够实现模具的快速、准确设计，减少模具设计周期，提高模具生产质量，避免由于设计过程中的错误造成模架的反复加工，减少由此带来的能源和资源的消耗。图5a为标准化之前的模架，其导向、吊装等布置由不同的设计人员完成，其中导向、吊装等位置差别很大，由此造成模具加工过程容易出错，增加模具的加工成本，不符合绿色设计理念。图5b为标准化后的模架结构，将导向、吊装等标准件的位置、模座的尺寸规格都做成相应标准格式，简化了模具设计过程，也为模座的加工带来了方便，避免模板加工人员因图形标注不清造成的原材料及能源的浪费，同时也便于后期模具报废时的分类拆卸和二次利用。

模具在工作过程中会使部分零部件磨损较严重，如二序成形模中的折弯冲头（图6），在模具设计时，通常将其原来的挂台固定方式改换成螺纹固定，使后期在不拆卸模板的情况下实现冲头的拆卸和更换。此外，由于前门两侧的铰链车身件具有对称结构，在落料模具设计时凸凹模设计成易更换的镶块结构，在增加耐用性、易换性的同时，可以通过更换相应的凸凹模镶块加工左右门铰链的车身件，使左右对称的铰链车身件共用一套落料模具，从而减少了模具开发成本及模具加工过程中的能耗，节约了模具材料资源。

3.2模具绿色加工工艺

模具绿色加工工艺是整个模具绿色制造的关键一环，主要通过选用材料浪费最少、能耗最低的制造工艺实现。对本文中的汽车门铰链车身件的三套模具来说，采用CAD/CAM-体化加工方式，实现模具材料耗费最少、能量消耗最小，从而减少对环境的负影响。

对于图3成形模中的折弯冲头（图7）、凹模成形镶块（图8），传统的加工方式是先使用电火花快走丝加工，然后再通过粗铣、精铣方式实现。由于传统的加工方式需要在不同的设备上完成，工件的移动、定位装夹方式的改变等原因造成工件的成形精度不容易保证，并且反复加工也增加了能耗，造成了能源浪费。使用CAD/CAM一体化制造技术，通过计算机与加工设备之间的网络连接，可以直接将工件的CAD模型数据传递到加工设备上，方便快捷地制造出符合模具零部件，避免了传统图纸加工易出错、加工效率低的问题。这种加工方法比较适合加工具有较复杂曲面的零部件，可大大节约电火花的能耗和抛光的时间，极大地缩短了加工周期，提高了加工效率。

3.3模具的绿色包装

模具在运输过程中的包装也可能会造成环境的污染，传统的模具包装主要以廉价保鲜膜和木质外包装为主，廉价保鲜膜基本不具备可降解性，在模具运输完成后会造成环境污染，持续时间长，危害大；采用木质外包装（图9a）的来源主要依靠大量的砍伐树木，随着森林面积的大幅减少，带来了水土流失、土壤沙漠化、空气污染等一系列并发的环境问题，因此在汽车门铰链模具绿色设计理念中，通常选用蜂窝纸板做主要的包装材料，制成简易的包装盒（图9b），并尽可能地将模具零部件及备用件与模具放在一起，期间可以填充一些废旧报纸类的东西，避免运输工程中模具及零部件之间的相互摩擦造成的影响；在模具进入包装盒之前，可以使用双降解塑料薄膜将模具包装好，避免由于潮湿的气候造成模具生锈，影响模具的正常使用。另外，在包装箱上印上可回收标志，并注明内外包装的材质及相应的回收处理方式，可以有效地减少模具运输过程中包装材料对环境影响，减少资源消耗和产生的废弃物。

3.4模具的回收及再利用

冲压模具的回收处理过程是对废旧模具中的零部件翻新、二次加工再利用的过程，拆卸回收、二次利用是实现模具回收的重要手段，通过拆卸模具、将零部件分类处理，进而能够实现模具材料回收和完好零部件的二次利用。利用冲压模具CAD／CAM绿色制造技术完成汽车门铰链的模具设计与制造，在设计之初，就已经考虑到模具报废后零部件的回收利用，并在此基础上，将模具的主要结构及零部件采用标准化（图3）、易换式的结构（图6）设计，将冲头、凹模镶块、托块等零部件均采用易换式结构设计，能够解决模具工作过程中易磨损部件的更换问题，避免了传统设计中不可拆卸性结构零部件更换过程中造成的大量重复材料的浪费及由此引起的废弃物处理不善而导致严重的环境污染；对于模具报废后的处理，可将其进行拆解分类，能够二次利用的部件经过淬火、机加工等程序实现二次利用，对于不能够实现二次利用的零部件可按照规定的程序送到指定的部分、地点进行处理，减少对环境的危害，提高资源利用率。

4结语

对汽车门铰链模具进行结构标准化设计、零部件易换结构设计，避免了模具在使用过程中更换易损件时造成的材料及资源浪费，减少了模具报废处理时及二次利用的难度；选择双降解塑料膜和蜂窝纸板作为模具运输过程中的包装材料，在满足模具运输过程中对包装的要求的同时，最大限度地减小了对环境的污染，节约了资源，实践证明汽车门铰链模具采用冲压模具CAD/CAM绿色制造技术能够减少冲压模具整个生命周期中对环境的负影响，在当前社会提倡可持续发展的环境中，基于绿色理念的模具设计与制造技术符合可持续发展的需要，相较于传统的模具制造方式也显示出越来越多的优越性，并可以在其他产品的模具设计与制造中使用该技术。