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基于生态环境保护原则的“十三五” 注塑机的“新常态”创新驱动(五)

[ ju111net九州手机版 ] 发表于 2016-05-19 13:53:14 浏览量:0
 4.3 基于生态环境保护原则的机械共性绿色设计的新常态创新驱动

基于生态环境保护原则的机械共性设计的科学发展的研发重点:

1)生态效益最好原则。不论是在产品制造过程中,还是在产品使用过程中,都要求产品对周围环境“零污染”。选择低污染的材料及零部件,避免选用有毒、有害和有辐射性的材料。选择能源消耗少的材料,减少材料对资源的需求。

2)安全可靠原则。必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足基于生态环境保护原则的设计要求。

4.3.1 可拆卸性的设计的分析研究

可拆卸性作为结构设计的一个评价准则。设备不仅应具有优良的装配性能,还必须具有良好的可拆卸性。可拆卸设计的目的在于完善生产环节,以便在产品寿命完结之时部件可以翻新、循环利用或安全地处理掉。

可拆卸性是设计的常识,但在实际设计中,往往被忽略,造成零件被强制拆卸后其功能丧失,不能再次投入使用,严重浪费资源。可拆卸性设计缺陷缩短了其零件的使用周期,浪费了资源和能耗,给用户增加了负担。

4.3.1.1 可拆卸性的设计原则

可拆卸性要求产品结构设计是改变传统的连接方式代之以易于拆卸的连接方式。根据元件零件的相邻关系将零件功能进行组合,既可减少零件数量,又不影响使用功能,提高人和设备的和谐性。

可拆卸设计的一个难题是如何将可循环材料从它们制造的产品中区分开来。如果这种 区分比较困难,则很难鉴定物质功用和其他性能,在很大程度上增加了拆卸的时间。德国斯图加特索尼技术中心建议,所有产品在设计中应配有“绿色接口”,也就是含有产品可回收材料数据的防损电子模块,这个模块按工业标准设计并通过诊断连接器显示。

4.3.1.2 结构可拆卸性的设计缺陷分析

结构可拆卸性设计缺陷主要反映在设计者只考虑本企业制造中的可装配性,没有考虑维修及再制造的可拆卸性,造成装配简易,拆卸复杂及工作量大。

1)连接型式

不同的连接型式设计将导致装配性和拆卸性的复杂程度不同,如焊接连接的装配性和拆卸性的复杂程度最高,导致零部件破坏性拆卸;螺钉连接的装配容易,但可拆卸性会受到环境的影响;铆钉连是机械装配性好的一种连接方式,但受到连接强度的影响,在连接强度要求高的情况下,连接的安全性可能出现问题。

2)结构型式

结构型式设计不合理导致可拆卸性缺陷的现象较为普遍,主要存在于下述零件的设计:

导套和防尘圈压盖。注塑机往复式圆柱副直线运动都有导套和防尘圈压盖的配置,导套和防尘圈为易损件。常规的导套和防尘圈压盖都为整体式设计,一旦需要更换,拆卸的工作量很大,特别是移动模板上拉杆圆柱副运动的导套和防尘盖,需要把拉杆整体拆卸,才能把这两个零件拆卸,用户对小型还可自行拆卸及安装,而对大型机根本无法拆卸。作者在中大型机上,把这两个零件设计为哈夫式,既不影响运行性能,又实现了易装配及易拆卸。由此建议,对难以拆卸的导套和防尘圈压盖有整体式改为哈夫式,实现可拆卸性。

固定模板拉杆孔。合模机构锁紧成型运行工况中,固定模板受力产生绕度而动态变形,固定模板上部拉杆孔的两外侧壁厚小于拉杆的直径,导致此处的刚度小于拉杆的刚度,受力后变形较大,长期运行后导致拉杆孔变形,如拉杆孔没有弥补这种变形的空间,最后可能产生拉杆孔咬合拉杆螺纹,导致拉杆不能拆卸。常规设计中,把固定模板的拉杆孔作拉杆的定位孔设计,没有受力变形的弥补空间,固定模板受力后对拉杆产生弯矩,拉杆在锁模力测试中反映出对称点之间的应变量相差较大,反映出了这种工况的存在,恶化了拉杆的工况。固定模板拉杆孔设计应考虑受力工况,依据受力变形量对拉杆孔的公差适当放大,留有弥补变形的空间。拉杆螺纹小于拉杆公称直径,并在螺纹处设计弯矩拆卸段,弥补拉杆孔变形后可能导致拉杆螺纹与拉杆孔咬合及拉杆螺母平面定位的失真。移动模板的拉杆孔作拉杆导向定位孔。

移动模板支承滑动装置。常规的移动模板支承滑动装置与移动模板的安装机构都为垂直方向螺纹连接,一旦螺钉松动,由于空间狭小,需要把整个合模部件吊起才能紧固,而且在紧固过程中,充满着安全的因素。把模板连接处的外形作简单的改变,把垂直连接改为径向连接,实现可拆卸性和安全性,

4.3.1.3 性能可拆卸性的设计缺陷分析

    性能可拆卸性设计缺陷,一般不是结构设计缺陷,而是没有针对注塑机的运行工况而缺乏具体分析,设计的配对副的强度、刚度等动态性能不符合实际而运行失效, 造成装配简易,难以拆卸,甚至不能拆卸。

1)紧固副的强度的设计缺陷,造成紧固副不能拆卸

拉杆与螺母的一对紧固副,为整个合模机构受力状况最为复杂的结构,合模机构维修首先拆卸拉杆,同时拉杆为整个合模机构最为重要的零件且价值也最高,拉杆失效即合模机构失效,所以必须保证其可拆卸性。拉杆与螺母的紧固副的可拆卸性的设计,设计的关键是必须有足够的连接强度。紧固副的强度的设计主要涉及三个方面:螺纹技术参数;螺纹受力型式;螺纹承载强度。

某一锁模力10000kN注塑机的拉杆螺母,维修中,发现拉杆螺母与拉杆严重咬合,拉杆螺母不能拆卸,不得不把拉杆螺母和拉杆一起整体气割掉。。经对故障原因分析,主要原因是螺纹承载强度不够,后对螺纹承载强度进行提高设计,按改进设计的螺纹重新加工拉杆及拉杆螺母,运行正常。

2)螺纹旋转副的接触强度的设计缺陷,造成旋转副失效,螺母不能拆卸。

调模螺纹旋转副的接触强度设计是保证调模正常运行的关键,特别是超大型注塑机,一个调模螺母可重达一吨,如由于螺纹接触强度欠缺而造成整个旋转副报废,损失相当大。螺纹旋转副的接触强度的设计主要涉及三个方面:螺纹强度;螺纹旋转副的接触表面的硬度匹配;螺纹加工精度及表面粗糙度。

某一锁模力33000kN注塑机的调模螺母,调试时与拉杆螺纹咬合,经分析,调模螺母本体材料为球墨铸铁,螺纹承载强度符合要求,但由于螺纹表面未作强化处理,与拉杆螺纹的接触强度配对副不合理,后对螺纹表面作氮化处理,提高螺纹表面强度,达到螺纹副的接触强度要求,三年来运行正常。

3)旋转滑动副的接触强度的设计缺陷,造成滑动副失效并报废

肘杆合模机构的销轴与钢套的旋转滑动副的接触强度设计是保证肘杆机构正常运行的关键,一旦失效,两者咬合,销轴和钢套的两个零件全部报废,整个肘杆机构需全部拆卸,甚至对肘杆孔需重新加工,不但浪费合金钢材,而且浪费重新加工的能耗。旋转滑动副的接触强度的设计主要涉及三个方面:销轴本身必须达到足够的刚度;旋转滑动副的接触表面的硬度匹配;润滑设计。

4)弯曲刚度设计缺陷,造成弯曲失效并报废

肘杆合模机构一体式结构的尾板(后模板)的推力座导柱弯曲变形超过其弯曲刚度出现永久性变形,导致运行失效及不能拆卸。

肘杆合模机构尾板的安装肘杆的上下两排销轴孔与推力座(十字头)导柱孔、推力座上下的销轴孔与径向的导柱孔的机械加工的对称度不可能达到理想的精度,推力座在锁模工况下,不对称度对导柱产生弯矩。常规设计中,一般对其抗弯刚度不予计算,待出现失效现象后,在未有充分理论依据情况下,作增大截面积的后处理,如不够,再增大截面积。

根据企业的加工精度实际及最大推力,理论设计上必须保证推力座导柱具有足够的抗弯刚度,才能保证正常运行及易拆卸。

4.3.2 材料的选用设计

绿色创新设计应积极主动地使用对资源和能量消耗小、污染小、易回收、与环境协调的绿色材料。在满足使用功能的前提下,尽量减少材料的用量和品种;考虑使用寿命结束后,回收材料的处理和再利用实现第二次使用寿命,使用可再生、可回收、易于回收利用,易于修复、易于再制造的材料;报废材料的回收及回收工艺尽量不产生二次污染。

选用标准型材、型钢。底箱(床身)的材料,选用标准型号的槽钢、工字钢、H型钢,不用钢板焊接成特殊型材件。顶出、整移、注射等三个部件的油缸工作面积在达到额定工作压力参数前提下,油缸内径和活塞杆直径的进行科学匹配,选用的无缝钢管和圆钢的型材实现少切削。合模油缸工作面积与肘杆合模机构增力比之间进行科学的优化匹配设计,优化合模油缸的结构设计,合模油缸体的内外径的技术参数符合标准的精拔无缝钢管规格,活塞杆选用标准圆钢实现少切削。

选用干切削加工材料,避免切削液污染及处理费用。选用适合干切削加工的球墨铸造模板、肘杆、调模齿轮、调模螺母等毛坯件,同比铸钢件,降低切削液费用达到100%,加工电费和刀具费可降低约30%,总的切削加工成本可降低约40%

4.3.3 零件的工艺性设计

零件工艺性设计缺陷直接缩短使用周期。常见的拉杆、活塞杆的断裂,绝大多数度是工艺性结构差,只要稍加改进即可避免。

产品在设计应该充分考虑工艺效率和能源消耗,考虑废弃后产品零部件的有效回收,优化零件制造工艺,精简工艺步骤,提高零件的合格率,减少零件在加工过程中污染的排放。力求零件加工过程中,实现切削材料最少化、能源消耗最小化、污染物的排放最少化。

4.3.4 表面热处理的绿色设计

传统表面耐磨热处理设计,采用常规的电镀、高频淬火、氮化等热处理。传统表面耐磨热处理工艺缺陷:镀层厚,贵金属耗量大;表面处理深度大,能耗高;表面硬度受到限制,耐磨性有限,使用寿命周期短;镀铬工艺的环境处理成本高,极易造成环境污染。

绿色化纳米热喷涂技术,彻底消除涂层工艺可能造成的环境污染。繁多的纳米喷涂材料的可选择性和多项可控的影响因素,它可以使不同设备的工作面被“点铁成金、戴盔穿甲”。  涂层的多样性源于纳米喷涂材料的多种选择、工艺参数的可控及喷涂方法的可变。纳米喷涂材质逾百种,不同的喷涂方法和工艺参数的变化,能使同一材质形成不尽相同的涂层。如此,这些变数的组合就可得到一组“菜单式”的涂层系列,当你需要具有某种特性的涂层时,只需从中择取即是。纳米陶瓷表面喷涂强化处理,表面硬度由氮化的HV900-950提升至 ,耐温性、耐腐蚀性、耐磨性也提高了30%以上,同时最大限度地降低了界面摩擦系数,实现零磨损。如果止逆环的表面处理设计由常规的氮化改为抗大气和浸渍腐蚀涂层或耐化学腐蚀涂层,将延长其使用寿命周期。销轴可采用耐磨损涂层,止回环、螺杆可采用抗高温耐磨损涂层,磨损修复科采用恢复尺寸涂层。绿色化热喷涂技术在注塑机制造行业还未得到推广应用。

4.3.5 摩擦副的结构设计

摩擦能耗损失占到能耗的约5%。摩擦能耗是在方案确定之后设计所形成的,而且一直延续到设备寿命终止。摩擦能耗虽然可改进润滑等方法,提高效率,那也只能是一种补救措施。只有通过改进、革新摩擦结构,减少摩擦副,才能降低设备的总体摩擦能耗损失。

4.3.5.1滑动摩擦副改为滚动摩擦副

滑动摩擦副的润滑油不但易粘上环境中灰尘造成污染,而且在相对高速运行下易产生高温分解有害有毒气体污染环境。例如,合模部件中移动模板(二板)与底箱导轨之间摩擦副,一般都用制造成本低廉的铸铁滑动摩擦副;注射部件整体移动,一般也用滑动轴承。近年来用少有润滑的滚珠导轨取代,不但降低了能耗及提高了运动精度,而且延长了使用寿命及降低了维修费用。移动模板与四根拉杆之间四处的圆形滑动摩擦副由传统的油脂润滑的滑动式铜轴承改为无油润滑的高分子自润滑轴承,降低了摩擦系数,提高了清洁度。

4.3.5.2 减少摩擦副

实现一些运动件无摩擦运行。传统的移动模板运动由两类摩擦副及六处摩檫副:移动模板与底箱之间两处的平面摩擦副;移动模板与四根拉杆之间四处的圆形滑动摩檫副。Krauss Maffei公司医疗瓶盖生产系统。主要性能特征是洁净和高产率。伺服电机驱动的Z型肘杆机构,支承点较少,从而减少了摩擦副和润滑点。

4.3.5.3 无摩擦副

近年来,随着对移模特性的认识深入,有的公司的肘杆合模机构的移动模板的摩擦副做了实质性的科学发展,移动模板与底箱之间两处的平面摩擦副的型式改为加长型重载的滚珠导轨,达到精密直线运行定位及锁紧定位,同时取消移动模板与四根拉杆之间四处的圆形滑动摩擦副,这种简化式的摩擦副结构大幅降低了移动模板运行摩檫阻力,并且节约了资源消耗。Krauss Maffei公司医疗瓶盖注塑设备,移动模板于拉杆无接触设计,完全杜绝了润滑油污染生产区域的可能性。

4.3.6 加强机械设计基础理论的研究及创新

    缺乏对机械设计基础理论知识,是造成机械设计缺陷的主要原因。缺乏对注塑机机械设计理论的创新,是造成绿色设计难以取得显著科技进步的主要因数。

基于生态环境保护原则的绿色设计者要有所创新,不仅要由扎实的机械设计理论基础,更要善于在实践中不断修正和完善自己的开发理论,把传统的开发设计理论变为自己的有特色的工业化的开发设计理论,把通用开发设计理论中一些不确定的参数根据本单位的实际变为确定的参数值,对国际上先进的产品从设计理论上进行研究探讨总结变为自己的开发设计理论,对本行业传统的开发设计理论从现代开发设计理论角度并根据自己的开发实践提高为本行业的现代开发设计理论,在总结自己开发实践的基础上敢于突破常规的设计理论束缚创新出自己的开发设计理论。