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    基于生態環境保護原則的“十三五” 注塑機的“新常態”創新驅動(五)

    [ 寧波市塑料機械行業協會 ] 發表于 2016-05-19 13:53:14 瀏覽量:0
     4.3 基于生態環境保護原則的機械共性綠色設計的新常態創新驅動

    基于生態環境保護原則的機械共性設計的科學發展的研發重點:

    1)生態效益最好原則。不論是在產品制造過程中,還是在產品使用過程中,都要求產品對周圍環境“零污染”。選擇低污染的材料及零部件,避免選用有毒、有害和有輻射性的材料。選擇能源消耗少的材料,減少材料對資源的需求。

    2)安全可靠原則。必須確定零件在強度、剛度、耐磨性、穩定性及熱平衡性上滿足基于生態環境保護原則的設計要求。

    4.3.1 可拆卸性的設計的分析研究

    可拆卸性作為結構設計的一個評價準則。設備不僅應具有優良的裝配性能,還必須具有良好的可拆卸性。可拆卸設計的目的在于完善生產環節,以便在產品壽命完結之時部件可以翻新、循環利用或安全地處理掉。

    可拆卸性是設計的常識,但在實際設計中,往往被忽略,造成零件被強制拆卸后其功能喪失,不能再次投入使用,嚴重浪費資源。可拆卸性設計缺陷縮短了其零件的使用周期,浪費了資源和能耗,給用戶增加了負擔。

    4.3.1.1 可拆卸性的設計原則

    可拆卸性要求產品結構設計是改變傳統的連接方式代之以易于拆卸的連接方式。根據元件零件的相鄰關系將零件功能進行組合,既可減少零件數量,又不影響使用功能,提高人和設備的和諧性。

    可拆卸設計的一個難題是如何將可循環材料從它們制造的產品中區分開來。如果這種 區分比較困難,則很難鑒定物質功用和其他性能,在很大程度上增加了拆卸的時間。德國斯圖加特索尼技術中心建議,所有產品在設計中應配有“綠色接口”,也就是含有產品可回收材料數據的防損電子模塊,這個模塊按工業標準設計并通過診斷連接器顯示。

    4.3.1.2 結構可拆卸性的設計缺陷分析

    結構可拆卸性設計缺陷主要反映在設計者只考慮本企業制造中的可裝配性,沒有考慮維修及再制造的可拆卸性,造成裝配簡易,拆卸復雜及工作量大。

    1)連接型式

    不同的連接型式設計將導致裝配性和拆卸性的復雜程度不同,如焊接連接的裝配性和拆卸性的復雜程度最高,導致零部件破壞性拆卸;螺釘連接的裝配容易,但可拆卸性會受到環境的影響;鉚釘連是機械裝配性好的一種連接方式,但受到連接強度的影響,在連接強度要求高的情況下,連接的安全性可能出現問題。

    2)結構型式

    結構型式設計不合理導致可拆卸性缺陷的現象較為普遍,主要存在于下述零件的設計:

    導套和防塵圈壓蓋。注塑機往復式圓柱副直線運動都有導套和防塵圈壓蓋的配置,導套和防塵圈為易損件。常規的導套和防塵圈壓蓋都為整體式設計,一旦需要更換,拆卸的工作量很大,特別是移動模板上拉桿圓柱副運動的導套和防塵蓋,需要把拉桿整體拆卸,才能把這兩個零件拆卸,用戶對小型還可自行拆卸及安裝,而對大型機根本無法拆卸。作者在中大型機上,把這兩個零件設計為哈夫式,既不影響運行性能,又實現了易裝配及易拆卸。由此建議,對難以拆卸的導套和防塵圈壓蓋有整體式改為哈夫式,實現可拆卸性。

    固定模板拉桿孔。合模機構鎖緊成型運行工況中,固定模板受力產生繞度而動態變形,固定模板上部拉桿孔的兩外側壁厚小于拉桿的直徑,導致此處的剛度小于拉桿的剛度,受力后變形較大,長期運行后導致拉桿孔變形,如拉桿孔沒有彌補這種變形的空間,最后可能產生拉桿孔咬合拉桿螺紋,導致拉桿不能拆卸。常規設計中,把固定模板的拉桿孔作拉桿的定位孔設計,沒有受力變形的彌補空間,固定模板受力后對拉桿產生彎矩,拉桿在鎖模力測試中反映出對稱點之間的應變量相差較大,反映出了這種工況的存在,惡化了拉桿的工況。固定模板拉桿孔設計應考慮受力工況,依據受力變形量對拉桿孔的公差適當放大,留有彌補變形的空間。拉桿螺紋小于拉桿公稱直徑,并在螺紋處設計彎矩拆卸段,彌補拉桿孔變形后可能導致拉桿螺紋與拉桿孔咬合及拉桿螺母平面定位的失真。移動模板的拉桿孔作拉桿導向定位孔。

    移動模板支承滑動裝置。常規的移動模板支承滑動裝置與移動模板的安裝機構都為垂直方向螺紋連接,一旦螺釘松動,由于空間狹小,需要把整個合模部件吊起才能緊固,而且在緊固過程中,充滿著安全的因素。把模板連接處的外形作簡單的改變,把垂直連接改為徑向連接,實現可拆卸性和安全性,

    4.3.1.3 性能可拆卸性的設計缺陷分析

        性能可拆卸性設計缺陷,一般不是結構設計缺陷,而是沒有針對注塑機的運行工況而缺乏具體分析,設計的配對副的強度、剛度等動態性能不符合實際而運行失效, 造成裝配簡易,難以拆卸,甚至不能拆卸。

    1)緊固副的強度的設計缺陷,造成緊固副不能拆卸

    拉桿與螺母的一對緊固副,為整個合模機構受力狀況最為復雜的結構,合模機構維修首先拆卸拉桿,同時拉桿為整個合模機構最為重要的零件且價值也最高,拉桿失效即合模機構失效,所以必須保證其可拆卸性。拉桿與螺母的緊固副的可拆卸性的設計,設計的關鍵是必須有足夠的連接強度。緊固副的強度的設計主要涉及三個方面:螺紋技術參數;螺紋受力型式;螺紋承載強度。

    某一鎖模力10000kN注塑機的拉桿螺母,維修中,發現拉桿螺母與拉桿嚴重咬合,拉桿螺母不能拆卸,不得不把拉桿螺母和拉桿一起整體氣割掉。。經對故障原因分析,主要原因是螺紋承載強度不夠,后對螺紋承載強度進行提高設計,按改進設計的螺紋重新加工拉桿及拉桿螺母,運行正常。

    2)螺紋旋轉副的接觸強度的設計缺陷,造成旋轉副失效,螺母不能拆卸。

    調模螺紋旋轉副的接觸強度設計是保證調模正常運行的關鍵,特別是超大型注塑機,一個調模螺母可重達一噸,如由于螺紋接觸強度欠缺而造成整個旋轉副報廢,損失相當大。螺紋旋轉副的接觸強度的設計主要涉及三個方面:螺紋強度;螺紋旋轉副的接觸表面的硬度匹配;螺紋加工精度及表面粗糙度。

    某一鎖模力33000kN注塑機的調模螺母,調試時與拉桿螺紋咬合,經分析,調模螺母本體材料為球墨鑄鐵,螺紋承載強度符合要求,但由于螺紋表面未作強化處理,與拉桿螺紋的接觸強度配對副不合理,后對螺紋表面作氮化處理,提高螺紋表面強度,達到螺紋副的接觸強度要求,三年來運行正常。

    3)旋轉滑動副的接觸強度的設計缺陷,造成滑動副失效并報廢

    肘桿合模機構的銷軸與鋼套的旋轉滑動副的接觸強度設計是保證肘桿機構正常運行的關鍵,一旦失效,兩者咬合,銷軸和鋼套的兩個零件全部報廢,整個肘桿機構需全部拆卸,甚至對肘桿孔需重新加工,不但浪費合金鋼材,而且浪費重新加工的能耗。旋轉滑動副的接觸強度的設計主要涉及三個方面:銷軸本身必須達到足夠的剛度;旋轉滑動副的接觸表面的硬度匹配;潤滑設計。

    4)彎曲剛度設計缺陷,造成彎曲失效并報廢

    肘桿合模機構一體式結構的尾板(后模板)的推力座導柱彎曲變形超過其彎曲剛度出現永久性變形,導致運行失效及不能拆卸。

    肘桿合模機構尾板的安裝肘桿的上下兩排銷軸孔與推力座(十字頭)導柱孔、推力座上下的銷軸孔與徑向的導柱孔的機械加工的對稱度不可能達到理想的精度,推力座在鎖模工況下,不對稱度對導柱產生彎矩。常規設計中,一般對其抗彎剛度不予計算,待出現失效現象后,在未有充分理論依據情況下,作增大截面積的后處理,如不夠,再增大截面積。

    根據企業的加工精度實際及最大推力,理論設計上必須保證推力座導柱具有足夠的抗彎剛度,才能保證正常運行及易拆卸。

    4.3.2 材料的選用設計

    綠色創新設計應積極主動地使用對資源和能量消耗小、污染小、易回收、與環境協調的綠色材料。在滿足使用功能的前提下,盡量減少材料的用量和品種;考慮使用壽命結束后,回收材料的處理和再利用實現第二次使用壽命,使用可再生、可回收、易于回收利用,易于修復、易于再制造的材料;報廢材料的回收及回收工藝盡量不產生二次污染。

    選用標準型材、型鋼。底箱(床身)的材料,選用標準型號的槽鋼、工字鋼、H型鋼,不用鋼板焊接成特殊型材件。頂出、整移、注射等三個部件的油缸工作面積在達到額定工作壓力參數前提下,油缸內徑和活塞桿直徑的進行科學匹配,選用的無縫鋼管和圓鋼的型材實現少切削。合模油缸工作面積與肘桿合模機構增力比之間進行科學的優化匹配設計,優化合模油缸的結構設計,合模油缸體的內外徑的技術參數符合標準的精拔無縫鋼管規格,活塞桿選用標準圓鋼實現少切削。

    選用干切削加工材料,避免切削液污染及處理費用。選用適合干切削加工的球墨鑄造模板、肘桿、調模齒輪、調模螺母等毛坯件,同比鑄鋼件,降低切削液費用達到100%,加工電費和刀具費可降低約30%,總的切削加工成本可降低約40%

    4.3.3 零件的工藝性設計

    零件工藝性設計缺陷直接縮短使用周期。常見的拉桿、活塞桿的斷裂,絕大多數度是工藝性結構差,只要稍加改進即可避免。

    產品在設計應該充分考慮工藝效率和能源消耗,考慮廢棄后產品零部件的有效回收,優化零件制造工藝,精簡工藝步驟,提高零件的合格率,減少零件在加工過程中污染的排放。力求零件加工過程中,實現切削材料最少化、能源消耗最小化、污染物的排放最少化。

    4.3.4 表面熱處理的綠色設計

    傳統表面耐磨熱處理設計,采用常規的電鍍、高頻淬火、氮化等熱處理。傳統表面耐磨熱處理工藝缺陷:鍍層厚,貴金屬耗量大;表面處理深度大,能耗高;表面硬度受到限制,耐磨性有限,使用壽命周期短;鍍鉻工藝的環境處理成本高,極易造成環境污染。

    綠色化納米熱噴涂技術,徹底消除涂層工藝可能造成的環境污染。繁多的納米噴涂材料的可選擇性和多項可控的影響因素,它可以使不同設備的工作面被“點鐵成金、戴盔穿甲”。  涂層的多樣性源于納米噴涂材料的多種選擇、工藝參數的可控及噴涂方法的可變。納米噴涂材質逾百種,不同的噴涂方法和工藝參數的變化,能使同一材質形成不盡相同的涂層。如此,這些變數的組合就可得到一組“菜單式”的涂層系列,當你需要具有某種特性的涂層時,只需從中擇取即是。納米陶瓷表面噴涂強化處理,表面硬度由氮化的HV900-950提升至 ,耐溫性、耐腐蝕性、耐磨性也提高了30%以上,同時最大限度地降低了界面摩擦系數,實現零磨損。如果止逆環的表面處理設計由常規的氮化改為抗大氣和浸漬腐蝕涂層或耐化學腐蝕涂層,將延長其使用壽命周期。銷軸可采用耐磨損涂層,止回環、螺桿可采用抗高溫耐磨損涂層,磨損修復科采用恢復尺寸涂層。綠色化熱噴涂技術在注塑機制造行業還未得到推廣應用。

    4.3.5 摩擦副的結構設計

    摩擦能耗損失占到能耗的約5%。摩擦能耗是在方案確定之后設計所形成的,而且一直延續到設備壽命終止。摩擦能耗雖然可改進潤滑等方法,提高效率,那也只能是一種補救措施。只有通過改進、革新摩擦結構,減少摩擦副,才能降低設備的總體摩擦能耗損失。

    4.3.5.1滑動摩擦副改為滾動摩擦副

    滑動摩擦副的潤滑油不但易粘上環境中灰塵造成污染,而且在相對高速運行下易產生高溫分解有害有毒氣體污染環境。例如,合模部件中移動模板(二板)與底箱導軌之間摩擦副,一般都用制造成本低廉的鑄鐵滑動摩擦副;注射部件整體移動,一般也用滑動軸承。近年來用少有潤滑的滾珠導軌取代,不但降低了能耗及提高了運動精度,而且延長了使用壽命及降低了維修費用。移動模板與四根拉桿之間四處的圓形滑動摩擦副由傳統的油脂潤滑的滑動式銅軸承改為無油潤滑的高分子自潤滑軸承,降低了摩擦系數,提高了清潔度。

    4.3.5.2 減少摩擦副

    實現一些運動件無摩擦運行。傳統的移動模板運動由兩類摩擦副及六處摩檫副:移動模板與底箱之間兩處的平面摩擦副;移動模板與四根拉桿之間四處的圓形滑動摩檫副。Krauss Maffei公司醫療瓶蓋生產系統。主要性能特征是潔凈和高產率。伺服電機驅動的Z型肘桿機構,支承點較少,從而減少了摩擦副和潤滑點。

    4.3.5.3 無摩擦副

    近年來,隨著對移模特性的認識深入,有的公司的肘桿合模機構的移動模板的摩擦副做了實質性的科學發展,移動模板與底箱之間兩處的平面摩擦副的型式改為加長型重載的滾珠導軌,達到精密直線運行定位及鎖緊定位,同時取消移動模板與四根拉桿之間四處的圓形滑動摩擦副,這種簡化式的摩擦副結構大幅降低了移動模板運行摩檫阻力,并且節約了資源消耗。Krauss Maffei公司醫療瓶蓋注塑設備,移動模板于拉桿無接觸設計,完全杜絕了潤滑油污染生產區域的可能性。

    4.3.6 加強機械設計基礎理論的研究及創新

        缺乏對機械設計基礎理論知識,是造成機械設計缺陷的主要原因。缺乏對注塑機機械設計理論的創新,是造成綠色設計難以取得顯著科技進步的主要因數。

    基于生態環境保護原則的綠色設計者要有所創新,不僅要由扎實的機械設計理論基礎,更要善于在實踐中不斷修正和完善自己的開發理論,把傳統的開發設計理論變為自己的有特色的工業化的開發設計理論,把通用開發設計理論中一些不確定的參數根據本單位的實際變為確定的參數值,對國際上先進的產品從設計理論上進行研究探討總結變為自己的開發設計理論,對本行業傳統的開發設計理論從現代開發設計理論角度并根據自己的開發實踐提高為本行業的現代開發設計理論,在總結自己開發實踐的基礎上敢于突破常規的設計理論束縛創新出自己的開發設計理論。

     


     

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