现代模具制造技术评述

发布者:管理员     发布时间:2012/9/19 13:52:49    阅读:177 次    来源:本站原创

一、引言
    振兴和发展我国的模具工业,日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元,日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业,从1997年开始,我国模具工业产值也超过了机床工业产值。

    模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。鉴于模具工业的重要性,在1989年3月国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中,把模具列为机械工业技术改造序列的第一位、生产和基本建设序列的第二位。1997年以来,又相继把模具及其加工技术和设备列入了《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》。经国务院批准,从1997年到2000年,对80多家国有专业模具厂实行增值税返还70%的优惠政策,以扶植模具工业的发展。所有这些,都充分体现了国务院和国家有关部门对发展模具工业的重视和支持。

    现在,应该引起我们特别注意的是,1999年8月20日党中央和国务院发布的《关于加强技术创新发展高科技实现产业化的决定》中,明确提出了高新技术产业领域。《决定》指出:要在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面,在生物技术及新医药、新技术、新能源、航空航天、海洋等有一定基础的高新技术产业领域,加强技术创新,形成一大批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业。《决定》还指出:要加强传统产业的技术升级,注重电子信息等技术与传统产业的嫁接,大幅度提高国产技术装备的水平。在党中央和国务院发布上述《决定》之前,1999年7月,国家计委和科学技术部发布了《当前国家优先发展的高新技术产业化重点领域指南(目录)》,《指南》中列入了电子专用工模具、塑料成形新技术与新设备、快速原型制造工艺及成套设备、激光加工技术及成套设备、汽车关键零部件等。例如,采用快速原型制造技术和设备,用分层实体堆积等方法,可以将复杂的CAD模型转化为实物,使模具和产品的设计、评价与制造周期大大缩短,企业就能快速抢占市场,取得竞争优势。

二、模具工业现状
    由于历史原因形成的封闭式、“大而全”的企业特征,我国大部分企业均设有模具车间,处于本厂的配套地位,自70年代末才有了模具工业化和生产专业化这个概念。模具工业主要生产能力分散在各部门主要产品厂内的工模具车间,所生产的模具基本自产自用。据粗略估计,产品厂的模具生产能力占全国模具生产能力的75%,他们的装备水平较好,技术力量较强,生产潜力较大,但主要为本厂产品服务,与市场联系较少,经营机制不灵活,不能发挥人力物力的潜力。模具专业厂全国只有二百家左右,商品模具只占总数的20%左右,模具标准件的商品率也不到20%。由于受旧管理体制的影响较深,缺乏统筹规划和组织协调,存在着“中而全”,“小而全”的结构缺陷,生产效率不高,经济效益较差。

    模具行业的生产小而散乱,跨行业、投资密集,专业化、商品化和技术管理水平都比较低。现代工业的发展要求各行各业产品更新换代快,对模具的需求量加大。一般模具国内可以自行制造,但很多大型复杂、精密和长寿命的多工位级进模大型精密塑料模复杂压铸模和汽车覆盖件模等仍需依靠进口,近年来模具进口量已超过国内生产的商品模具的总销售量。为了推进社会主义现代化建设,适应国民经济各部门发展的需要,模具工业面临着进一步技术结构调整和加速国产化的繁重任务。

    改革开放20多年来,我国(除港台地区外,下同)的模具工业获得了飞速的发展,设计、制造加工能力和水平、产品档次都有了很大的提高。据不完全统计,全国现有模具专业生产厂、产品厂配套的模具车间(分厂)近17000家,约60万从业人员,年模具总产值达200亿元人民币。但是,我国模具工业现有能力只能满足需求量的60%左右,还不能适应国民经济发展的需要。目前,国内需要的大型、精密、复杂和长寿命的模具还主要依靠进口。据海关统计,1997年进口模具价值6.3亿美元,这还不包括随设备一起进口的模具;1997年出口模具仅为7800万美元。1997年中国模具工业协会对下属的209家骨干企业(含产品厂的模具车间)的统计资料表明,其模具总产值13.7亿元人民币,进口模具大约为336万美元。目前我国模具工业的技术水平和制造能力,是我国国民经济建设中的薄弱环节和制约经济持续发展的瓶颈。

1.模具工业产品结构的现状
    按照中国模具工业协会的划分,我国模具基本分为10大类,其中,冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。按产值计算,目前我国冲压模占50%左右,塑料成形模约占20%,拉丝模(工具)约占10%,而世界上发达工业国家和地区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的40%以上。

    我国冲压模大多为简单模、单工序模和符合模等,精冲模,精密多工位级进模还为数不多,模具平均寿命不足100万次,模具最高寿命达到1亿次以上,精度达到3~5um,有50个以上的级进工位,与国际上最高模具寿命6亿次,平均模具寿命5000万次相比,处于80年代中期国际先进水平。

    我国的塑料成形模具设计,制作技术起步较晚,整体水平还较低。目前单型腔,简单型腔的模具达70%以上,仍占主导地位。一模多腔精密复杂的塑料注射模,多色塑料注射模已经能初步设计和制造。模具平均寿命约为80万次左右,主要差距是模具零件变形大、溢边毛刺大、表面质量差、模具型腔冲蚀和腐蚀严重、模具排气不畅和型腔易损等,注射模精度已达到5um以下,最高寿命已突破2000万次,型腔数量已超过100腔,达到了80年代中期至90年代初期的国际先进水平。

2.模具工业技术结构现状
    我国模具工业目前技术水平参差不齐,悬殊较大。从总体上来讲,与发达工业国家及港台地区先进水平相比,还有较大的差距。
    在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技术设计与制造模具方面,无论是应用的广泛性,还是技术水平上都存在很大的差距。在应用CAD技术设计模具方面,仅有约10%的模具在设计中采用了CAD,距抛开绘图板还有漫长的一段路要走;在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面,也才刚刚起步,大多还处于试用和动画游戏阶段;在应用CAM技术制造模具方面,一是缺乏先进适用的制造装备,二是现有的工艺设备(包括近10多年来引进的先进设备)或因计算机制式(IBM微机及其兼容机、HP工作站等)不同,或因字节差异、运算速度差异、抗电磁干扰能力差异等,联网率较低,只有5%左右的模具制造设备近年来才开展这项工作;在应用CAPP技术进行工艺规划方面,基本上处于空白状态,需要进行大量的标准化基础工作;在模具共性工艺技术,如模具快速成型技术、抛光技术、电铸成型技术、表面处理技术等方面的CAD/CAM技术应用在我国才刚起步。计算机辅助技术的软件开发,尚处于较低水平,需要知识和经验的积累。我国大部分模具厂、车间的模具加工设备陈旧,在役期长、精度差、效率低,至今仍在使用普通的锻、车、铣、刨、钻、磨设备加工模具,热处理加工仍在使用盐浴、箱式炉,操作凭工人的经验,设备简陋,能耗高。设备更新速度缓慢,技术改造,技术进步力度不大。虽然近年来也引进了不少先进的模具加工设备,但过于分散,或不配套,利用率一般仅有25%左右,设备的一些先进功能也未能得到充分发挥。

    缺乏技术素质较高的模具设计、制造工艺技术人员和技术工人,尤其缺乏知识面宽、知识结构层次高的复合型人才。中国模具行业中的技术人员,只占从业人员的8%~12%左右,且技术人员和技术工人的总体技术水平也较低。1980年以前从业的技术人员和技术工人知识老化,知识结构不能适应现在的需要;而80年代以后从业的人员,专业知识、经验匮乏,动手能力差,不安心,不愿学技术。近年来人才外流不仅造成人才数量与素质水平下降,而且人才结构也出现了新的断层,青黄不接,使得模具设计、制造的技术水平难以提高。

3.模具工业配套材料,标准件结构现状
    近10多年来,特别是“八五”以来,国家有关部委已多次组织有关材料研究所、大专院校和钢铁企业,研究和开发模具专用系列钢种、模具专用硬质合金及其他模具加工的专用工具、辅助材料等,并有所推广。但因材料的质量不够稳定,缺乏必要的试验条件和试验数据,规格品种较少,大型模具和特种模具所需的钢材及规格还有缺口。在钢材供应上,解决用户的零星用量与钢厂的批量生产的供需矛盾,尚未得到有效的解决。另外,国外模具钢材近年来相继在国内建立了销售网点,但因渠道不畅、技术服务支撑薄弱及价格偏高、外汇结算制度等因素的影响,目前推广应用不多。

    模具加工的辅助材料和专用技术近年来虽有所推广应用,但未形成成熟的生产技术,大多仍还处于试验摸索阶段,如模具表面涂层技术、模具表面热处理技术、模具导向副润滑技术、模具型腔传感技术及润滑技术、模具去应力技术、模具抗疲劳及防腐技术等尚未完全形成生产力,走向商品化。一些关键、重要的技术也还缺少知识产权的保护。

    我国的模具标准件生产,80年代初才形成小规模生产,模具标准化程度及标准件的使用覆盖面约占20%,从市场上能配到的也只有约30个品种,且仅限于中小规格。标准凸凹模、热流道元件等刚刚开始供应,模架及零件生产供应渠道不畅,精度和质量也较差。

4.模具工业产业组织结构现状
    我国的模具工业相对较落后,至今仍不能称其为一个独立的行业。我国目前的模具生产企业可划分为四大类:专业模具厂,专业生产外供模具;产品厂的模具分厂或车间,以供给本产品厂所需的模具为主要任务;三资企业的模具分厂,其组织模式与专业模具厂相类似,以小而专为主;乡镇模具企业,与专业模具厂相类似。其中以第一类数量最多,模具产量约占总产量的70%以上。我国的模具行业管理体制分散。目前有19个大行业部门制造和使用模具,没有统一管理的部门。仅靠中国模具工业协会统筹规划,集中攻关,跨行业,跨部门管理困难很多。

    模具适宜于中小型企业组织生产,而我国技术改造投资向大中型企业倾斜时,中小型模具企业的投资得不到保证。包括产品厂的模具车间、分厂在内,技术改造后不能很快收回其投资,甚至负债累累,影响发展。

    虽然大多数产品厂的模具车间、分厂技术力量强,设备条件较好,生产的模具水平也较高,但设备利用率低。
我国模具价格长期以来同其价值不协调,造成模具行业“自身经济效益小,社会效益大”的现象。“干模具的不如干模具标准件的,干标准件的不如干模具带件生产的。干带件生产的不如用模具加工产品的”之类不正常现象存在,极大地挫伤了模具企业(包括模具车间和分厂)职工的积极性。这也是模具行业留不住人才,青年技术人员和青年工人不愿学技术的原因之一。

三、模具的发展趋势
1.模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展
(1)模具软件功能集成化
模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全,同时各功能模块采用同一数据模型,以实现信息的综合管理与共享,从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程,达到实现最佳效益的目的。如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。集成化程度较高的软件还包括:
Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统;北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件;吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统等。

(2)模具设计、分析及制造的三维化
传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具,所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点,从而使模具并行工程成为可能。另外,Cimatran公司的Moldexpert,Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D专业注塑模设计软件,可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司的三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers已经受到用户广泛的好评和应用。国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学的Z-mold软件。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面,生成与制品相对应的型芯和型腔,实现模架零件的全相关,自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格,并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。

(3)模具软件应用的网络化趋势
随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化,以及计算机软硬件技术的迅速发展,网络使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要,也有可能。美国在其《21世纪制造企业战略》中指出,到2006年要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案,使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。

2.模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展
(1)模具检测设备的日益精密、高效
精密、复杂、大型模具的发展,对检测设备的要求越来越高。现在精密模具的精度已达2~3μm,目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机,并具有数字化扫描功能。如东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mm×3250mm三坐标测量机,还拥有数码摄影光学扫描仪,率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段,从而实现了从测量实物→建立数学模型→输出工程图纸→模具制造全过程,成功实现了逆向工程技术的开发和应用。这方面的设备还包括:英国雷尼绍公司第二代高速扫描仪(CYCLON SERIES2)可实现激光测头和接触式测头优势互补,激光扫描精度为0.05mm,接触式测头扫描精度达0.02mm。另外德国GOM公司的ATOS便携式扫描仪,日本罗兰公司的PIX-30、PIX-4台式扫描仪和英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN150多传感三维扫描仪分别具有高速化、廉价化和功能复合化等特点。

(2)数控电火花加工机床
日本沙迪克公司采用直线电机伺服驱动的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的NCEDM具有P-E3自适应控制、PCE能量控制及自动编程专家系统。另外有些EDM还采用了混粉加工工艺、微精加工脉冲电源及模糊控制(FC)等技术。

(3)高速铣削机床(HSM)
铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高(为普通铣削加工的5~10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等诸多优点。因而在模具加工中日益受到重视。瑞士克朗公司UCP710型五轴联动加工中心,其机床定位精度可达8μm,自制的具有矢量闭环控制电主轴,最大转速为42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速铣床,其加工范围达2500mm×5000mm×1800mm,转速达20500r/min,切削进给速度达20m/min。HSM一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料等曲面加工,其曲面加工精度可达0.01mm。

3.快速经济制模技术
缩短产品开发周期是赢得市场竞争的有效手段之一。与传统模具加工技术相比,快速经济制模技术具有制模周期短、成本较低的特点,精度和寿命又能满足生产需求,是综合经济效益比较显著的模具制造技术,具体主要有以下一些技术。 
(1)快速原型制造技术(RPM)。它包括激光立体光刻技术(SLA) ;叠层轮廓制造技术(LOM) ;激光粉末选区烧结成形技术(SLS) ;熔融沉积成形技术(FDM) 和三维印刷成形技术(3D-P)等。
(2)表面成形制模技术。它是指利用喷涂、电铸和化学腐蚀等新的工艺方法形成型腔表面及精细花纹的一种工艺技术。
(3)浇铸成形制模技术。主要有铋锡合金制模技术、锌基合金制模技术、树脂复合成形模具技术及硅橡胶制模技术等。
(4)冷挤压及超塑成形制模技术。
(5)无模多点成形技术。
(6)KEVRON钢带冲裁落料制模技术。
(7)模具毛坯快速制造技术。主要有干砂实型铸造、负压实型铸造、树脂砂实型铸造及失蜡精铸等技术。
(8)其他方面技术。如采用氮气弹簧压边、卸料、快速换模技术、冲压单元组合技术、刃口堆焊技术及实型铸造冲模刃口镶块技术等。

4.模具材料及表面处理技术发展迅速
    模具工业要上水平,材料应用是关键。因选材和用材不当,致使模具过早失效,大约占失效模具的45%以上。在模具材料方面,常用冷作模具钢有CrWMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5Cr4V2,火焰淬火钢(如日本的AUX2、SX105V(7CrSiMnMoV)等;常用新型热作模具钢有美国H13、瑞典QRO80M、QRO90SUPREME等;常用塑料模具用钢有预硬钢(如美国P20)、时效硬化型钢(如美国P21、日本NAK55等)、热处理硬化型钢(如美国D2,日本PD613、PD555、瑞典一胜白136等)、粉末模具钢(如日本KAD18和KAS440)等;覆盖件拉延模常用HT300、QT60-2、Mo-Cr、Mo-V铸铁等,大型模架用HT250。多工位精密冲模常采用钢结硬质合金及硬质合金YG20等。在模具表面处理方面,其主要趋势是:由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗(如TD法)发展;由一般扩散向CVD、PVD、PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展;可采用的镀膜有:TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C等,同时热处理手段由大气热处理向真空热处理发展。另外,目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀(刷镀)防腐强化等技术也日益受到重视。

5.模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到了认同
    在成形工艺方面,主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。另一方面,随着先进制造技术的不断发展和模具行业整体水平的提高,在模具行业出现了一些新的设计、生产、管理理念与模式。具体主要有:适应模具单件生产特点的柔性制造技术;创造最佳管理和效益的团队精神,精益生产;提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理;广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式;适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。

四、总结
    进入21世纪,在经济全球化的新形势下,随着资本、技术和劳动力市场的重新整合,我国装备制造业在加入WTO以后,将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中,无论哪一行业的工程装备,都越来越多地采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求,模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步,满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。

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