我国模具设计及制造技术的现状与发展

我国模具设计及制造技术的现状与发展——模具与现代技术概论(实践)作业报告知识产权1202梁萍一、国内模具业现状我国模具工业的发展速度很快。我国模具行业十一五头3年模具工业产值年均增长率为17.1%,2003年全国模具总产值达450亿元以上,2005年总销售额超600亿元,从近3年多的发展情况来看,我国模具市场发展前景十分乐观。2010年全国模具总产值达约1200亿元,按每年15%的增长率，预计到2020年约为3100亿元。经过10年努力我国模具水平到2020年时将进入亚洲先进水平的行列,再经过10年的努力,2030年时基本达到国际水平,我国不但成为模具生产大国,而且进入世界模具生产制造强国之列。在模具生产方面,国内已经能够生产精度达2μm的精密多工位级进模;在汽车模具方面,已能制造新轿车的部分覆盖件模具。许多模具企业十分重视技术发展,增大了用于模具技术进步的投资,现今从事模具技术研究的机构和院校已有100余家,从事模具技术教育培训的院校已超过150家。二世界发达国家的差距目前全世界模具年产值约为600亿美元,日本、美国等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业。虽然中国模具工业近几年设计、制造技术、模具质量水平等取得了很大的发展,但与世界发达国家相比仍存在较大的差距。（1）模具设计体系、规范。模具设计软件系统开发是当务之急。（2）制造工艺水平。国内模具生产厂家工艺条件参差不齐。不少厂家特别是私有企业,由于设备不配套,很多工作依赖手工完成,严重影响精度和质量。而欧美许多模具企业的生产技术水平在国际上是一流的。（3）调试水平。模具属于工艺装备,生产出合格制品才是最终目的。国内模具的质量、性能检验大多放在用户处,易给用户造成大量的损失和浪费。而国外大都拥有自己的试模场所和设备,可以模拟用户的工作条件试模,所以能在最短时限达到很好的效果。（4）原材料问题。国产模具多采用2Cr13和3Cr13,而国外则采用专用模具材料DINI、2316,其综合机械性能、耐磨、耐腐蚀性能及抛光亮度均明显优于国产材料。材料从根本上影响国产模具的外观质量和使用寿命。（5）价格因素。对用户而言合理的质量价格比是最优选择,所以进口模具价格比国产模具高8~10倍,仍有其市场空间。（6）配套体系。我国模具生产企业往往忽视与其它设备、原料供应商合作,无形中使用户走了许多弯路。三、模具的设计与制造技术我国的模具制造工艺设备同先进国家相比还有一定差距。20世纪90年代以前，模具的设计使用计算机的很少，制造也主要以普通万能设备为主。进入90年代，巨大的市场需求，特别是汽车、摩托车业的快速发展，极大地推进了中国模具业的发展。同时随着合资和独资企业的介入，国外先进的模具设备和制造技术的引进，促使国产模具设计和制造技术水平逐步提高，一些企业已经具备设计和制造大型精密模具的能力。我国的模具设计制造能力和市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。这些主要表现在高档轿车和大中型汽车铸造模具，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。随着模具企业的生产技术水平提高，高新技术在模具的设计和制造中的应用，已成为快速制造优质模具的有力保证。CAD/CAM/CAE的应用，显示了用信息技术带动和提升模具工业的优越性，CAD/CAM/CAE已成为模具企业普遍应用的技术。CAD/CAM一体化技术已在铸造模具业中广泛使用，目前二维设计使用的软件主要是AutoCAD，三维设计使用的软件比较多，主要有Pro/E、UG、Cimatron等。最近几年，不断引进先进制造技术和先进设备，在零件测绘方面，一般不再用拓印法，样板法，而采用三坐标测量仪和激光扫描仪等先进测量设备和测量技术，测绘零件不仅准确、迅速，而且可将所测数据和图形直接输入计算机，建立各种文件，显示零件的三维模型和二维图形。在设计方面，由于CAD的普遍应用，许多企业和工厂已经甩掉了图板，三维造型软件的大力推广，不仅可为CNC编程和集成提供保证，还可以在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。在加工方面，数控机床的广泛使用不仅保证铸造模具零件的加工精度和质量，而且以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，比传统的切削加工效率提高几倍甚至十几倍。一些上规模、上水平的铸造模具厂不断涌现，一些无技术、无水准、设备简陋的手工作坊逐步被淘汰出局，使我国的铸造模具厂业又有了长足的发展。模具设计与制造技术呈现以下几方面特点：(1)AutoCAD被设计人员普遍使用。(2)CAD/CAM已在模具技术与制造上广泛使用。(3)快速成型制造模具已进入到使用阶段，LOS、SLS等方法应用的可靠性和技术指标达到和超过国外同类产品水平。(4)高速加工（Highspeedmachining，简称HSM）技术引进模具工业，提高了模具精度。大大缩短了模具制造时间。(5)CAE、逆向工程已有部分企业应用并取得明显效果。产品开发前期的凝固模拟大大优化了工艺设计，缩短了试验时间，利用逆向工程、数字化（CAD/CAM）方法制作模具（尤其是复杂模具）更是具有周期短、精度高、一致性好及价格低等许多优点。(6)采用优质模具材料，提高表面处理技术。(7)提高模具标准化水平和标准件的使用率，同时加强与铸造设备厂的沟通。在模具材料及表面处理技术方面，随着模具加工技术的提高及对铸模尺寸稳定性要求的提高，一些模具钢、铬钼合金钢，H13钢，也开始用于制作热芯盒和铸模本体。在压铸模具中衬模材料早期主要采用3Cr2W8V，近年来较多地采用H13、瑞典的8407、DIVER等热作模具钢。压铸模具其他部分材料有碳钢、工具钢，也有一些铸铁。四、我国模具行业未来的发展趋势从长期发展来看，中国经济保持持续增长，今后铸造模具总体需求还会增长。中国模具近年来以17%平均的速度增长，高于中国GDP的平均增值一倍多。铸造模具也可以保持同步的发展,因此铸造模具还有很大的发展空间。1.技术上要进一步完善当前，我国工业生产的特点是产品品种多，更新快，市场仍处买方市场态势。这种情况下，用户对产品包括模具制造的要求是“工期短、精度高、质量好、价格低”。用户对铸造模具产品的苛刻，正是对厂家日益完善的压力。确实是对铸造模具生产企业一个完整体系的考验。（1）CAD/CAM/CAE一体化当前多数铸造模具厂家依然采用老办法，设计，编程、工艺、加工、检查都是相对独立分开，独立考核，独立核算，而拉开大幕看市场，这方面，部分国企模具厂落伍了。一些中小模具厂采取的是一条龙作业方式，从设计到编程直到加工出产品甚至售后服务均由一人或几人完成，生产传递环节少，出现问题易发觉，因而成本低、质量好，周期短。如果CAD/CAM/CAE一体化加工能够提高普及率，我国模具生产能力将有一个飞跃。（2）模具标准件的应用模具设计上，很多国外模具厂家都采用标准化组合设计，因而设计周期短，而我国目前全部产品都是从开头设计，包括每个环节。因而，使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。因此标准件的应用必将日渐广泛。模具标准件的开发利用，将使我国铸造模具生产大为简化。（3）求逆向工程开发铸造模具制造范围一般而言，反求工程是指对难以用CAD建立数据模型，而只能通过对实物进行数据扫描、测量的方法采集数据，在CAM软件系统中建立数学模型，后生成NC程序，控制数控加工中心进行模具制造的过程。这样就缩短了模具制造周期，又提高了产品质量。反求工程在模具制造业上应值得推广应用。可以扩展产品加工范围。2.高新设备的应用（1）高速铣削加工将得到更广泛的应用国外近年来发展的高速铣削加工，主轴转速可达40000~100000r/min,快速进给速度可达到30~40m/min,换刀时间可提到1~3s.这就大幅度提高了加工效率，如在加工压铸模时，可提高7~8倍，并可获得Ra≤10μｍ的加工表面粗糙度。形状精度可达10μｍ。外还可以加工硬度达60HRC的模块，形成了对电火花成形加工的挑战。因此，高速铣削加工技术的发展，将促成铸造模具加工技术的发展。（2）模具高速扫描及数字化系统将发挥更大作用英国雷尼绍公司模具扫描系统，已在我国200多家模具厂点得到应用，效果良好。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需要的诸多功能，大大缩短了铸造模具研制和制造周期，如RENSCAN200快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，用雷尼绍的SP2-1扫描头实现快速数据采集，控制核心是雷尼绍TRACECUT软件，可自动生成各种不同数据系统的加工程序及不同格式的CAD数据。（3）模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展模具表面精加工是模具加工未能很好解决的难题之一，也正是模具钳工劳动强度大、成为瓶颈原因之一。特别反映在硬度大的金属、压铸模具进行最后组装过程。我国目前仍以手工为主，不仅质量不稳定、周期长，而且工人作业环境差，制约了我国铸造模具向更高层次发展。因此，研究抛光自动化、智能化是当务之急。当然，由于铸造模具、压铸模具型腔复杂，采用抛光的自动化、智能化有一定局限。3.未来的发展方向快速制模技术在现代制造业的生产和发展中起着重要作用。而随着科技的发展，市场对制模技术的要求必然越来越高。虽然间接制模技术被广泛应用，但其模具精准度不高，综合性能较低，无法满足市场发展需求。直接制模技术虽然可以保证其数据准确，在质量上比较稳定，但其技术并不成熟，实际操作中很难控制模具的具体数据。所以，相关部门必须重视快速制模技术的发展，加大研发资金投入，研发出综合性能较高、数据精准、生产工序简单的快速制模技术，这是快速制模技术发展的必然趋势，也是提高企业市场竞争力和增加经济效益的重要手段。未来模具行业在以下若干方面将得到发展:(1)以机床工业、能源工业、石化工业以及海洋工程为主要目标，以重、高、大、难为特点，开展重大技术装备、铸造技术的基础理论研究。发展数值模拟、物理模拟及专家系统，使铸造技术由“经验”走向“定量”。（2）以汽车工业、航空航天及核能工业为主要目标，以强韧化、轻量化、精密化和高效化为特点，开展铸造模具新材料、新工艺的研究。（3）为提高产品质量和生产率，增强我国工业产品在国际市场上的竞争能力，开展铸造过程自动化。柔性生产单元和系统及集成制造技术的研究。（4）激励开展有潜力在应用前景的铸造模具技术应用基础理论的研究。（5）大力发展提供铸造工艺材料及辅助的专业化、现代化的企业。（6）发展绿色集约化铸造，加大治理铸造过程对环境污染的力度，加强对铸造材料的再生和回用。4.3D打印技术，未来模具发展的方向3D打印技术，它是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印。3D打印和机器人一样是一种全新的工业革命的标志性技术，是新的技术革命对模具制造变革的机遇和挑战，模具行业要把握住这种机遇，以探索更具有竞争性和未来前瞻的新工艺，完成模具业发展的转型升级。3D打印技术虽然在模具行业中的应用还有些瓶颈，相信通过不懈的努力，一定会成为模具发展的方向。五、结语当今产品的概念不仅仅是满足于产品的功能，要求外表美观、精致、豪华、技术含量高、舒适、性化、绿色化等。此适应市场对产品多样化的需求,设计、加工出造型独特、尺寸精良批量产品,就必须进一步提高模具设计加工的技术含量,为此模具制造难度自然增大。所以及时了解模具现状与发展动态,找出差距,确定目标,寻求最佳模具设计加工技术,相信随着计算机技术及信息化技术的不断发展,模具中先进制造技术相互渗透,必将带动模具技术取得长足的发展。快速制模技术将在制造业中发挥越来越重要的作用。我国只有加大投入，头赶上，才能在新一轮制造技术竞赛中不被落下。也只有研发出适合我国国情和市场需要的制模技术，能推动制造业的良性发展，提高企业经济效益，促进国民经济的整体快速发展。参考文献：[1]我国铸造模具的现状及发展.黄汉云.铸造论坛论文集.2014/8.[2]浅析国内工业设计的现状及对策.张梦妮.化工管理.2015/8.[3]模具行业设计制造技术现状与趋势.陈静媛.机械设计与制造.2007.[4]快速模具制造技