中外模具制造技术

前言•模具工业是国民经济的基础工业•模具工业是衡量一个国家工业水平的重要标志•模具工业是技术转化成果的基础国外对模具工业的评价•欧美等工业发达的国家称模具工业为“点铁成金”的“磁力工业”•美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”•德国则认为是所有工业中“关键工业”•日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富强的动力”近年来的世界模具市场•世界模具市场总量一直保持在600-650亿美元的水平•美日法瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的三分之一•日本模具产业年产值达13000亿日元，远远超过日本机床总产值9000亿日元•如今世界模具工业的发展甚至超过了新兴的电子工业我国的模具工业•产值在国际上排名位居第三，仅次于日本和美国•国内的模具生产厂超过17000家，从业人员达50万•近年来我国的模具工业一直以每年13%左右的增长速度快速发展•我国模具行业在“十一五”期间的增长速度达到13%-15%我国模具产业的进出口•近几年来我国每年进口模具约占市场总量20%左右，已超过10亿美元，成为世界上最大的模具进口国•塑料与橡胶模具占全部进口模具的50%以上，冲压模具占全部进口模具约40%•中高档模具进口比例占市场总量40%以上我国模具工业存在的问题•精密加工设备还较少•大型、精密、复杂和长寿模具的产需矛盾十分突出•许多先进的技术如CAD/CAE/CAM技术普及率还不高模具日趋大型化•一方面是由于用模具生产的零件日渐大型化•另一方面是由于高生产率要求二发展多工位模具，多腔模具所致•新型轿车的大尺寸覆盖件成形，大功率汽车的大拐曲轴成形模具的精度越来越高•约在10年之前，精密模具的精度一般为5微米，现在已达2-3微米，不久1微米精度的模具业将出现。随着零件微型化及精度要去的提高，有些模具的加工精度要求在1微米以内•超精密加工已进入纳米级精度阶段•大致分为三个层次：一是用于汽车飞机精密机械的微米级加工二是用于磁盘磁鼓制造的亚微米级加工三是用于超精密电子器件的毫微米级加工压铸模具及塑料模具的比例提高•随着车辆和电机等产品向轻量化方向发展，压铸模具的比例不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度将不断提出更高的要求•随着以塑代钢，以塑代木的进一步发展，塑料模具的比例也将不断提高挤压模及粉末成形模将增多•由于汽车电机等产品向轻量化发展，以铝代钢、高分子材料、复合材料、过程陶瓷、超硬材料的成形加工技术•新型材料的采用不仅改变产品结构和性能，而且使生产工艺发生了根本变革，相应地出现了液态、半固态挤压模具及粉末锻模•金属粉末锻造成形、金属粉末超塑性成形、粉末注射成形、粉末喷涂成形大大扩大了现代精密塑性成形的应用范围多功能复合模具进一步发展•级进组合冲压模具已在美国汽车工业普遍应用，其优点是生产率高，模具成本低，不需要板料剪切•自动冲切、叠压、铆合、分组、转子铁芯扭斜和全保护等功能的铁芯精密自动叠片多功能模具•这种多功能复合模具生产出来不再是单个零件，而是成批的组件热流道技术的应用扩大•采用热流道技术的模具可提高制件的生产率，并能大幅度节约制件的原材料•国外热流道技术的应用发展较快，许多塑料模具厂所生产的塑料模具50%以上采用了热流道技术，甚至达80%以上，效果十分明显•热流道模具在国内已经生产，也有企业使用率上升至20%-30%•制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉质高的元器件，是发展热流道技术的关键塑料气辅成型、高压注射成形工业的日趋成熟•辅成型是在传统的注射成型基础上发展起来的一种创新的注射成型工艺，在充填阶段，当型腔充填至70%-95%时向型腔内注入高压气体，并使气体进入型腔，进入保压阶段，继续注入高压气体以弥补因熔体冷却而引起的收缩•气体辅助注射成型能改善塑料内在和外观质量，它具有压力低、制品翘曲率小，易于成型壁厚差异较大的制品•高压注射成型可减少树脂收缩率，增大塑件尺寸的稳定性，可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本•该工业在国外已经十分成熟，国内目前在汽车和家电行业中正在逐步推广，已能用于电视机外壳和洗衣机外壳、汽车饰品以及一些厚壁塑料件的模具上快速经济模具•中低熔点合金模具、喷涂成形模具、精铸模、层叠模、陶瓷吸塑模、环氧树脂模以及光造型等快速经济模具将进一步发展•铝合金优良的综合性能，用它作模具材料可缩短模周期和降低模具成本，且用于塑料模可有10万以上的寿命，故铝合金进行高速切削来作快速经济模具已在世界上得较为广泛的应用特殊成形工艺•液压成型•聚氨酯成形•无墨多点成形技术•超塑性成形•高能率成形模具设计技术的发展•技术支持——模具设计资料库和知识库系统•统一技术——模具及零件的标准件化•在理论研究方面，要进一步讨探讨新型塑料弹塑性变形本构关系，表面摩擦特征•冲压模金属成形过程的模拟，缺陷预测，起皱，破裂及回弹分析•压铸成形流动模拟，热传导及凝固分析•锻件成形过程模拟及金属流动和充填分析•模具刚性、强度、流道及冷却通路设计•计算机辅助工艺设计（CAPP）•塑料模具塑料成形过程的各种模拟分析（澳大利亚Moldflow公司美国AC—Tech公司）模具加工技术的发展•传统的模具制造技术，主要是根据设计图纸，用仿形加工，成形磨削以及电火花加工方法来制造模具•而现代模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，用传统的模具制造方法显然难于制造，必须采用先进制造技术才能达到它的技术要求•模具CAD/CAE/CAM一体化技术•高速铣削（HSM-high-speedmachining）技术•电火花加工技术•快速原型制造（RPM-RapidprototypingManufacturing）•快速经济制模技术（RTM）•反求技术（RE-ReverseEngineering）•精密测量及高速扫描数字化系统•模具研磨抛光技术模具CAD/CAE/CAM一体化技术•模具CAD/CAE/CAM技术是模具发展的一个里程碑，模具行业普及CAD/CAE/CAM的条件已经成熟，今后必将会有很快的发展•目前，世界上汽车的改型换代一般约为48个月，而美国则只需要30个月，这主要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM和三维实体汽车覆盖件模具结构设计软件•模具CAD/CAE/CAM一体化及软件的宜人化，集成化，智能化，网络化将是今后发展的方向CADEM大型软件•美国参数技术公司PTC的集成化系统pro/engineering•UnigraphicsSolutions公司开发的软件Unigraphic（UG）•美国SDRC公司开发的I-DEAS•以色列Cimatrom公司的三维CAD/CAM软件Cimatron•法国达索Dassault公司开发的CATIA•真正的windows软件SOLIDEGE国内使用CAD/CAE/CAM情况•国内一些大型模具企业，CAD/CAM应用多停留在以国外购买先进的CAD/CAM系统和设备，但在其上进行二次开发较少，资源利用率低•国内一些中小型模具企业，它们CAD/CAM应用很少，有些仅停留在以计算机代替画板绘图•国外的一些CAD/CAM系统虽然功能强大，但是价格昂贵，一般企业难以支付，而国内优秀的CAD/CAM系统很少高速铣削（HSM）技术•铣削加工是型腔模具加工重要手段•高速数控加工是模具加工的前沿技术•其关键技术之一就是采用先进的CAD/CAM集成设计和制造系统进行图形交互的自动数控编程•高精度化：定位精度2-5微米全程，加工精度2-5微米•高速化：主轴转速：40000-60000r/min切削进给速度：1-6m/min快速进给速度：30-40m/min换刀时间：1-2s从而加工效率提高了5-10倍高速铣削技术的优点及不足•优点：工件温升小；热变形小；切削力小；加工平稳，加工质量好；加工效率高（为普通的5-10倍）；可加工硬材料（60HRC）•不足：对刀具提出很高要求；采用与铣削材料相适应的特殊材料；适合比较平坦的浅型腔加工，对深型腔加工有一定的难度；对于具有内倾角的型腔模具，表面有花纹或图案的模具，具有深槽或窄缝的模具加工也都存在一定困难•高速铣削机床造价高国内高速铣削技术的应用•在一定时间内，我国模具企业进口的高速加工机床主轴最高转速仍将以10000-20000r/min为主，少数会达到40000r/min•近年来我国模具制造业中的一些骨干重点企业也先后进口了高速铣床和高速加工中心电火花加工技术•电火花加工（EDM-ElectricalDischargeMachining）虽然已受到高速铣削的严峻挑战，但高速铣削不能完全替代之•在模具的复杂型面、深窄小型腔、尖角、窄缝、沟槽、深坑等处的加工（将是今后EDM应用的重点），但成本要比EDM高得多•对于60HRC以上的高硬材料，EDM要比HSM成本低•同时较之铣削加工，EDM更容易实现自动化电火花铣削加工技术•它是用高速旋转的简单的管状电极，应用CAD/CAM技术三维或二维轮廓加工（像数控铣一样）•EDM铣削的最大特点是简化电极制造，不需要加工成形电机，可选用标准电极，在电极库中进行电极自动交换（AEC），用以补偿电极损耗，提高加工精度•在高精度微细加工方面，这种方式具有良好的前景，国外已在模具加工中应用使用这种技术低速走丝数控电火花切割机床•低速走丝数控电火花切割机床（LWEDM）发展的水平已相当高，功能相当完善，自动化程度已达到无人看管运行的程度•最大切割速度已达300mm2/min，加工精度可达到正负0.5微米。加工表面粗糙度Ra0.1-0.2微米•直径0.03-0.1毫米细丝精密切割技术的开发，可实现凹凸模一次切割完成，并可进行0.04毫米的窄缝及半径0.02毫米内圆角的切割加工•已能进行30度以上锥度的精密加工快速原型制造（RPM）•快速成形（原型）制造技术室美国首先推出的•它是伴随着计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的，是一种全新的制造技术，被公认为是继NC技术之后的一次技术革命•RPM基于它是新颖的离散/堆积（即材料累加）成形思想，根据零件的三维计算机CAD模型，不借助任何加工工具，快速自动完成复杂三维实体（模型）制造，而与零件的几何复杂程度丝毫没有关系CAD模型——模型Z向离散（分层）——层面信息处理——层面加工与粘结——逐层堆积——应用RPM方法与应用•应用RPM技术，从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需世间的三分之一和成本的四分之一左右，因而具有广阔的发展前景•国内的一些大企业集团，如海尔、春光、科龙和华宝等公司已经运用激光快速成形于新产品开发方面，并取得了显著的积极效益•RPM模具制造技术：由快速原型或其他实物模型复制金属模具的间接法，以及直接由RP系统无模制造金属模具的直接法两大类直接快速模具制造•指利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面糙度•目前能够直接制造金属模具的RP工艺包括：激光选区烧结（SLS）三维打印（3D-P）形状沉积制造（SDM）三维焊接（3D-Welding）等间接快速模具制造•首先是通过立体光固化（SLA）、叠层实体制造（LOM）、激光选区烧结（SLS）、三维打印（3D-P）、熔融沉积成形（FDM）等不同方法得到制件原型•然后通过一些传统的快速制模RMT方法，主要有精密铸造、粉末冶金、电珠、表面沉积、旋转铸造（用热硬化橡胶做模具）和熔射（热喷涂）等方法，获得长寿命的金属模具或非金属的低寿命模具RPM的缺陷及发展趋势•两弱点限制了它的工业应用推广：不适合于大批量生产同时其所用材料基本上不属于工业产品所常用材料•目前正向快速制造金属硬模（RHMT-RapidHardMetalTooling）尤其是铁系金属硬模方向发展•90年代，清华大学、西安交通大学、华中科技大学和北京的隆源公司相继进行了成形理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究快速经济制模技术•缩短产品开发周期是赢得市场竞争的有效手段之一•快速经济制模技术RTM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地模具制造技术•非常适合于新