现代模具制造技术

现代模具制造技术（桂瑞峰2009003G105工程硕士）一、概述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2007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1999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。2007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2007年到2010年，对180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。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。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。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。3、模具工业配套材料，标准件结构现状近10多年来，特别是“十一五”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。三、模具业今后的发展：模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低，已经成为衡量一个国家机械制造技术水平的重要标志之一，直接影响着国民经济中许多部门的发展。现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术，正向如下的方向发展：（1）高精度现代模具的精度要求比传统的模具精度至少要高一个数量级。（2）长寿命现代模具的寿命比传统模具的寿命要高出5～10倍。如现代模具一般均可达到500万次以上，最高可达6亿次之多。（3)高生产率由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和层叠注塑模等先进模具，可以极大地提高生产率，从而带来显著的经济效益。如用四工位的注塑模生产塑料汽水瓶，每小时可生产8000件以上。（4）结构复杂随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料、新工艺的广泛应用，对现代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。若采用传统的模具制造方法，不仅成本高、生产率低，而且很难保证模具的质量要求。传统模具设计制造技术，根本不能满足市场对模具的要求。因此，研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行。模具CAD/CAM和RT(RapidTooling)技术正是在这种形势下被开发出来的，并在现代模具的生产中发挥了重要作用。1模具CAD/CAM模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。采用单独的CAD和CAM技术设计生产模具，就其整个生产过程来看，与传统模具设计生产过程没有什么本质变化，仍然分成两个环节—设计与制造，且二者之间有着明显的分界，图纸是它们之间传递信息的最重要的手段。模具CAD/CAM则是把CAD和CAM紧密地联系起来，实现设计制造一体化，其实质是设计与制造的综合计算机化。在CAD/CAM系统中，产品的几何模型是关于产品的最基本核心数据，并作为整个设计、计算、分析过程中最原始的数据。其结果可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的各有关方面，从而实现设计制造的一体化。这时，图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造过程的唯一依据，在系统中传递的是整个设计、计算、分析后所获得的大量信息。模具CAD/CAM技术所以能很快地得到发展和广泛的应用，主要是它具有如下的一些特点：（1）知识、技术密集,综合性强。模具CAD/CAM技术是由多种先进制造技术和计算机技术的综合，其知识、技术高度密集，涉及学科领域多，知识面广，技术性更强，这就要求从业人员不仅要有较高的专业技术和技能，而且要有多学科的综合知识和技术。（2）生产率高，经济效益显著。模具CAD/CAM技术可以极大地提高生产率和经济效益，据有关资料统计分析，用传统的方法制造模具，从设计到制成产品交货，大约需要几个月的时间。而采用模具CAD/CAM技术则可缩短为十几天甚至几天的时间，这就为企业在激烈的市场竞争中赢得了时间，以创造良好的经济效益。（3）有利于提高模具的标准化程度，极大地发挥人的创造性。标准化工作可有效地促进模具CAD/CAM技术的发展，而模具CAD/CAM则要求模具设计过程的标准化、模具结构的标准化、模具制造过程的标准化和工艺条件的标准化。（4）更新速度快，初始投资大。模具CAD/CAM技术的更新速度快，能适应市场形势的变化，为企业带来很高的效益，但它的初始投资却是巨大的，这也是制约模具CAD/CAM推广应用的一个重要因素。（5）适应性广，这是模具CAD/CAM技术的又一特点。它不仅能适应于大型企业，而且也适用于中、小型企业。模具CAD/CAM技术仍然是在不断发展中的技术，其发展的最高阶段是计算机集成制造系统（CIMS），其目标是模具制造的全盘自动化，这就要求有较长时间的研究开发和巨额的资金投入。人们相信，随着CAD/CAM技术的不断发展和完善，必将在机械制造业中发挥巨大的作用，为社会带来不可估量的经济效益。2快速模具制造RT快速模具制造是快速原型RP在模具制造行业中的成功应用。目前，快速模具RT主要应用于注塑模、冲压模、铸模等方面，其制造工艺方法主要有RP间接制模和在RP系统上直接制模两种，有三种典型的工艺路线。其一是单件小批量的产品制造，它利用RP快速原型技术和真空注塑技术，直接制造树脂模具；其二是中等批量的零件的制造，其工艺方案是利用RP快速原型，采用快速喷涂技术制造金属冷喷模（即在模具表面喷涂一层金属薄壳，基体仍为塑料），这种模具可用于3000件以下的注塑件的生产；其三是大批量生产类型，工艺路线是先利用RP制造石墨电极，再通过电火花加工钢模，它适用于万件以上的大批量生产。综合快速模具制造RT技术，它与传统的模具制造技术及模具CAD/CAM相比,还具有如下特点：（1)制造方法简单，工艺范围广由于快速模具制造是基于材料逐层堆积的成形方法，工艺过程相对简单、方便和快捷，它不仅能适应各种生产类型特别是单件小批的模具生产，而且能适应各种复杂程度的模具制造；它既能制造塑料模具，也能制造金属模具。模具的结构愈复杂，快速模具制造的优越性就更突出。（2）模具材料可强韧化和复合化快速模具制造工艺能方便地利用在合金中添加元素或结晶核心，改变金属凝固过程或热处理等手段，可改善和提高模具材料的性能；或者在合金中添加其它材料，可制造复合材料模具。(3)设计周期短，质量高由于RT的模具设计极少依赖人的因素，因而可有效地降低人为的设计缺陷。设计师可利用RP制造的高精度模型，在设计阶段就可对产品的整体或局部进行装配和综合评价，并不断改进，大大地提高了产品的设计质量。（4）便于远程的制造服务由于RT对信息技术的应用，缩短了用户和制造商之间的距离，利用互联网可进行远程设计和远程服务，能使有限的资源得到充分的发挥，用户的需求能得到最快的响应。RP是80年代才发展起来的高新制造技术，快速模具制造（RT）技术是应用这一技术改造传统模具技术的成功范例。由于RT显著的经济效益，近年来工业界对RT的研究投入了大量的人力和资金，迄今为止全球已有300多家RT服务机构，因而促进了这一技术的快速发展和应用。四、模具的选材原则（一）满足工作条件要求1．耐磨性坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。2．强韧性模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零