模具技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 南京工程學院 張榮清 主要內(nèi)容 前言 一 .國內(nèi)外模具現(xiàn)狀 國內(nèi)模具現(xiàn)狀 國外模具現(xiàn)狀 二 .國內(nèi)外模具發(fā)展趨勢 模具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展 模具制造技術(shù)的發(fā)展 前言 模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè) 模具工業(yè)是衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志 模具工業(yè)是技術(shù)轉(zhuǎn)化成果的基礎(chǔ) 一 .國內(nèi)外模具現(xiàn)狀 1.一些國家對模具工業(yè)的評價 在歐美等工業(yè)發(fā)達國家被稱為 “ 點鐵成金 ” 的“ 磁力工業(yè) ” 美國工業(yè)界認為 “ 模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石 ” 德國則認為是所有工業(yè)中的 “ 關(guān)鍵工業(yè) ” ； 日本模具協(xié)會也認為 “ 模具是促進社會繁榮富裕的動力 ” 近年來的世界模具市場 世界模具市場總量一直保持在 600650億美元的水平。 美國、日本、法國和瑞士等國每年出口的模具約占其模具總產(chǎn)值的 l/3左右。 日本模具產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達到 13000億日元，遠遠超過日本機床總產(chǎn)值 9000億日元。 如今，世界模具工業(yè)的發(fā)展甚至已超過了新興的電子工業(yè)。 2.我國模具工業(yè) 我國模具工業(yè)的產(chǎn)值在國際上排名位居第三位，僅次于日本和美國。 國內(nèi)的模具生產(chǎn)廠已超過 17000家，從業(yè)人員達50萬。 近年來，我國的模具工業(yè)一直以每年 13左右的增長速度快速發(fā)展 我國模具行業(yè)在“十五”期間的增長速度達到13 15。 中國模具產(chǎn)業(yè)的進出口 近幾年來，我國每年進口模具約占市場總量的20左右，已超過 10億美元，成為世界上最大的模具進口國 其中塑料與橡膠模具占全部進口模具的 50以上，沖壓模具占全部進口模具約 40 中、高檔模具進口比例占市場總量的 40以上 中國模具工業(yè)存在的問題 精密加工設(shè)備還很少 大型、精密、復(fù)雜和長壽命模具的產(chǎn)需矛盾十分突出 許多先進的技術(shù)如 CAD CAECAM技術(shù)的普及率還不高 二 . 國內(nèi)外 模具發(fā)展趨勢 (一 ) 模具發(fā)展趨勢 為了適應(yīng)市場對模具制造的短交貨期 ，高精度 、 低成本的迫切要求 ， 未來我國的模具將呈現(xiàn)幾大發(fā)展趨勢： 1、模具日趨大型化 方面是由于用模具生產(chǎn)的零件日漸大型化 ， 另一方面也是由于高生產(chǎn)率要求而發(fā)展多工位模具 ，多腔模具 （ 現(xiàn)在有的注塑模已達幾百腔 ） 所致 。 新型轎車的大尺寸覆蓋件成形 、 大功率汽車的六拐曲軸成形 2、模具的精度越來越高 10年前 ， 精密模具的精度一般為 5m， 現(xiàn)在已達23m， 不久 1m精度的模具都將上市 。 隨著零件微型化及精度要求的提高 ， 有些模具的加工精度要求在1m以內(nèi) 。 超精密加工已進入納米 （ 0.1m100nm） 級精度階段 大致可分 3個層次： 一是用于汽車、飛機、精密機械的微米 (m)級精密加工； 二是用于磁盤、磁鼓制造的亞微米 (0.1m)級精密加工； 三是用于超精密電子器件的毫微米 (0.001m)級精度加工。 這就要求發(fā)展超精加工 ， 并對模具的加工設(shè)備 、 檢測技術(shù) 、 研磨拋光工藝等提出更高的要求 。 3、壓鑄模及塑料模的 比例將不斷提高 隨著車輛和電機等產(chǎn)品向輕量化方向發(fā)展 ， 壓鑄模具的比例將不斷提高 ， 同時對壓鑄模的壽命和復(fù)雜程度將提出更高的要求 隨著以塑代鋼 、 以塑代木的進一步發(fā)展 ， 塑料模的比例也將不斷提高 。 4、 擠壓模及粉末成形模將增多 由于汽車 、 車輛和電機等產(chǎn)品和輕量化發(fā)展 ， 以鋁代鋼 ， 高分子材料 、 復(fù)合材料 、 工程陶瓷 、 超硬材料的成形加工技術(shù) 。 新型材料的采用 ， 不僅改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能 ， 而且使生產(chǎn)工藝發(fā)生了根本變革 ， 相應(yīng)地出現(xiàn)了液態(tài) 、 半固態(tài)擠壓模具及粉末鍛模 。 金屬粉末鍛造成形 ， 金屬粉末超塑性成形 ， 粉末注射成形 、 粉末噴射和噴涂成形大大擴充了現(xiàn)代精密塑性成形的應(yīng)用范圍 5、 多功能復(fù)臺模具將進一步發(fā)展 級進組合沖壓模已在美國汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用 （ 加工轉(zhuǎn)子 、 定子板或者插接件 ） ， 其優(yōu)點是生產(chǎn)率高 ， 模具成本低 ， 不需要板料剪切 。 如集成電路引線框架的 2030工位的級進模 ， 工位數(shù)量最多已達 160個 。 自動沖切 、 疊壓 、 鉚合 、 計數(shù) 、 分組 、 轉(zhuǎn)子鐵芯扭斜和安全保護等功能的 鐵芯精密自動疊片多功能模具 。 這種多功能復(fù)合模具生產(chǎn)出來的不再是單個零年 ， 而是成批的組件 ， 可大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)及裝配周期 。 16 17 6、 熱流道技術(shù)的應(yīng)用擴大 采用熱流道技術(shù)的模具可提高制件的生產(chǎn)率和質(zhì)量 ，并能大幅度節(jié)約制件的原材料 。 在國外熱流道技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展較快 ， 許多塑料模具廠所生產(chǎn)的塑料模具 50 以上采用了熱流道技術(shù) ， 甚至達到 80 以上 ， 效果十分明顯 。 熱流道模具在國內(nèi)也已生產(chǎn) ， 有些企業(yè)使用率上升到2030%。 國產(chǎn)商品化熱流道系統(tǒng)元件也已出現(xiàn) ， 但也有些模具企業(yè) ， 熱流道模具已占其模具生產(chǎn)總旦的 l3左右 。 制訂熱流道元器件的國家標準 ， 積極生產(chǎn)價廉高質(zhì)量的元器件 ， 是發(fā)展熱流道技術(shù)的關(guān)鍵 。 7、塑料氣輔成形、高壓注射成形工藝日趨成熟 氣輔成形是在傳統(tǒng)的注射成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種創(chuàng)新的注射成型工藝：在充填階段 ， 當型腔充填至 70 -95 時向型腔內(nèi)注入高壓氣體 ， 并使氣體進入型腔 ， 進入保壓階段 ， 繼續(xù)注入高壓氣體以彌補因熔體冷卻而引起的收縮 。 8、氣輔成形成形特點與應(yīng)用 氣體輔助注射成形能改善塑件內(nèi)在和外觀質(zhì)量 ， 它具有注射壓力低 、 制品翹曲變形小 、 易于成形壁厚差異較大的制品等優(yōu)點 、 高壓注射成形可減小樹脂收縮率 ， 增加塑件尺寸的穩(wěn)定性；可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下 ， 大幅度降低成本 。 該工藝在國外已比較成熟 ， 國內(nèi)目前在汽車和家電行業(yè)中正逐步推廣使用 。 不少企業(yè)已能在電視機外殼 、 洗衣機外殼 、 汽車飾件以及一些厚壁塑料件的模具上成功地運用氣輔技術(shù) 。 9、快速經(jīng)濟模具的前景十分廣闊 目前是多品種小批量生產(chǎn)時代 ， 21世紀 ， 這種生產(chǎn)方式占工業(yè)生產(chǎn)的比例將達到 75 以上 。 中 、 低熔點合金模具 ， 噴涂成形模具 、 精鑄模 、 層疊模 、 陶瓷吸塑模 、 環(huán)氧樹脂模及光造型等快速經(jīng)濟模具將進一步發(fā)展 。 由于鋁合金優(yōu)良的綜合性能 ， 用它作模具材料可縮短制模周期和降低模具成本 ， 且用于塑料?？捎?10萬次以上壽命 ， 因此用鋁合金進行高速切削來制作快速經(jīng)濟模具已在世界上得到較為廣泛的使用 ， 我國也已開始使用 ， 預(yù)計今后會得到較快發(fā)展 。 10、特殊的成形工藝得到發(fā)展 如液壓成形 聚氨脂成形 無模多點成形技術(shù) 超塑性成形 高能率成形等 11、塑性精密成形技術(shù) 近 10年來 ， 精密成形技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展：精沖技術(shù) 、 冷擠壓技術(shù) 、 無飛邊熱模鍛技術(shù) 、 溫鍛技術(shù) 、 超塑性成形技術(shù) 、 成形軋制 、 液態(tài)模鍛 、 多向模鍛技術(shù)發(fā)展很快 。 電機定轉(zhuǎn)子雙回轉(zhuǎn)疊片硬質(zhì)合金級進模的步距精度可達 2m， 壽命達到 1億次以上 。 700mm汽輪機葉片精密輥鍛和精整復(fù)合工藝 楔橫軋汽車 、 拖拉機精密軸類鍛件 24 (二 )模具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向 1. 技術(shù)支持模具設(shè)計資料庫和知識庫系統(tǒng) 2. 統(tǒng)一技術(shù)模具及零件的標準件化 3. 在理論研究方面 ， 要進一步探討新型材料大彈塑性變形本構(gòu)關(guān)系 、 表面摩擦特性等 4. 沖壓模金屬成形過程的模擬 、 缺陷預(yù)測 ， 起皺 、 破裂 、 及回彈分析等 （ 彈性 =E， 塑性=E1） 。 5. 壓鑄成形流動模擬 、 熱傳導(dǎo)及凝固分析等 6. 鍛件成形過程模擬及金屬流動和充填分析等 7. 模具剛性、強度、流道及冷卻通路的設(shè)計 8. 計算機輔助工藝設(shè)計（ CAPP） 發(fā)展方向（續(xù) 1） 9. 塑料模具塑料成形過程的各種模擬分析 。 如塑料充模 、 熱傳導(dǎo) 、 冷卻 、 凝固 、 翹曲 、收縮等模擬分析 計算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場 、 溫度場 、 速度場分布等 （ 澳大利亞 Moldflow公司和美國 AC-Tech公司 ） 。 發(fā)展方向（續(xù) 2） (三 )模具加工技術(shù)的發(fā)展方向 傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)，主要是根據(jù)設(shè)計圖紙，用仿型加工，成形磨削以及電火花加工方法來制造模具。 而現(xiàn)代模具不同，它不僅形狀與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且技術(shù)要求更高，用傳統(tǒng)的模具制造方法顯然難于制造，必須采用先進制造技術(shù)才能達到它的技術(shù)要求。 傳統(tǒng)模具與現(xiàn)代模具 制造技術(shù)水平比較 30 1.模具 CAD/CAE/CAM一體化技術(shù) 2.高速銑削（ HSM）技術(shù) 3.電火花加工技術(shù) 4.快速原型制造（ RPM） 5.快速經(jīng)濟制模技術(shù)（ RTM) 31 6.反求技術(shù)（ RE） 7. 精密測量及高速掃描 數(shù)字化系統(tǒng) 8.模具研磨拋光技術(shù) 1.模具 CAD/CAE/CAM一體化技術(shù) 模具 CAD/CAE/CAM技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個里程碑 ， 模具行業(yè)普及 CAD/CAM的條件已經(jīng)成熟 ， 今后必將有很快的發(fā)展 。 目前 ， 世界上汽車的改型換代一般約需 48個月 ， 而美國僅需 30個月 ， 這主要得益于在模具業(yè)中應(yīng)用了CAD/CAE/CAM和三維實體汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件 。 模具 CAD/CAE/CAM一體化及軟件的宜人化 、 集成化 、智能化 、 網(wǎng)絡(luò)化將是今后的發(fā)展方向 。 美國參數(shù)技術(shù)公司 PTC的集成化系統(tǒng) Pro/Engineering UnigraphicsSolutions公司開發(fā)的軟件 Unigraphic (UG) 美國 SDRC公司開發(fā)的 I DEAS 以色列 Cimatron公司的三維 CAD/ CAM軟件 Cimatron 法國達索 Dassault公司開發(fā)的 CATIA 真正的 Window軟件 SOLIDEGE CADEM大型軟件 國內(nèi)使用 CAD/CAM現(xiàn)狀 國內(nèi)一些大型模具企業(yè)， CAD CAM應(yīng)用狀況多停留在從國外購買先進的 CAD CAM系統(tǒng)和設(shè)備，但在其上進行的二次開發(fā)較少，資源利用率低； 國內(nèi)一些中小型模具企業(yè)，它們的 CAD CAM應(yīng)用很少，有些僅停留在以計算機代替圖板繪圖。 國外的一些 CAD CAM系統(tǒng)雖然功能強大，但價格昂貴，一般企業(yè)難以支付，而國內(nèi)優(yōu)秀的CAD CAM系統(tǒng)很少 2.高速銑削（ HSM）技術(shù) 銑削加工是型腔模具加工的重要手段 高速數(shù)控加工是模具加工的前沿技術(shù) 其關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用先進的 CAD/CAM集成設(shè)計和制造系統(tǒng) ， 進行圖形交互的自動數(shù)控編程 高速銑削優(yōu)點 工件溫升低 熱變形小、 切削力小 加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好 加工效率高（為普通銑削加工的 510倍） 可加工硬材料（ 60HRC）等 37 除有內(nèi)銳角的型腔和極窄而深的型腔外，基本都可用高速銑削代替 EDM加工； 采用高速銑削加工模具型面可比 EDM加工節(jié)省 25% 60%加工工時； 高速銑削的型面表面質(zhì)量好，可避免 EDM加工可能出現(xiàn)的表面微細型紋； 高速銑削能加工 45 60HRC硬表面，精銑面粗糙度可達 Ra=0.63m,減少手工拋光工時 ； 省卻 EDM加工電極的制造環(huán)節(jié) ,顯著縮短制模周期 ； 高速銑削迅速發(fā)展 的體現(xiàn) 高精度化：定位精度 25m/全程，加工精度 25m，所以高速銑削進入了精密切削領(lǐng)域。 高速化：主軸轉(zhuǎn)速 4000060000r/min；切削進給速度 16m min；快速進給速度3040m/min，換刀時間 12s，從而加工效率提高了 510倍 高速銑削不足 對刀具提出了很高的要求 采用與銑削材料相適應(yīng)的特殊刀具材料 （ 如新型刀具有金屬陶瓷刀具 、 CBN具 、 PCD刀具 、 PCBN刀具 、涂層硬質(zhì)合金刀具等 ） 適合于比較平坦的淺型腔加工 ， 對深型腔加工有一定困難 對于具有內(nèi)清角的型腔模具 、 表面有花紋或圖案的模具 、 具有深槽或窄縫的模具的加工也都存在一定困難 。 高速銑削機床造價高 高速銑削在國內(nèi)的應(yīng)用 在一定時間內(nèi) ， 我國模具企業(yè)進口的高速加工機床主軸最高轉(zhuǎn)速仍將以 1000020000r min為主 ， 少數(shù)會達到 40000r/min左右 。 近年來我國模具制造業(yè)中的一些骨干重點企業(yè)先后進口了高速銑床和高速加工中心 ， 它們已在模具加工中發(fā)揮了很好的作用 。 可以預(yù)計 ， 我國模具企業(yè)將會越來越多地應(yīng)用高速銑削技術(shù) 。 3.電火花加工技術(shù) 電火花加工 （ EDM） 雖然已受到高速銑削的嚴峻挑戰(zhàn) ， 但高速銑削不能完全替代之 。 在模具的復(fù)雜型面 、 深窄小型腔 、 尖角 、 窄縫 、溝漕 、 深坑等處的加工 （ 將是今后 EDM應(yīng)用的重點 ） ， 但成本要比 EDM高得多 。 對于 60HRC以上的高硬材料 ， EDM要比 HSM成本低 。 同時較之銑削加工 ， EDM更易實現(xiàn)自動化 。 電火花銑削加工技術(shù) 它是用高速旋轉(zhuǎn)的簡單的管狀電極 ， 應(yīng)用 CAD/CAM技術(shù)作三維或二維輪廓加工 （ 像數(shù)控銑一樣 ） 。 EDM銑削的最大特點是簡化電極制造 ， 不需要加工成形電極 ， 可選用標準電極 ， 在電極庫中進行電極自動交換 （ AEC） ， 用以補償電極損耗 ， 提高加工精度 。 在高精度微細加工方面 ， 這種方式具有良好的前景 。國外已在模具加工中應(yīng)用使用這種技術(shù) 。 低速走絲數(shù)控電火花線切割機床 低速走絲數(shù)控電火花線切割機床 （ LWEDM） 發(fā)展的水平已相當高 ， 功能相當完善 ， 自動化程度已達到無人看管運行的程度 。 其加工工藝水平也令人稱道 。 最大切割速度已達 300mm2/min， 加工精度可達到 0.5m， 加工表面粗糙度 Ra 0.10.2m。 直徑 0.030.1mm細絲精密切割技術(shù)的開發(fā) ， 可實現(xiàn)凹 、凸模一次切割完成 ， 并可進行 0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內(nèi)圓角的切割加工 。 已能進行 30 以上錐度的精密加工 4.快速原型制造（ RPM） 快速成形 （ 原型 ） 制造技術(shù) RPM（ Rapid Prototyping Manufacturing） 是美國首先推出的 。 它是伴隨著計算機技術(shù) 、 激光成形技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的 ， 是一種全新的制造技術(shù) ， 被公認為是 繼 NC技術(shù)之后的一次技術(shù)革命 。 RPM基于它是基于新穎的離散堆積 （ 即材料累加 ）成形思想 ， 根據(jù)零件的三維計算機 CAD模型 ， 不借助任何加工工具 ， 快速自動完成復(fù)雜的三維實體 （ 模型 ）制造 ， 而與零件的幾何復(fù)雜程度絲毫無關(guān) 。 45 RPM方法與應(yīng)用 應(yīng)用 RPM技術(shù)，從模具的概念設(shè)計到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的 l 3和成本的 l4左右，因而具有廣闊的發(fā)展前景。 國內(nèi)的一些大企業(yè)集團