现代模具技术的现状及发展趋势.pdf

专稿SPECIALPAPER30航空制造技术2006年第6期近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地。据权威报告，中国已成为世界第一制造大国。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济基础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。“十五”规划指出，模具是工业生产的基础工艺装备，国民经济的五大支柱产业机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业的发展与之相适应。模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用，这是其他加工制造业所无法比拟的。模具是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、仪表、仪器、医疗器械、电子通信、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业必不可少的工艺装备。据资料统计，利用模具制造的零件数量，在飞机、汽车、摩托车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表等机电产品中占80%以上；在电脑、电视机、摄像机、照相机、录像机等电子产品中占85%以上；在电冰箱、洗衣机、空调、电风扇、自行车、手表等轻工业产品中占90%以上；在子弹、枪支等兵器产品中占95%以上。我国加入WTO以后，各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新要求，致使模具需求量增加，对模具的质量要求也越来越高，因此，迅速提高模具技术水平已成为当务之急。例如，日本汽车、计算机、电视机、手机等产品的品种、数量、质量在国际市场占有优势地位，其重要原因之一就是日本模具技术居于世界领先水平。从资料获悉，目前，美国、日本、德国等发达国家的模具总产值都已超过机床总产值。模具技术的进步极大地促进了工业产品的发展，模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值将超过模具自身价格的几十美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”；日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”；德国给模具工业冠之以“金属加工业中的帝王”称号；欧盟一些国家称“模具就是黄金”；新加坡则把模具工业作为“磁力工业”；中国模具权威称“模具是印钞机“。可见模具工业在世界各国经济发展中所具有的重要地位，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一上海交通大学教授洪慎章现代模具技术的现状及发展趋势洪慎章：上海交通大学塑性成形工程系教授。1960年毕业于原苏联列宁格勒加里宁工学院机械系，获技术科学副博士学位。长期从事塑性成形加工教学及科研工作；多次参加国际学术会议；在国内外发表论文200余篇，著有CAD、CAE、CAM在锻压生产中的应用、滚锻工程学、冷挤压实用技术等12部著作专稿SPECIALPAPER倍乃至上百倍、上千倍。模具的主要类型有：冲模、锻模、塑料模、压铸模、粉末冶金模、玻璃模、橡胶模等。除部分板料冲压以外，上述各种模具都属于型腔模，因为它们一般都是依靠三维模具型腔使材料成形的。模具属于边缘科学，它涉及机械设计制造、塑性加工、铸造、金属材料及其热处理、高分子材料、金属物理、凝固理论、粉末冶金、塑料、橡胶、玻璃等诸多学科、领域和行业。从起步到现在，我国模具工业经历了半个多世纪的发展，已有了较大的提高，与国外的差距正在进一步缩小。纵观我国的模具工业，既有高速发展的良好势头，又存在精度低、结构欠合理、寿命短等一系列不足，无法满足整个工业迅速发展的迫切要求。现代模具的现状简介如下。(1)精密模具。当代模具要求的精度比传统模具高出一个数量级。多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度已达到0.003mm，甚至更高。多工位的级进模设计和制造技术已日趋成熟，在引进技术及设备情况下，部分企业的此类模具已达到或接近国外先进水平；照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具均已形成规模化生产，子午线轮胎橡胶活络模国产化率已大为提高。目前，模具超精密加工已达到纳米级精度。(2)大型模具。我国已能生产轿车覆盖件模具、48英寸(212cm)大屏幕彩色电视机前壳及后盖注塑模具、6.5kg大容量洗衣机全套塑料模、轿车仪表板形状复杂的注塑模、自动扶梯整体阶梯压铸模及汽车变速箱体压铸模等大型模具。另外，为了提高生产率，采用了多工位及多模腔方式，例如，高生产率级进模有50多个工位，塑封模每模一次生产数百件，塑胶鞋模有18个工位等等。(3)成形工艺。随着人们对产品形状、尺寸精度、整体性及生产效率等要求的提高，以及许多新材料新工艺的广泛应用，当代模具结构和型腔日益复杂。例如，一台大型复合材料成型模具，其结构复杂程度和价格超过一台精密机床。一些大型覆盖件成形模具，不仅型腔形状复杂，而且模具配套性要求极高，要求多个相关模具型腔协调一致，用传统加工方法无法达到其质量要求。除液态模锻、粉末锻造成型工艺外，还有多材质塑料成型模、高效多色注塑模、镶件互换结构和各种轴芯脱模机构的创新设计也取得了较大进展；在陶瓷模具成形工艺中，成形表面采用硅胶技术解决了模具的粘粉问题，同时采用磁吸技术，使其具有自动调整间隙的功能，保证陶瓷砖面平整，简化了模具结构。在冲压成形加工中，多功能复合模具逐渐增多，一副多功能复合模具除了冲压成形零件外，还担负着叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务。这种用多功能复合方式生产出来的不再是单个零件，而是成批的组装件，可大大缩短产品的生产及装配周期，显著地提高生产率。(4)模具的制造技术。CAD/CAE/CAM技术的应用水平已上了一个新台阶。以高速发展的家电制造业为例，引进了美国、德国、日本、澳大利亚等国相当数量的CAD/CAM系统，取得了一定的经济技术效益，促进和推动了我国的CAD/CAM技术的发展。数控机床、加工中心、激光、电火花、线切割、真空淬火以及PVO等表面强化技术在模具制造中已得到普及。(5)模具工程师。人是企业最活跃的因素，市场竞争最主要的是人才竞争。我国模具行业的工程技术人员的素质不能适应模具工业的发展，而且人才断层现象十分明显。队伍不稳定、人才匮乏是制约模具工业发展的重要因素之一。为了制造高精度、长寿命、高效的复杂腔结构的现代模具，需解决以下个方面的问题：(1)模具材料及其表面处理技术。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的冷作模具钢有CrWMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5Cr4V2，新型冷作模具钢有65Nb、O12Al、CG-2、LD、GD、GM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(P20、SM1B30)、时效硬化型钢(P21、PMS、SM2、日本NAK55等)、热处理硬化型钢(MnCrWV、日本S-STAR、瑞典胜百S-136等)、31航空制造技术2006年第6期冷冲级进模精密闭路辊锻模具现代模具技术的现状现代模具技术的发展趋势专稿SPECIALPAPER32航空制造技术2006年第6期粉末模具钢(日本DEX40等)；多工位精度冲模硬质合金(YG20、YG25等)以及钢结构硬质合金(TLMW50、GW50等)。在模具表面处理方面，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、离入渗入、离子注入等方向发展；可采用的镀膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAN、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，激光强化、辉光离子氮化技术也日益受到重视。(2)提高设计制造技术水平。当代模具的设计与制造已广泛采用计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)，设计过程程序化和自动化，使用程序模拟成形过程，采用交互式设计方法，发挥人和计算机的各自特长。数据库和计算机网络技术使设计人员拥有大量资料和信息。设计与制造之间的直接信息传输便于设计的反复修改。先进设计和加工方法的日益普及为高质量、短周期开发模具并且保证模具有足够长的使用寿命提供了技术保证。模具设计与加工方法的发展主要有以下几个方面：模具软件功能集成化。模具软件功能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、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、逆向工程系统等。集成化较高的软件还有UG、CATIA和Pro/E等。快速原型法和快速制模技术(RPM/RMT)。该技术被称为自数控技术以来的又一次革命，尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。它是一项集激光、材料、信息及控制等技术于一体的先进制造技术，其突出特点就是能根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型，甚至产品，而不需要任何工装夹具，面叠加形成三维实体。RPM与PMT技术的结合将是传统快速制模技术进一步发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合，为模具型腔精铸成型提供了新途径。应用RPM/RMT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时间的1/3和成本的1/4左右，因而具有广阔的发展前景。如美国DTM公司的RapidTool专利技术，它能在510天内制造生产用的注塑模，可注塑零件万件以上，属于直接用于批量生产的模具。高速铣削技术。高速铣削是目前切削技术中应用最多的一种工艺技术，是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效、高精度数控加工方式。高速铣削具有工件温度低、切削力小、加工平稳、质量好、效率高(为普遍铣削加工的510倍)及可加工硬质材料(硬度不低于HRC60)等诸多优点，因而在模具加工中日益受到重视。高速铣削机床(HSM)一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、变速箱体压铸模、大型注塑模等曲面加工，其加工精度可以达到0.01mm。国外高速加工机床主轴最高转速已经超过100000r/min，快速进给速度可达到120m/min，换刀时间可减少到12s。(3)专业化生产及标准化。专业化生产是现代化工业生产的重要特征之一，工业先进国家模具专业化生产已达到75%以上。美、日两国的模具厂80%是10人以下的小工厂，90%是20人以下小而专的企业。一般一个模具专业厂只生产12种模具。这种专业