冲模设计的发展现状和趋势-文献综述

冲模设计的发展现状和趋势摘要：模具技术水平的高低是衡量一个国家制造及设计水平的重要标志，我国工业的发展和国民的需求要求模具行业向着大型、精密、高效、低耗、长寿命和多功能等方向去发展，从而满足我国工业的需要。文章从冲压模具行业的发展历史、发展现状以及发展的方向趋势等三个方面去分析冲压模具，以寻求模具行业的新发展。关键词：冲压模具；模具技术；制造水平；CAD/CAM/CAE 技术Abstract: The level of mold technology is an important measure of a countrys manufacturing and design signs that the demand of Chinas industrial development and national requirements the mold industry toward large, precision, high efficiency, low power consumption, long life and multifunction direction to develop,so as to meet the needs of our industry. The three aspects of the article from the history of the development of the stamping die industry, development status, as well as the development direction of the trend to analyze stamping mold, the mold industry to seek new development.Keywords: stamping die; mold technology; manufacturing level; CAD / CAM / CAE technology1. 前言 冲压模具设备是冲压生产必不可少的工艺装备,是技术密集型产品。冲压模具在现在社会中有了较大的发展，并且在市场中所占的比例也在扩大；虽然我国模具行业发展迅速，但离国内的需要和国际水平还有一定的差距。差距较大的主要表现在标准化程度低和模具制造精度低、周期长。解决这些问题主要体现在模具设计上，所以改善模具设计的水平成为拉近差距的关键所在。若要很好的设计出一副冲压模具，尤其是垫圈冲压模具，就必须去了解冲压模具的历史、现状以及发展趋势，只有这样，我们才能完善模具设计制造中的不足，从而设计出高质量，高效率，低能耗的模具产品。而且，模具设计与制造技术水平的高低,是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一,决定着产品的质量、效益和产品的开发能力。 根据我国海关统计资料显示，2005 年2008 年，我国冲压模具产品出口均较大幅度的增长。2008 年，即使遭受全球金融危机，我们冲压模具出口金额达 4.11 亿美元，比 2007 年的 3.26 亿美元增长了 26%，从以上数据得知，我国冲压模具的国际竞争力正在不断提升。2. 主体 2.1. 冲压模具的发展历史冲压工艺在我国已有悠久的历史，据文献记载，早在 2000 多年前，我们的祖先掌握了锤击金属制造兵器和各种日用品技术。在漫长的封建社会时期，我国劳动人民在金、银、铜装饰品和日用品的制作中，更是显示出了精巧的工艺技术和高超的艺术水平，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面居于世界领先地位 14。近代，从上个世纪 20 年代开始，金属制品，玩具和小五金等行业就开始使用冲床，压力机等简易机械设备及相应的模具加工产品的毛坯或某些零部件。但由于生产力较为低下，技术水平不够，当时各厂使用的冲压设备功率都不大，以手工业为主的模具工业因此生产的精度不高，损坏率高。直到 20 世纪 50 年代,公私合营后，增添了磨床，铣床等设备，又配上硬度计等较为精密的测量设备，使得冲压模具的精度得以提高。六七十年代，随着产品生产大量使用冲压机床，冲压模具已经从单冲落料，单冲孔模具发展为落料，冲孔复合膜 14。七十年代后，使用斜度线切割机加工冲压模具，其凸模和凹模可先淬火处理再切割装配，取代了原来冲压模具制作需要热处理、装配、变形修正的繁琐工艺，模具的精度可达到 0.01mm，极大的促进了模具产业的发展 1。2.2. 冲压模具的发展现状 到了 21 世纪，随着计算机软件的发展和进步，CAD/CAE/CAM 技术日益成熟，其在现代模具中的应用也越来越广泛。目前我国冲压模具无论在数量上，还是在质量，技术等方面已经有了较大的发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，仍存在差异。一些大型、精密、复杂。长寿命的高档模具仍要依赖进口，而一些低档次的简单冲模，已供过以求，市场竞争特别激烈 2。根据中国模具工业协会的数据显示，2009 年中国模具进出口总额为 38.07 亿美元，比上年同比下降 3.03%，进口总额为 19.64 亿美元，同比减少 2%，出口总额为18.43 亿美元同比减少 4.11%。按模具种类分，进出口最高的仍是塑料橡胶模具，分别占了进出口额的 50.12%和 70.26%其次是冲压模具，分别占了进出口额的 42.42%和 22.07%。按进口货源地分，进口模具主要来自日本、韩国、德国，其次是中国台湾、美国、加拿大等国家，按出口目的地分，中国出口模具的市场主要是香港，美国和日本，其次是德国、印度、中国台湾、法国等一些国家；按出口货源地分，出口模具主要来自广东、浙江和江苏。从进出口模具价格方面分析，2009 年出口冲压模具平均每吨价位为 8894.5 美元，比上年上升 13.5%，出口塑料橡胶模具平均每套价位为 963 美元，比上年上升 15.6%。从上述价格分析指出，我国出口模具的技术含量和附加比值比上年有所上升，与进口模具相比，技术和价格差距在不断缩小，从而体现出了我国模具产业的技术进步。在我国模具快速发展的今天，冲压模具技术已经逐渐成熟，大型冲压模具也已能生产单套重量达 50 多吨的模具。精度达 1-2m ，寿命 2 亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产，表面粗糙度达到 Ra1.5m 的精冲模，大尺寸（300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。 （1）模具 DBD/DBM 技术状况 我国模具 DBD/DBM 技术的发展已有 20 多年历史。由原华中工学院和武汉 733厂于 1984 年共同完成的精冲模 DBD/DBM 系统是我国第一个自行开发的模具DBD/DBM 系统，上海交通大学开发的冷冲模 DBD/DBM 系统也于同年完成。20 世界 90 年代以来，国内机械制造行业以及零配件行业也开始采用 DBD/DBM 技术。 模具 DBD/DBM 技术能显著缩短模具设计的制作周期，降低生产成本，提高产品质量。在国家“八五” 、 “九五”计划期间，已有大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用频率也越来越高，并陆续引进了相当数量的 DBD/DBM 系统 3。（2）模具设计与制造能力状况 在国家产业政策的正确引导下，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。标志冲模技术先进水平的是多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种；有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，基本达到国际水平。但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距，这些主要表现在高精度冲模方面，高精度的零件具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点。（3）专业化程度及分布状况我国模具行业专业化程度还比较低，模具自产自配比例过高。国外模具自产自配比例一般为 30%，而我国冲压模具自产自配比例为 60%。这就对专业化产生了很多不利影响。现在，技术要求高、投入大的模具，其专业化程度较高 11。例如覆盖件模具、多工位级进模和精冲模等。而一般冲模专业化程度就较低。由于自配比例高，所以冲压模具生产能力的分布基本上跟随冲压件生产能力的分布。但是专业化程度较高的高精度垫圈冲压模具和多工位、多功能精密冲模的专业生产企业的分布有不少并不跟随冲压件能力分布而分布，而往往取决于主要投资者的决策。目前全世界模具总产值约为 680 亿美元，中国只占 8%左右，自 2002 年以来，贸易逆差均在 10 亿美元以上，致使我国仍为世界上模具进口量较大的国家。我国目前的模具产业结构还需要进一步调整，增长方式也需要进一步转变。2.3. 冲压模具的发展方向及趋势模具技术的发展应该达到“交货期短” 、 “高精度” 、 “质量好” 、 “价格低”的要求。达到这一要求要着重发展如下几项：（1）全面推广 CAD/CAM 技术：模具 CAD/CAM 技术是模具设计制造的发展方向。随着微机软件的发展和进步，普及 CAD/CAM 技术的条件已基本成熟，各企业将加大 CAD/CAM 技术培训和技术服务的力度；进一步扩大 CAE 技术的应用范围 7。计算机和网络的发展正使 CAD/CAM 技术跨地区、跨企业在整个行业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。（2）高速铣削加工：国外近年来发展的高速铣削加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的表面光洁度 9。另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。高速铣削加工技术的发展，对家电行业、垫圈零配件的模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。 （3）模具扫描及数字化系统：高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期 13。有些快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序。（4）电火花铣削加工：电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展 12。国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。 （5）优质材料及先进表面处理技术：选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要 10。 （6）模具研磨抛光：模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是重要的。 （7）模具自动加工系统的发展：模具自动加工系统应有多台机床合理组合，配有随行定位夹具或定位盘，有完整的机具、刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统，有质量监测控制系统。CNC 雕刻机在最近两年内有了较大的发展，还有数控机床，其设计使用寿命一般为 7 年，主要是数控方面的使用寿命为准，还有目前盛行的高速切削机床。三个机型主要区别是：数控铣和加工中心用于完成较大铣削量的工件的加工设备，数控雕铣机用于完成较小铣削量，或软金属的加工设备；高速切削机床用于完成中等铣削量，并且把铣削后的打磨量降为最低的加工设备 4。模具技术未来发展趋势主要是朝信息化、高速化生产与高精度化发展 8。从设计技术来说，要大力推广 CAD/CAE 技术的应用，并提高效率，特别是板材成型过程的计算机模拟分析技术。从加工技术来说，发展重点在于高速加工和高精度加工。高速加工目前主要是发展高速铣削、高速研抛和高速电加工及快速制模技术。高精度加工目前主要是发展模具零件精度 1m 以下和表面粗糙度 Pa0.1m 的各种精密加工。另外，还要提高模具标准化程度，搞好模具标准件生产供应也是冲压模具技术发展重点 5；提高冲压模具的寿命也是重点发展的方向，十分必要选择优质的钢材和应用表面处理技术来提高模具的寿命；模具用钢的加工工艺和品种也要特别的重视，另外，缩短供货时间亦是模具行业的重要发展趋势 6。 3. 总结 目前我国模具工业的发展步伐日益加快，并取得了很大的成果。但总体看来，技术水平仍比发达国家的制造工艺水平要落后十多年，而且在整个模具设计制造水平和标准化程度上也存在不足之处：（1）企业组织结构、产品结构、技术结构不合理（2）模具产品水平低，生产周期长（3）开发能力较差，经济效益较低（4）与国际化水平相比，模具企业的管理落后等问题严重影响着模具行业的快速发展；从以上资料我们也可以看出，模具行业的发展对我们是的生活，技术的进步都起到了关键性的作用，模具的发展历史，先人们的劳动成果被我们继承了下来，但我们要在原来的基础上去继承发展，改善发展现状中的不足之处，把更加先进的技术应用于模具行业，并作为模具行业发展的方向，只有这样，我国的模具事业才能突飞猛进，出口量也会大幅度的提升，其技术含量也能达到国际先进水平。因此，我国要进一步转化技术结构和加速国产化，大力发展自主创新能力，突破模具行业中的关键性技术，提高模具设计及制造的总体水平，让我国的模具行业向着大型，复