模具技术现状与发展趋势-学会讲座

模具技术现状与发展趋势,南京工程学院张荣清,2006年6月,主要内容,前言一.国内外模具现状国内模具现状国外模具现状二.国内外模具发展趋势模具设计技术的发展模具制造技术的发展,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,一.国内外模具现状,1.一些国家对模具工业的评价,在欧美等工业发达国家被称为“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的“关键工业”；日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力”,近年来的世界模具市场,世界模具市场总量一直保持在600650亿美元的水平。美国、日本、法国和瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的l/3左右。日本模具产业年产值达到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已超过了新兴的电子工业。,2.我国模具工业,我国模具工业的产值在国际上排名位居第三位，仅次于日本和美国。国内的模具生产厂已超过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“十五”期间的增长速度达到1315。,中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的20左右，已超过10亿美元，成为世界上最大的模具进口国其中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的40以上,中国模具工业存在的问题,精密加工设备还很少大型、精密、复杂和长寿命模具的产需矛盾十分突出许多先进的技术如CADCAECAM技术的普及率还不高,二.国内外模具发展趋势,(一)模具发展趋势为了适应市场对模具制造的短交货期，高精度、低成本的迫切要求，未来我国的模具将呈现几大发展趋势：,1、模具日趋大型化,方面是由于用模具生产的零件日渐大型化，另一方面也是由于高生产率要求而发展多工位模具，多腔模具（现在有的注塑模已达几百腔）所致。新型轿车的大尺寸覆盖件成形、大功率汽车的六拐曲轴成形,2、模具的精度越来越高,10年前，精密模具的精度一般为5m，现在已达23m，不久1m精度的模具都将上市。随着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以内。超精密加工已进入纳米（0.1m100nm）级精度阶段大致可分3个层次：一是用于汽车、飞机、精密机械的微米(m)级精密加工；二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米(0.1m)级精密加工；三是用于超精密电子器件的毫微米(0.001m)级精度加工。这就要求发展超精加工，并对模具的加工设备、检测技术、研磨抛光工艺等提出更高的要求。,3、压铸模及塑料模的比例将不断提高,随着车辆和电机等产品向轻量化方向发展，压铸模具的比例将不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度将提出更高的要求随着以塑代钢、以塑代木的进一步发展，塑料模的比例也将不断提高。,4、挤压模及粉末成形模将增多,由于汽车、车辆和电机等产品和轻量化发展，以铝代钢，高分子材料、复合材料、工程陶瓷、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、粉末喷射和喷涂成形大大扩充了现代精密塑性成形的应用范围,5、多功能复台模具将进一步发展,级进组合冲压模已在美国汽车工业中普遍应用（加工转子、定子板或者插接件），其优点是生产率高，模具成本低，不需要板料剪切。如集成电路引线框架的2030工位的级进模，工位数量最多已达160个。自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和安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的不再是单个零年，而是成批的组件，可大大缩短产品的生产及装配周期。,16,17,6、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和质量，并能大幅度节约制件的原材料。在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，甚至达到80以上，效果十分明显。热流道模具在国内也已生产，有些企业使用率上升到2030%。国产商品化热流道系统元件也已出现，但也有些模具企业，热流道模具已占其模具生产总旦的l3左右。制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道技术的关键。,7、塑料气辅成形、高压注射成形工艺日趋成熟,气辅成形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。,8、气辅成形成形特点与应用,气体辅助注射成形能改善塑件内在和外观质量，它具有注射压力低、制品翘曲变形小、易于成形壁厚差异较大的制品等优点、高压注射成形可减小树脂收缩率，增加塑件尺寸的稳定性；可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。该工艺在国外已比较成熟，国内目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。不少企业已能在电视机外壳、洗衣机外壳、汽车饰件以及一些厚壁塑料件的模具上成功地运用气辅技术。,9、快速经济模具的前景十分广阔,目前是多品种小批量生产时代，21世纪，这种生产方式占工业生产的比例将达到75以上。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、环氧树脂模及光造型等快速经济模具将进一步发展。由于铝合金优良的综合性能，用它作模具材料可缩短制模周期和降低模具成本，且用于塑料模可有10万次以上寿命，因此用铝合金进行高速切削来制作快速经济模具已在世界上得到较为广泛的使用，我国也已开始使用，预计今后会得到较快发展。,10、特殊的成形工艺得到发展,如液压成形聚氨脂成形无模多点成形技术超塑性成形高能率成形等,11、塑性精密成形技术,近10年来，精密成形技术取得了突飞猛进的发展：精冲技术、冷挤压技术、无飞边热模锻技术、温锻技术、超塑性成形技术、成形轧制、液态模锻、多向模锻技术发展很快。电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的步距精度可达2m，寿命达到1亿次以上。700mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺楔横轧汽车、拖拉机精密轴类锻件,24,(二)模具设计技术的发展方向,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，要进一步探讨新型材料大弹塑性变形本构关系、表面摩擦特性等冲压模金属成形过程的模拟、缺陷预测，起皱、破裂、及回弹分析等（弹性=E，塑性=E1）。,压铸成形流动模拟、热传导及凝固分析等锻件成形过程模拟及金属流动和充填分析等模具刚性、强度、流道及冷却通路的设计计算机辅助工艺设计（CAPP）,发展方向（续1）,塑料模具塑料成形过程的各种模拟分析。如塑料充模、热传导、冷却、凝固、翘曲、收缩等模拟分析计算浇注系统及模腔的压力场、温度场、速度场分布等（澳大利亚Moldflow公司和美国AC-Tech公司）。,发展方向（续2）,(三)模具加工技术的发展方向,传统的模具制造技术，主要是根据设计图纸，用仿型加工，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。,传统模具与现代模具制造技术水平比较,30,1.模具CAD/CAE/CAM一体化技术2.高速铣削（HSM）技术3.电火花加工技术4.快速原型制造（RPM）5.快速经济制模技术（RTM),31,6.反求技术（RE）7.精密测量及高速扫描数字化系统8.模具研磨抛光技术,1.模具CAD/CAE/CAM一体化技术,模具CAD/CAE/CAM技术是模具技术发展的一个里程碑，模具行业普及CAD/CAM的条件已经成熟，今后必将有很快的发展。目前，世界上汽车的改型换代一般约需48个月，而美国仅需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、网络化将是今后的发展方向。,美国参数技术公司PTC的集成化系统Pro/EngineeringUnigraphicsSolutions公司开发的软件Unigraphic(UG)美国SDRC公司开发的IDEAS以色列Cimatron公司的三维CAD/CAM软件Cimatron法国达索Dassault公司开发的CATIA真正的Window软件SOLIDEGE,CADEM大型软件,国内使用CAD/CAM现状,国内一些大型模具企业，CADCAM应用状况多停留在从国外购买先进的CADCAM系统和设备，但在其上进行的二次开发较少，资源利用率低；国内一些中小型模具企业，它们的CADCAM应用很少，有些仅停留在以计算机代替图板绘图。国外的一些CADCAM系统虽然功能强大，但价格昂贵，一般企业难以支付，而国内优秀的CADCAM系统很少,2.高速铣削（HSM）技术,铣削加工是型腔模具加工的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,高速铣削优点,工件温升低热变形小、切削力小加工平稳、加工质量好加工效率高（为普通铣削加工的510倍）可加工硬材料（60HRC）等,37,除有内锐角的型腔和极窄而深的型腔外，基本都可用高速铣削代替EDM加工；采用高速铣削加工模具型面可比EDM加工节省25%60%加工工时；高速铣削的型面表面质量好，可避免EDM加工可能出现的表面微细型纹；高速铣削能加工4560HRC硬表面，精铣面粗糙度可达Ra=0.63m,减少手工抛光工时;省却EDM加工电极的制造环节,显著缩短制模周期;,高速铣削迅速发展的体现,高精度化：定位精度25m/全程，加工精度25m，所以高速铣削进入了精密切削领域。高速化：主轴转速4000060000r/min；切削进给速度16mmin；快速进给速度3040m/min，换刀时间12s，从而加工效率提高了510倍,高速铣削不足,对刀具提出了很高的要求采用与铣削材料相适应的特殊刀具材料（如新型刀具有金属陶瓷刀具、CBN具、PCD刀具、PCBN刀具、涂层硬质合金刀具等）适合于比较平坦的浅型腔加工，对深型腔加工有一定困难对于具有内清角的型腔模具、表面有花纹或图案的模具、具有深槽或窄缝的模具的加工也都存在一定困难。高速铣削机床造价高,高速铣削在国内的应用,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1000020000rmin为主，少数会达到40000r/min左右。近年来我国模具制造业中的一些骨干重点企业先后进口了高速铣床和高速加工中心，它们已在模具加工中发挥了很好的作用。可以预计，我国模具企业将会越来越多地应用高速铣削技术。,3.电火花加工技术,电火花加工（EDM）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、沟漕、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技术作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，不需要加工成形电极，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线切割机床,低速走丝数控电火花线切割机床（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。其加工工艺水平也令人称道。最大切割速度已达300mm2/min，加工精度可达到0.5m，加工表面粗糙度Ra0.10.2m。直径0.030.1mm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0.04mm的窄槽及半径0.02mm内圆角的切割加工。已能进行30以上锥度的精密加工,4.快速原型制造（RPM）,快速成形（原型）制造技术RPM（RapidPrototypingManufacturing）是美国首先推出的。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基于它是基于新颖的离散堆积（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，快速自动完成复杂的三维实体（模型）制造，而与零件的几何复杂程度丝毫无关。,45,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时间的l3和成本的l4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、春兰、科龙和华宝等公司已经运用激光快速成形于新产品开发等方面，并取得显著的经济效益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、尺寸精度和表面粗糙度。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（RapidManufacturingTooling）方法，主要有精密铸造、粉末冶金、电铸、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,51,5.快速经济制模技术（RTM）,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（或迅速模具制造RapidTooling&Manufacuring）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的模具制造技术。非常适用于新产品开发、样品试制、工艺验证或中、小批量生产的需要，故近几年在国内得到了迅速发展。,6.反求技术（RE）,一般而言，反求工程RE(ReverseEngineering)是指：对难以用CAD建立数据模型，而只能通过对实物进行数据扫描、测量的方法采集数据；在CAM软件系统中利用测量数据进行实物的CAD几何模型的重新构造（建立数学模型）；建立了CAD几何模型后，就可以依据这种数字化的几何模型用于后续的许多操作（如实物CAD模型的修改、零件的重新设计、有限元分析、误差分析）；最后生成NC程序，控制数控加工中心进行模具制造的过程。,54,RE的应用,反求工程能够缩短从设计到制造的周期，是帮助设计者实现并行工程等现代概念的一种强有力的工具，目前在工程上正得到越来越广泛的应用。目前主要应用于新零件的设计、已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模具精度的提高等方面。一汽铸造模具厂应用反求工程较成功地完成了对缸盖进、排气道热芯盒模具的制造，探索了按一般的设备和加工技术对没有尺寸和技术标准的模具无法加工的成功经验。,7.精密测量及高速扫描数字化系统,随着模具日益精密、高效精密、复杂、大型模具的发展，对检测设备的要求越来越高（现在精密模具的精度已达23m）数控加工过程中的在线激光测量不但有利于保证工件的加工质量，而且大大提高了NC机床的运转安全。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，可大大缩短模具制造周期。,精密测量举例,目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mmx3250mm三坐标测