面向先进制造技术的注塑模具设计与制造新理念.pdf

面向先进制造技术的注塑模具设计与制造新理念NewConceptofAdvancedManufactureTechnology2OrientedInjectionMouldDesignandManufacturing大连理工大学宋满仓王敏杰赵丹阳摘要分析了先进制造技术对注塑模具发展的影响,阐述了模具可视化设计和标准化设计新概念,扩充了模具快速制造的内涵,提出了信息流驱动的模具制造模式。关键词:先进制造技术注塑模具标准化信息流ABSTRACTTheinfluenceoftheadvancedmanufacturingtechnologyoninjectionmoulddevelop2mentisanalyzed.Thevisualizationdesignandstandard2izationdesignforinjectionmouldareexpounded.Theconnotationofrapidtoolingisexpanded.Themouldmanufacturingmethodsdrivenbyinformationflowareputforward.Keywords:AdvancedmanufacturingtechnologyInjectionmouldStandardizationInformationflow先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称1。先进制造技术的出现正急剧改变着制造业的产品结构和生产过程,对模具行业也是如此。质量、成本(价格)、时间(工期)已成为现代工程设计和产品开发的核心因素,现代企业大都以高质量、低价格、短周期为宗旨来参与市场竞争。模具行业必须在设计技术、制造工艺、生产模式等诸方面加以调整以适应这种要求。1模具设计方式与方法的改变1.1模具设计依据与设计方法的多样性先进制造技术的发展使人们不再单纯地依赖产品图或产品样件来设计制作模具,反求工程技术的应用使产品的图片、照片或影像资料,甚至产品模具本身,都可以作为模具的设计依据。反求工程技术特别在消化、吸收国外先进模具技术方面具有突出的优势,由此还带来设计思路上的变化,有时可以先设计模具型腔,然后据此再完善产品设计图样。1.2模具可视化设计随着软件技术的发展,三维(3D)设计的诞生使模具实现了可视化设计、面向装配的设计。模具由二维(2D)设计到三维设计实现了模具设计技术的重大突破:(1)模具三维设计可以立体、直观地再现尚未加工出来的模具本体,设计资料可以直接用于加工,真正实现了CAD/CAM一体化和少、无图纸加工；(2)模具三维设计解决了二维设计难于解决的一系列问题,如干涉检查、模拟装配、CAE等；(3)模具三维设计能对模具的可制造性加以评价,大大减少了设计失误。1.3模具标准化设计2标准化是为在一定的范围内获得最佳秩序,对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动。注塑模具标准化是关于注塑模具生产经营活动所制定的规则和技术文件,内容贯穿于模具制造的全过程,是模具经营管理和模具设计与制造活动的标准化。实现注塑模具标准化的目的与意义在于:(1)能够使生产经营中的复杂无序的状态转变为秩序井然的状态,减少零件、刀具和夹具的种类；(2)明确各部门对生产活动的责任与权限,管理者可以通过标准化恰当、准确地进行指示和检查工作,对工作的判断实现合理化,清楚地把握工作的现状；(3)能够使员工明确了解工作内容,使员工的培训任务简单明了；(4)能够使具有企业特征的传统技术保留下来,进而准确地流传下去；(5)是质量、生产、成本和设备等管理活动向前推动的基础。模具标准化主要包括以下3方面的内容:(1)经营管理的标准化；(2)模具设计的标准化；(3)模具制造的标准化。3方面自成体系,又互相关联、相互制约,其核心是数据库的内容及结构形式,如图1所示。1.4新兴注射成形技术对模具设计的新要求03专题综述2003年第10期图1注塑模具标准化体系Fig.1Standardizationsystemforinjectionmould注射成形作为塑料加工中重要的成形方法之一,已发展和运用得相当成熟,且应用得非常普遍。但随着塑料制品应用的日益广泛,人们对其在精度、形状、功能和成本等方面提出了更高的要求,因而在传统注射成形技术的基础上,又发展出了一些新的注射成形工艺,如气体辅助注射、多点进料注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等,以满足不同领域的需求3。所有这些均需要注塑模具设计与制造体系做出相应的调整以满足成形要求。另外,在微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems,MEMS)中有着巨大应用潜力的微成形技术,也促使人们开展有关微型注塑模具设计与制造技术的研究。近年来,微成形技术已成为模具技术的一个新的分支,正在得到快速的发展4。随着MEMS产业化的进程,微成形技术有着巨大的应用潜力和发展空间。研究适合微型注塑模具和微型注塑机的成形理论和制造方法,寻找和研制适合微型塑件生产的塑料原料,开发相应的检测元件、装置和技术,扩展其应用范围,已成为目前研究的热点,即如何将现有的、常规的注塑成形技术“移植”到微成形中去,以使微成形技术得到快速发展,这是各国工程技术人员的努力方向。2模具制造技术与工艺的发展2.1模具的快速制造(1)基于并行工程的模具快速制造。近些年来,为满足工期的要求,模具企业大都在自觉与不自觉中应用“并行”的概念来组织生产、销售工作。并行工程应用的明确提出是对现有模具制造生产模式的总结与提高。并行工程、分散化网络制造系统为模具快速制造提供了有效的实施平台。并行工程的基础是模具的标准化设计。标准化设计由3方面要素组成:统一数据库和文件传输格式是基础；实现信息集成和数据资源共享是关键；高速加工等先进制造工艺是必备的条件。(2)应用快速原型技术制造快速模具(RP+RT)5。在快速原型(RapidPrototyping,RP)技术领域中,目前发展最迅速、产值增长最明显的就是快速模具(RapidTooling,RT)技术。2000年5月,在法国巴黎举行的全球RP协会联盟(GARPA)最高峰会上,这一点得到了普遍的认同。应用快速原型技术制造快速模具(RP+RT),在最终生产模具之前进行新产品试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地缩短开发时间和降低成本。这就是RP+RT技术产生的根本原因,也是其赖以发展的动因,目前它已成为RP技术的一个新的研究热点,也是RP技术最重要的应用领域之一。(3)高速切削技术的应用。高速切削(HighSpeedMachining,HSM)在模具领域的应用主要是加工复杂曲面。其中高速铣削(也称之为硬铣削HardMilling,HM)可以把复杂型面加工得非常光滑,几乎不再需要精加工,从而大大节约了电火花(EDM)加工和抛光时间,降低了材料的消耗,极大地提高了生产效率,且不破坏型面精度。2.2模具的精密制造目前,塑件的尺寸精度可达到IT67,型面的表面粗糙度可达到Ra0.050.025m,注塑模具使用寿命达100万次以上6。相应的模具零件尺寸精度要达到IT56,甚至更高,而随着磨削和电加工技术的发展,这已不是问题。(1)磨削加工由于具有精度高、表面质量好、表面粗糙度值低等特点,在精密模具加工中得到了广泛应用,特别是成形磨削,随着夹具和砂轮修整器形状与形式的完善,几乎各种形状的型芯都可用成形磨削作为终加工或精加工,并具有较高的成形精度(3.0m)。光学曲线磨床也可以达到同样的目的,但加工精度更高(2.0m)。目前精密磨削加工的表面粗糙度可达Ra0.04m,基本上达到了镜面要求7。(2)电加工的尺寸精度与表面质量越来越高。目前,慢走丝线切割和电火花放电的加工精度可以达到1.5m,加工表面粗糙度可达Ra0.10.2m。(3)数控雕刻机的日益普及也使模具零件的型面加工又提高了一个档次。数控雕刻机的加工可看作是一种常态的高速铣削,而又因其刀具的多样性,使其加工质量比加工中心好得多。有些数控雕刻机的制造厂商甚至提出未来加工中心将作为数控雕刻机的粗加工设备出现。2.3模具新材料模具材料已成为提升模具质量的一个重要因素。镜面钢材的诞生使得模具的表面质量更容易保证；易13专题综述航空制造技术切削的预硬钢、少变形的淬火钢使模具的加工更为容易、快捷,而模具精度与使用寿命又可得以充分保证。3制造模式的改变信息流驱动的模具制造模具行业是一个高技术密集的行业,模具产品同其他机械产品相比的一个主要特点就是技术含量比较高,材料消耗少,净产值比重大,为此国家相关部门还制订了模具产品增值税返还优惠政策,以对这种情况给予补偿。先进制造生产模式对模具工业的影响主要体现在信息的流动上。与制造活动有关的信息包括产品信息和制造信息,现代制造过程可以看作是原材料或毛坯所含信息量的增值过程,信息流驱动将成为制造业的主流。目前面向模具开发的CAD/CAPP/CAM/CAE、DNC、PDM、网络集成等均是围绕如何实现信息的提取、传输与物化进行的,即使信息流得以畅通为宗旨。3.1企业内部的信息流企业内部的信息流是在销售、设计、生产、管理等部门间的信息交换,信息主要包括模具报价与签订合同、人员安排、制品原始数据、模具设计、加工工艺、质量检测、试模修模、模具交付等内容。企业各项活动的宗旨就是要保证以模具制造为核心的信息流的畅通8。企业内部的信息流动是一个系统工程,需要统筹考虑,并应根据企业的实际情况而定。但在某些局部环节也有一些共性的东西,如工艺制订过程。工艺制订过程的信息流动可以归纳为以下几个基本环节:(1)工艺部门接受工艺设计任务,并制订工艺设计计划,分配工艺设计任务；(2)根据设计部门提供的模具零件信息,工艺部门首先进行工艺审查和工艺性分析,并向设计部门提出工艺修改意见信息；(3)工艺人员获得零件的几何和工艺信息,确定工艺路线和工艺操作内容；(4)工艺制订完成后,工艺部门把所设计的工艺规程提交给生产部门,并接受生产部门的信息反馈。企业内部的信息流动可以采用PDM、数据库等技术,通过企业内部的局域网来实现。3.2企业外部的信息流企业外部的信息流是指企业与客户、外协企业间的信息交换,由此产生了电子商务、动态联盟和分散化网络制造等概念。目前电子商务系统并不十分完善,但通过互联网的数据交换等信息流动方式已很普遍。客户提供的制品原始数据、企业制订的模具设计方案或加工工艺过程等,都可以在网上相互沟通,拉近了客户与企业间的距离,使相关问题的解决更加快捷、方便。目前模具企业的专业化越来越强,因而企业间的相互合作日显重要。由于模具制造一般是单件小批生产,因而模具企业间的合作是松散的、动态的,只是由于一个特定的项目相互组织在一起。动态联盟充分地利用了现代网络技术,把在地理上分布于不同地区的模具制造企业组织在一起,形成一种有时限的相互依赖、信任和合作的组织。各盟员企业借助自身的特点,优势互补,共享资源和技术,分担投入和风险,以最快的速度形成敏捷生产体系,从而快速地响应市场机遇,解决生产过程中出现的各种问题,达到快速、优质、低成本地生产出模具产品的目的9。4结束语本文针对先进制造技术对模具,特别是注塑模具发展的影响,提出了模具设计与制造的新理念,归纳起来有如下特点:(1)反求工程技术带来模具设计依据与设计方法的多样性,模具三维设计从根本上提高了模具CAD技术的应用水平；(2)模具的标准化不是简单的模具零件标准化,提高模具的标准化设计与制造水平日显重要,同时在面向注塑模具的CAD、CAPP系统的开发过程中,也要求做到模具的标准化设计与制造；(3)模具快速制造的概念并不仅仅局限于基于快速原型的快速制造,并行工程、分散化网络制造系统均为模具快速制造提供了有效的实施平台,高速加工等先进制造工艺提供了必备的实施条件；(4)计算机辅助技术已成为模具行业的主导技术,信息流的畅通是模具制造得以顺利进行的首要条件。参考文献1孙大涌.先进制造技术.北京:机械工业出版社,20002宋满仓,王敏杰.基于成组技术的注塑模具标准化体系的研究.中国机械工程,2002,13(24):211821203李倩,陈静波,刘春太,等.塑料注射成型技术及其进展.中国塑料,2001,15(10):7124宋满仓,王敏杰.微成形技术的现状与发展.中国机械工程,2003,14(15):134513415颜永年,张人佶,单忠德,等.快速模具技术的最新进展及其发展趋势.航空制造技术,2002(4):1721(下转第44页)23专题综述2003年第10期年来,公司以强化企业内部管理为重点,通过建立和完善企业内部管理,深入抓好基础管理,不断推进与国际接轨的现代化管理方法,促进企业管理的科学化、制度化、规范化。基础管理是企业运行的基础。黎明公司抓住财务与质量这两项直接影响企业生产经营的关键环节,率先进行整顿,以提高资金流动性为目标,以资金运作为主要内容,进一步加强成本管理,建立健全以资金流量控制为重点的各项财务管理制度,模拟财务公司运作,组建资金管理中心,提高筹资和调配能力,加快资金周转,完善各项财务制度,建立会计信息网络体系,全面推行会计电算化,修订内部价格结算标准,统一物资采购,实现采购分离,有效地降低了成本。近年来,公司的资信等级由双B上升到双A。质量是航空人的生命,也是企业发展永恒的主题。黎明公司坚持“质量第一,用户至上,追求卓越,不断改进”的质量方针,增强员工的法制意识、质量意识、竞争意识和风险意识；贯彻“ISO”2000年版质量标准,修订质量手册和程序文件,重点突出领导作用和过程控制；实施质量与工资总额挂钩的考核办法,建立质量损失赔偿制度,采取以物资奖励与精神奖励并重、以处罚领导和精神处罚为主的原则,强化质量管理,近几年来先后3次公开处理了3起较大的员工产品超差和报废后弄虚作假的事件；对产品配套企业的零部件与原材料进行了质量跟踪,保证配套质量稳定可靠；改善和优化军品外场服务工作,拓宽质量部门的工作范围；开展“我以诚信写蓝天”的诚信教育,将为用户提供一流服务的思想贯彻于生产经营的各个环节,使黎明的客户观、质量观进一步深入落实。与此同时,黎明公司瞄准国际先进管理方法和新兴的管理技术,提升企业管理水平。从1999年公司开始全面推行以“整理、整顿、清洁、规范、素养、安全”为内容的“6S”管理。经过4年的努力,改变了厂容厂貌,生产现场整齐、规范。1999年被沈阳市评为“花园式工厂”,被国家有关部门评为全国400家绿化工作最佳企业之一；2002年取得了国内同行业“一流环境”评比的第一块铜牌。2003年,在提升硬件档次的同时,进一步强化了以员工“素养”教育为核心的软件管理,公司从严抓各单位行政一把手的责任意识入手,高标准要求,强化管理,严格考核,促进了6S管理工作再上一个新的台阶。图5符合6S管理标准的转包厂生产现场Fig.5Theworkingsiteofthesubcontractfactoryupto6Smanagementstandard营造企业特色文化,用新的理念塑造团队精神。黎明公司从1999年开始,全面推行CIS工程,发动万名职工