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国内外模具技术的现状及发展趋势

摘要:本文叙述了模具技术在国民经济中的重要性,介绍了各行业模具的现状及发展方向;文中强调指出了两个关键问题——模具材料和模具标准——是持续发展

模具技术的重大策略。中国模具技术,则是依据着国际模具市场的发展趋势,

转变着模具品牌产品的发展规模,不断的提高着模具设计水平,迎合着模具企

业的经济发展需求,也会进一步的推动着模具技术发展。

关键词:发展趋势、现状、模具技术、塑料模具、模具CAD/CAM

Abstract:This paper was narrated the importance of the mould technology in the national economy.It was introduced the present situation and development direction of all trade and professions on the mould and die.It was indicated emphatically two questions of the crux一一mould materials and mould standard——developing continuous ly the great tactics on the progress of the mould technology. China mold technology, according to the international mold is the development trend of the market, the brand product change mould the development scale, and constantly improve the level of the die design, catering to the needs of the mould enterprise economic development, will further promote the development of the mould technology.

一、引言

模具是工业生产的基础工艺装备,国民经济的五大支拄产业机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业发展与之相适应。目前,模具行业的生产性服务业发展迅速,模具标准件、软件、材料供应等服务模式更为人性化,为企业一揽子解决问题的服务模式开始出现,这无疑对模具行业的发展有着很大的推动作用,另外,我国的模具品种仍然不丰富,模具行业的平衡发展亟需重视。模具是制造业的重要基础工艺装备。模具在制造业产品生产、研发和创新中所具有的重要地位,使得模具制造能力和技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平和创新能力的重要标志。近10年来,我国模具工业均以每年15%以上的增长速度快速发展。“十一五”期间,我国模具行业保持产销两旺、持续高速发展,模具产量、质量进一步得到提高。中国的模具市场十分广阔,特别是在汽车制造业和IT制造业发展的带动下,对模具的需求量和档次也越来越高,同时精良的模具制造装备为模具技术水平的提升提供了保障。2007年模具销售额870亿人民币,比上一年增长21%,模具出口亿美元,比上一年增长35.7%,模具进口仍保持在20亿美元。数据显示着我国模具整体实力进一步加强。

二、模具现状

(一)国外模具技术现状

高新技术在模具企业中得到广泛应用

(1)广泛应用CAD/CAE/CAM技术

a)超越了甩掉图板、二维绘图的初级阶段,3D设计已达到了70~80%。

b)PRO/E、UG、CIMATRON等软件普遍应用。

c)数控机床的普遍应用,保证了模具零件的加工精度和质量。

d)CAE技术已逐渐成熟(意大利COMAU公司应用CAE技术后,试模时间减少了50%以

上)。

(2)普遍采用高速切削加工技术

a)特征:以高切削速度、高进给速度、高加工质量。

b)加工效率:比传统的切削工艺要高几倍,甚至十几倍。

c)转速:15000~30000r/min。

d)效益:大大缩短制模时间。

(3)普遍应用快速成型技术与快速制模技术

a)塑料模具:有专门提供原型制造服务的机构和公司塑料模具厂家利用快速原型浇制

硅胶模具,用于少量翻制塑料件。

b)汽车模具:多为锌基合金快速制模和使用环氧树脂制作金属成型模。

(二)国内模具现状

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13%~15%。

1.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

2.我国模具技术的发展进步主要表现在

1)研究开发了模具新钢种及硬质合金、钢结硬质合金等新材料,并采用了一些新的热处理工艺,延长了模具的使用寿命。比如冲模广泛使用合金工具钢代替碳素工具钢,提高模具寿命,减少模具热处理变形。

2)开发了多工位级进模和硬质合金模等新产品,并根据国内生产需要研制了精密塑料注射模。

3)研究开发了一些模具加工新技术和新工艺。如三维曲面数控加工;模具表面抛光、表面皮纹加工及皮纹辊制造技术;模具钢的超塑性成型技术和各种快速成型技术等。

4)模具加工设备已得到较大发展,已广泛使用精密坐标磨床、数控(CNC)铣床、CNC电火花线切割机床和高精度电火花成型机床等。模具零件的精度由数控机床保证,解决了以前传统切削加工生产模具零件,靠钳工技艺保证质量,质量难保证的问题。

5)模具计算机辅助设计和制造(模具CAD/CAM/CAE)已在国内得到了广泛的开发应用。三维造型软件和仿真软件的广泛应用,不仅能自动编程,还能进行干涉检查,保证设计和工艺的合理性。

3.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CAD/CAE/CAM技术的普及率还不高

三、现代模具特点及主要种类

(一)现代模具特点

(1)高精度

比传统模具高出一个数量级。

(2)长寿命

传统模具50~100万次,现代模具一般在500万次以上,硬质合金多工位级进模可达2亿~6亿次。

(3)高生产率

(4)型腔形状和模具结构复杂

塑料注射模、汽车覆盖件模具

(二)现代模具主要种类

1)塑料模

从第十三届中国国际模具技术和设备展览会上可见,各类塑料模仍然是展会的主角,其数量之多、品种之广、质量之高、技术之新颖创历届模展之最,而注射模中又以大型、精密模具居多

①生产大型塑料模具如汽车整体仪表板注塑模、汽车横梁、中网注塑模、货物托盘1400×1200×150mm、200L垃圾桶、背靠椅等

②生产精密塑料模具如笔记本电脑上盖注塑模、多型腔小模数齿轮及精度达5μm的7800腔塑封模具等

2)冲压模

模具上冲压模具的特点是参展厂家多、展出品种多、展品档次高,盛况空前。代表冲压模具发展方向的多工位级进模和精密冲模。涵盖了电子、通讯、汽车、仪器仪表、电机电器、办公设备和家电产品配套的模具,越来越多的大型、精密、复杂、长寿命模具出口大幅增加。

3)汽车覆盖件模

①CAD/CAM/CAE技术的运用水平不断提高

a) 在CAD方面,进行3D-LD图的设计。

b) 开始采用CAE技术。

②检测技术和逆向工程技术取得新发展。

实物——建立数学模型——出工程图纸——模具制造

4)铸造模

近几年我国压铸模具制造业,无论在品种、产量、复杂程度、综合设计水平、模具大型化、以及企业的工装设备、加工和检测手段均有很大的提高,显示出如下几个新特点:

①在普遍实现了CAD/CAM的基础上,不少厂家还通过CAE后确定流道、溢流、冷却及排气系统的设计方案,个别厂家还与国外联合设计或利用外国图纸进行生产(尤其是出口模具),模具制造前的CAE分析越来越得到重视。

②特大型、复杂压铸模具多家企业可以自行设计和制造生产,

③出口到欧、美、日等先进工业国家和地区的模具数量剧增。多个展台展出了近年来出口模具的样品,据了解部分企业出口模具已占产量的30%以上。这些产品的展示,打破了我国大型、复杂、精密汽车压铸模以往只进口无出口的缺口,预示着压铸模具行业更加辉煌的前景。

④近年来企业装备有较大提升,不少企业购进高速切削机床、龙门数控铣床、三坐标测量仪、大型合模机、低速走丝电火花线切割机、石墨加工中心、真空热处理炉等加工和检测设备,为生产优质模具提供了精良装备。

⑤真空压铸使用的模具、油温控制的模具、采用耐热弹簧、氮气弹簧的模具、模具镶块采用特殊表面强化处理以及压铸镁合金、铜合金的模具均在展览会上亮相。

四、现代模具发展趋势

(1)粗加工向高速加工发展(以高速铣削加工为代表,高速铣削加工主轴转速可达4000~10000r/min,快速进给速度可达30~40m/min,与传统铣削加工相比,工件温升低,热变形小,效率高,还可加工硬度达HRC60的模块。

(2)成形表面的加工向精密、自动化发展(成形表面的精加工向数控、数显方向发展,数控机床、电火花成形机床、慢走丝线切割机床等精加工广泛运用。

(3)光整加工向自动化发展(目前模具的研磨、抛光等光整加工仍然以手工作业为主,不仅费工费力,而且表面质量低。发达国家正在研制数控自动化光整加工设备。

(4)快速成形加工模具技术将得到发展

快速原型制造技术是通过计算机控制逐层堆积材料来制造复杂形状的实体样件或模具零件,不用工装和刀具能实现零件的单件生产。

低熔点合金模、精铸模、层叠模、环氧树脂模等一些快速经济型模具将进一步得到应用,适合于多品种少批量生产用模。

高速扫描及数字化系统用于逆向工程,扫描系统和加工中心结合,从实物扫描到加工一步完成,可大幅缩短制模周期。适合仿造零件和模具的加工,不需要图纸,直接用实物就能加工。

(5)模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展

模具设计中常用的绘图软件有CAD、CAXA电子图板,常用的三维造型和加工软件有PRO/E、UG、CAXA机械制造工程师、MOSTERCAM。

用于模具设计制造的计算机软件日趋完善,并向智能化、集成化方向发展,能减少设计人员的重复劳动,提高效率。运用三维造型和加工软件,可生成刀具轨迹并输出加工程序代码,通过仿真进行加工精度检查和干涉检查,从而保证设计和工艺的合理性。

(6)模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展

一模多腔、大型多工位级进模、大型复合模等高效模具的使用越来越广泛。超精加工和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。在多工位级进模上开发多功能复合模,如将冲压、叠片攻螺纹、铆接等工序复合在一副模具中的电机铁芯组件多功能复合模,一副模就能生产成批的组件。

①模具向着精密、复杂、大型的方向发展

对检测设备的要求越来越高。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。实现了从测量实物_建立数学模型_输出工程图纸模具制造全过程,成功实现了逆向工程技术的开发和应用

②高速铣削机床(HSM)

铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、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5~10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等诸多优点。因而在模具加工中日益受到重视。HSM主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模等曲面加工

③模具自动加工系统的研制和发展

随着各种新技术的迅速发展,国外已出现了模具自动加工系统,这也是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有如下特征:多台机床合理组合;配有随定位夹具或定位盘;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。

(7)模具标准化程度将不断提高

我国模具标准化程度正在不断提高。估计目前我国模具标准件使用率已达30%左右。国外发达国家一般为80%左右,为了适应模具工业的发展,模具标准化工作必须加强,模具标

准化程度将进一步提高,模具标准件生产也必须得到发展。尽量使用模具标准件和标准模坯,

将一般模具零件和粗加工等工序发外加工,通过社会化协作生产,可大幅度缩短制模周期,

降低模具成本。

(8)优质模具材料和新型材料将得到推广

冲模常用的优质模具钢有合金工具钢Cr12、Cr12MoV(SKD11) ;高速钢

W6Mo5Cr4V2(SKH51 ) 、粉末高速钢SKH40、HAP40;硬质合金YG15、YG20、V3(HIP)。

常用新型塑料模钢有:预硬钢5NiSCa、SKD61、H13,新型淬火、回火钢SKD11(改进)、H13+S 马氏体时效钢18Ni(300)、MASIC,析出硬化钢 PMS、NSM,耐腐蚀钢PCR、NAK101。在国外

铝合金已广泛用作快速经济型模具的材料。

(9)模具材料及表面处理技术的研究

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。在整个模具价

格构成中,材料所占比重不大,一般在20%~30%,因此,选用优质钢材和应用的表面处

理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说,要采用电渣重熔工艺,努力提

高钢的纯净度、等向性、致密度和均匀性及研制更高性能或有特殊性能的模具钢,如采用粉

末冶金工艺制造的粉末高速钢等。粉末高速钢解决了原来高速钢冶炼过程中产生的一次碳化

物粗大和偏析,从而影响材质因问题。其碳化物微细,组织均匀,没有材料方向性,因此,

它具有韧性高、磨削工艺性好、耐磨性高、长年使用尺寸稳定等特点,特别对形状复杂的冲

件及高速冲压的模具,其优越性更加突出,是一种很有发展前途的钢材。模具钢品种规格多

样化、产品精细化、制品化,尽量缩短供货时间亦是重要发展趋势。热处理和表面处理是能

否充分发挥模具钢材性能的关键环节。模具热处理的主要趋势是: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、离子渗入、离子注入等方向

发展;可采用的镀膜有:TiC、TiN、TiCN、TiAlN、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,目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀(刷镀)

防腐强化等技术也日益受到重视。

(10)压铸模、挤压模及粉末锻模比例增加模具工业应广泛应用现代先进制造技

随着汽车、车辆和电机等产品向轻量化发展,压铸业的技术进步,满足各行各业对模具

这一基础工艺装模的比例将不断提高,对压铸模的寿命和复杂程度也的迫切需求,以实现我国模具工业的跨越式发展,将提出越来越高的要求。同时挤压模及粉末锻模比例也将有不同程度的增加,而且精度要求也越来越高。

五、总结

目前我国模具工业的发展步伐日益加快,但在整个模具设计制造水平和标准化程度上,与德国美国日本的发达国家相比还存在相当大的差距。在经济全球化的新形势下,随着资本、技术和劳动力市场的重新整合,我国装备制造业在加入WTO以后,将成为世界装备制造业的基地。而在现代化制造业中,无论哪一行业的工程设备,都越来越多的采用由模具工业的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、段交货期、低成本的迫切要求,模具工业应广泛用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步,满足各行各业对模具这一基础工艺设备的迫切需求,以实现我国模具工业的跨越式发展

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