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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
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>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
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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
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世界模具市场总量一直保持在600~650亿美元 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
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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%。

中国模具产业的进出口
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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
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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

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
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—方面是由于用模具生产的零件日渐大型化,

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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

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2、模具的精度越来越高
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10 年 前 , 精 密 模 具 的 精 度 一 般 为 5μm , 现 在 已 达 2~3μm,不久1μm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 1μm以内。 超精密加工已进入纳米(0.1μm~100nm)级精度阶段 大致可分3个层次:
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一是用于汽车、飞机、精密机械的微米(μm)级精密加工; 二是用于磁盘、磁鼓制造的亚微米(0.1μm)级精密加工; 三是用于超精密电子器件的毫微米(0.001μm)级精度加工。

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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
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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。

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4、挤压模及粉末成形模将增多
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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

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5、多功能复台模具将进一步发展
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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20~30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。

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6、热流道技术的应用扩大
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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 20~30%。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l/ 3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。

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8、气辅成形成形特点与应用
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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
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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
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如液压成形

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聚氨脂成形
无模多点成形技术

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超塑性成形
高能率成形等

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11、塑性精密成形技术
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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2μm,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

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(二)模具设计技术的发展方向
1. 2. 3. 4. 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σ=Eε,塑性 σ=E1ε)。

发展方向(续1)
5. 6. 7. 8. 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2)
9. 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 )。

(三)模具加工技术的发展方向
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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。

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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

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)

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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

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1.模具CAD/CAE/CAM一体化技术
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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。

CADEM大型软件
? ? ? ? ? ? 美国参数技术公司PTC的集成化系统Pro/Engineering UnigraphicsSolutions公司开发的软件Unigraphic (UG) 美国SDRC公司开发的I-DEAS 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

国内使用CAD/CAM现状
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国内一些大型模具企业,CAD/CAM应用状况多 停留在从国外购买先进的CAD/CAM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CAD/CAM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CAD/CAM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 CAD/CAM系统很少

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2.高速铣削(HSM)技术
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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

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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5~10倍) 可加工硬材料(<60HRC)等

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45~60HRC硬表面,精铣 面粗糙度可达Ra=0.63μm,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;
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高速铣削迅速发展的体现
? 高精度化:定位精度2~5μm/全程,加工 精度2~5μm,所以高速铣削进入了精密切 削领域。 ? 高速化:主轴转速40000~60000r/min;切 削进给速度 1~6m/min;快速进给速度 30~40m/min,换刀时间1~2s,从而加工 效率提高了5~10倍

高速铣削不足
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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

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高速铣削在国内的应用
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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10000~20000r/min 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
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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
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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。

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低速走丝数控电火花线切割机床
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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 ±0.5μm,加工表面粗糙度Ra 0.1~0.2μm。 直径0.03~0.1mm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)
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快速成形(原型)制造技术RPM(Rapid Prototyping & Manufacturing)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。

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RPM方法与应用
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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l/3和成本的l/ 4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
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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
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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 (Rapid Manufacturing Tooling)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。

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RPM的缺陷及发展趋势
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两弱点限制了它的工业应用推广:
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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

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目前正向快速制造金属硬模RHMT(Rapid Hard Metal Tooling)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

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5.快速经济制模技术(RTM)
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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 Rapid Tooling & 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 (Reverse Engineering) 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。

实物模型 测量、扫描实物获取数据 测量数据的修正 建立数学模型 模具设计

模具制造
复制零件

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RE的应用
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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。

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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
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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2~3μm) 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
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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。

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东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mm x 3250mm三坐标测量机,还拥有数码摄影光学扫描 仪,率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间 三维信息的获得手段,从而实现了从测量实物一建 立数学模型一输出工程图纸一模具制造全过程,成 功实现了逆向工程技术的开发和应用。

激光测量机最新进展及应用
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刚诞生不久的4D激光测量机可以自标定,不但能进行 3D测量,而且可以得出质量指标,说明每个测量点的 精确性。 CAD/CAM的反向工程可以缩短模具设计、制造周 期。特别对于型腔复杂、造型因难的模具,采用反向 工程的数字化扫描系统具有重要意义。 反向工程和并行工程将在今后的模具生产中发挥越来 越重要的作用。

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8.模具研磨抛光技术
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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。 但模具表面的光整加工是模具加工中至今未能很 好解决的难题之一。 德国66%,日本、美国30%的模具采用自动抛光 机抛光,抛光加工可达到镜面。 生成轨迹的自动抛光机是抛光加工的发展方向。

国内的镜面抛光技术
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我国已进口了可实现三维曲面模具自动研抛的数控研 磨机,仿人智能自动抛光技术也已有成果,但应用很 少,预计会得到发展。 目前国内可抛至Ra 0.05μm的镜面,正在研究开发抛至 Ra 0.025μm的设备。 国内对于透明度要求高的注塑模,如相机、CD、VCD 光盘等注塑模仍需依靠进口。

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研磨与抛光复合方法
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应注意发展特种研磨与抛光复合方法, 以提高模具表面质量:
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挤压研磨 电化学抛光 超声抛光 复合抛光

结束语
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现代模具技术的发展,在很大程度上依赖于模具标准 化、优质模具材料的研究、先进的设备与制造技术、 专用的机床设备,更重要的是生产技术的管理等。 21世纪模具行业的基本特征是高度集成化、智能化、 柔性化和网络化。 追求的目标是提高产品的质量及生产效率,缩短设计 及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具行 业的应变能力,满足用户需要。

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谢谢大家


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