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现代模具制造技术


现代模具制造技术
(桂瑞峰 2009003G105 工程硕士) 一、概述 振兴和发展我国的模具工业,日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生 产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪 表、家电和通信等产品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制 件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制 造方法所

不能比拟的。 模具又是“效益放大器”, 用模具生产的最终产品的价值, 往往是模具自身价值的几十倍、 上百倍。 目前全世界模具年产值约为 600 亿美元, 日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业,从 2007 年开始,我国 模具工业产值也超过了机床工业产值。 模具生产技术水平的高低, 已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标 志,因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。鉴于 模具工业的重要性,在 1999 年 3 月国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决 定》中,把模具列为机械工业技术改造序列的第一位、生产和基本建设序列的第 二位。2007 年以来,又相继把模具及其加工技术和设备列入了《当前国家重点 鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》 。经国务院批 准,从 2007 年到 2010 年,对 180 多家国有专业模具厂实行增值税返还 70%的优 惠政策,以扶植模具工业的发展。所有这些,都充分体现了国务院和国家有关部 门对发展模具工业的重视和支持。 二、模具工业现状 由于历史原因形成的封闭式、“大而全”的企业特征,我国大部分企业均设 有模具车间,处于本厂的配套地位,自 70 年代末才有了模具工业化和生产专业 化这个概念。模具工业主要生产能力分散在各部门主要产品厂内的工模具车间, 所生产的模具基本自产自用。 据粗略估计,产品厂的模具生产能力占全国模具生 产能力的 75%,他们的装备水平较好,技术力量较强,生产潜力较大,但主要 为本厂产品服务, 与市场联系较少, 经营机制不灵活, 不能发挥人力物力的潜力。 模具专业厂全国只有二百家左右,商品模具只占总数的 20%左右,模具标准件 的商品率也不到 20%。由于受旧管理体制的影响较深,缺乏统筹规划和组织协 调, 存在着“中而全”, “小而全”的结构缺陷, 生产效率不高, 经济效益较差。 1、模具工业产品结构的现状 按照中国模具工业协会的划分,我国模具基本分为 10 大类,其中,冲压模 和塑料成型模两大类占主要部分。按产值计算,目前我国冲压模占 50%左右, 塑料成形模约占 20%,拉丝模(工具)约占 10%,而世界上发达工业国家和地 区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的 40%以上。 2、模具工业技术结构现状 我国模具工业目前技术水平参差不齐,悬殊较大。从总体上来讲,与发达工 业国家及港台地区先进水平相比,还有较大的差距。 在采用 CAD/CAM/CAE/CAPP 等技术设计与制造模具方面,无论是应用的广泛性, 还是技术水平上都存在很大的差距。在应用 CAD 技术设计模具方面,仅有约 10% 的模具在设计中采用了 CAD,距抛开绘图板还有漫长的一段路要走;在应用 CAE

进行模具方案设计和分析计算方面,也才刚刚起步,大多还处于试用和动画游戏 阶段;在应用 CAM 技术制造模具方面,一是缺乏先进适用的制造装备,二是现有 的工艺设备(包括近 10 多年来引进的先进设备)或因计算机制式(IBM 微机及 其兼容机、HP 工作站等)不同,或因字节差异、运算速度差异、抗电磁干扰能 力差异等,联网率较低,只有 5%左右的模具制造设备近年来才开展这项工作; 在应用 CAPP 技术进行工艺规划方面,基本上处于空白状态,需要进行大量的标 准化基础工作;在模具共性工艺技术,如模具快速成型技术、抛光技术、电铸成 型技术、 表面处理技术等方面的 CAD/CAM 技术应用在我国才刚起步。计算机辅助 技术的软件开发, 尚处于较低水平, 需要知识和经验的积累。 我国大部分模具厂、 车间的模具加工设备陈旧, 在役期长、 精度差、 效率低, 至今仍在使用普通的锻、 车、铣、刨、钻、磨设备加工模具,热处理加工仍在使用盐浴、箱式炉,操作凭 工人的经验,设备简陋,能耗高。设备更新速度缓慢,技术改造,技术进步力度 不大。虽然近年来也引进了不少先进的模具加工设备,但过于分散,或不配套, 利用率一般仅有 25%左右,设备的一些先进功能也未能得到充分发挥。 3、模具工业配套材料,标准件结构现状 近 10 多年来,特别是“十一五”以来,国家有关部委已多次组织有关材料 研究所、大专院校和钢铁企业,研究和开发模具专用系列钢种、模具专用硬质合 金及其他模具加工的专用工具、辅助材料等,并有所推广。但因材料的质量不够 稳定,缺乏必要的试验条件和试验数据,规格品种较少,大型模具和特种模具所 需的钢材及规格还有缺口。 在钢材供应上,解决用户的零星用量与钢厂的批量生 产的供需矛盾,尚未得到有效的解决。另外,国外模具钢材近年来相继在国内建 立了销售网点,但因渠道不畅、技术服务支撑薄弱及价格偏高、外汇结算制度等 因素的影响,目前推广应用不多 4、模具工业产业组织结构现状 我国的模具工业相对较落后,至今仍不能称其为一个独立的行业。我国目前 的模具生产企业可划分为四大类:专业模具厂,专业生产外供模具;产品厂的模 具分厂或车间,以供给本产品厂所需的模具为主要任务;三资企业的模具分厂, 其组织模式与专业模具厂相类似,以小而专为主;乡镇模具企业,与专业模具厂 相类似。其中以第一类数量最多,模具产量约占总产量的 70%以上。我国的模具 行业管理体制分散。目前有 19 个大行业部门制造和使用模具,没有统一管理的 部门。仅靠中国模具工业协会统筹规划,集中攻关,跨行业,跨部门管理困难很 多。 三、模具业今后的发展 : 模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低, 已经成为衡量一个国家机械制 造技术水平的重要标志之一,直接影响着国民经济中许多部门的发展。 现代工业的发展,对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术,正向如 下的方向发展: (1)高精度 现代模具的精度要求比传统的模具精度至少要高一个数量级。 (2)长寿命 现代模具的寿命比传统模具的寿命要高出 5~10 倍。 如现代模具一般均可达

到 500 万次以上,最高可达 6 亿次之多。 (3)高生产率 由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和层叠注塑模等先进模具, 可以极大地提高生产率, 从而带来显著的经济效益。如用四工位的注塑模生产塑 料汽水瓶,每小时可生产 8000 件以上。 (4)结构复杂 随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料、新工艺的广泛应用,对现 代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。若采用传统的模具制造方法,不仅成 本高、生产率低,而且很难保证模具的质量要求。 传统模具设计制造技术,根本不能满足市场对模具的要求。因此,研制和开 发新的模具设计、制造技术势在必行。模具 CAD/CAM 和 RT(RapidTooling)技术 正是在这种形势下被开发出来的,并在现代模具的生产中发挥了重要作用。 1 模具 CAD/CAM 模具 CAD/CAM 是在模具 CAD 和模具 CAM 分别发展的基础上发展起来的, 它是 计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。 采用单独的 CAD 和 CAM 技术设计生产模具,就其整个生产过程来看,与传统 模具设计生产过程没有什么本质变化,仍然分成两个环节—设计与制造,且二者 之间有着明显的分界,图纸是它们之间传递信息的最重要的手段。 模具 CAD/CAM 则是把 CAD 和 CAM 紧密地联系起来,实现设计制造一体化,其 实质是设计与制造的综合计算机化。在 CAD/CAM 系统中,产品的几何模型是关于 产品的最基本核心数据,并作为整个设计、计算、分析过程中最原始的数据。其 结果可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的各有关方 面,从而实现设计制造的一体化。这时,图纸不再是设计与制造环节的分界线, 也不再是制造过程的唯一依据,在系统中传递的是整个设计、计算、分析后所获 得的大量信息。 模具 CAD/CAM 技术所以能很快地得到发展和广泛的应用,主要是 它具有如下的一些特点: (1)知识、技术密集,综合性强。模具 CAD/CAM 技术是由多种先进制造技术 和计算机技术的综合,其知识、技术高度密集,涉及学科领域多,知识面广,技 术性更强, 这就要求从业人员不仅要有较高的专业技术和技能,而且要有多学科 的综合知识和技术。 (2)生产率高,经济效益显著。模具 CAD/CAM 技术可以极大地提高生产率 和经济效益,据有关资料统计分析,用传统的方法制造模具,从设计到制成产品 交货, 大约需要几个月的时间。 而采用模具 CAD/CAM 技术则可缩短为十几天甚至 几天的时间, 这就为企业在激烈的市场竞争中赢得了时间,以创造良好的经济效 益。 (3)有利于提高模具的标准化程度,极大地发挥人的创造性。标准化工作 可有效地促进模具 CAD/CAM 技术的发展, 而模具 CAD/CAM 则要求模具设计过程的 标准化、模具结构的标准化、模具制造过程的标准化和工艺条件的标准化。 (4)更新速度快,初始投资大。模具 CAD/CAM 技术的更新速度快,能适应 市场形势的变化,为企业带来很高的效益,但它的初始投资却是巨大的,这也是 制约模具 CAD/CAM 推广应用的一个重要因素。 (5)适应性广,这是模具 CAD/CAM 技术的又一特点。它不仅能适应于大型 企业,而且也适用于中、小型企业。 模具 CAD/CAM 技术仍然是在不断发展中的技术, 其发展的最高阶段是计算机

集成制造系统(CIMS) ,其目标是模具制造的全盘自动化,这就要求有较长时间 的研究开发和巨额的资金投入。 人们相信, 随着 CAD/CAM 技术的不断发展和完善, 必将在机械制造业中发挥巨大的作用,为社会带来不可估量的经济效益。 2 快速模具制造 RT 快速模具制造是快速原型 RP 在模具制造行业中的成功应用。 目前,快速模具 RT 主要应用于注塑模、冲压模、铸模等方面,其制造工艺 方法主要有 RP 间接制模和在 RP 系统上直接制模两种,有三种典型的工艺路线。 其一是单件小批量的产品制造,它利用 RP 快速原型技术和真空注塑技术,直接 制造树脂模具; 其二是中等批量的零件的制造,其工艺方案是利用 RP 快速原型, 采用快速喷涂技术制造金属冷喷模(即在模具表面喷涂一层金属薄壳,基体仍为 塑料) ,这种模具可用于 3000 件以下的注塑件的生产;其三是大批量生产类型, 工艺路线是先利用 RP 制造石墨电极,再通过电火花加工钢模,它适用于万件以 上的大批量生产。 综合快速模具制造 RT 技术, 它与传统的模具制造技术及模具 CAD/CAM 相比,还具 有如下特点: (1)制造方法简单,工艺范围广 由于快速模具制造是基于材料逐层堆积的成形方法,工艺过程相对简单、方 便和快捷, 它不仅能适应各种生产类型特别是单件小批的模具生产,而且能适应 各种复杂程度的模具制造;它既能制造塑料模具,也能制造金属模具。模具的结 构愈复杂,快速模具制造的优越性就更突出。 (2)模具材料可强韧化和复合化 快速模具制造工艺能方便地利用在合金中添加元素或结晶核心, 改变金属凝 固过程或热处理等手段, 可改善和提高模具材料的性能;或者在合金中添加其它 材料,可制造复合材料模具。 (3)设计周期短,质量高 由于 RT 的模具设计极少依赖人的因素, 因而可有效地降低人为的设计缺陷。 设计师可利用 RP 制造的高精度模型,在设计阶段就可对产品的整体或局部进行 装配和综合评价,并不断改进,大大地提高了产品的设计质量。 (4)便于远程的制造服务 由于 RT 对信息技术的应用,缩短了用户和制造商之间的距离,利用互联网可进 行远程设计和远程服务, 能使有限的资源得到充分的发挥,用户的需求能得到最 快的响应。 RP 是 80 年代才发展起来的高新制造技术,快速模具制造(RT)技术是应用 这一技术改造传统模具技术的成功范例。由于 RT 显著的经济效益,近年来工业 界对 RT 的研究投入了大量的人力和资金, 迄今为止全球已有 300 多家 RT 服务机 构,因而促进了这一技术的快速发展和应用。 四、模具的选材原则 (一)满足工作条件要求 1.耐磨性 坯料在模具型腔中塑性变性时,沿型腔表面既流动又滑动,使型腔表面与坯 料间产生剧烈的摩擦, 从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最 基本、最重要的性能之一。

硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下,模具零件的硬度越高,磨损量 越小,耐磨性也越好。另外,耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大 小及分布有关。 2.强韧性 模具的工作条件大多十分恶劣,有些常承受较大的冲击负荷,从而导致脆性 断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断,模具要具有较高的强度和韧性。 模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。 3.疲劳断裂性能 模具工作过程中,在循环应力的长期作用下,往往导致疲劳断裂。其形式有 小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。 模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的 含量。 4.高温性能 当模具的工作温度较高进, 会使硬度和强度下降,导致模具早期磨损或产生 塑性变形而失效。因此,模具材料应具有较高的抗回火稳定性,以保证模具在工 作温度下,具有较高的硬度和强度。 5.耐冷热疲劳性能 有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态,使型腔表面受拉、压力 变应力的作用,引起表面龟裂和剥落,增大摩擦力,阻碍塑性变形,降低了尺寸 精度,从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一,帮这类模 具应具有较高的耐冷热疲劳性能。 6.耐蚀性 有些模具如塑料模在工作时,由于塑料中存在氯、氟等元素,受热后分解析 出 HCI、HF 等强侵蚀性气体,侵蚀模具型腔表面,加大其表面粗糙度,加剧磨损 失效。 (二)满足工艺性能要求 模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具 的制造质量, 降低生产成本, 其材料应具有良好的可锻性、 切削加工性、 淬硬性、 淬透性及可磨削性;还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。 1.可锻性 具有较低的热锻变形抗力,塑性好,锻造温度范围宽,锻裂冷裂及析出网状 碳化物倾向低。 2.退火工艺性 球化退火温度范围宽,退火硬度低且波动范围小,球化率高。 3.切削加工性 切削用量大,刀具损耗低,加工表面粗糙度低。 4.氧化、脱碳敏感性 高温加热时抗氧化怀能好,脱碳速度慢,对加热介质不敏感,产生麻点倾向

小。 5.淬硬性 淬火后具有均匀而高的表面硬度。 6.淬透性 淬火后能获得较深的淬硬层,采用缓和的淬火介质就能淬硬。 7.淬火变形开裂倾向 常规淬火体积变化小,形状翘曲、畸变轻微,异常变形倾向低。常规淬火开 裂敏感性低,对淬火温度及工件形状不敏感。 8.可磨削性 砂轮相对损耗小,无烧伤极限磨削用量大,对砂轮质量及冷却条件不敏感, 不易发生磨伤及磨削裂纹。 (三)满足经济性要求 在给模具选材是, 必须考虑经济性这一原则, 尽可能地降低制造成本。 因此, 在满足使用性能的前提下,首先选用价格较低的,能用碳钢就不用合金钢,能用 国产材料就不用进口材料。 另外, 在选材时还应考虑市场的生产和供应情况, 所选钢种应尽量少而集中, 易购买。 五、总结 21 世纪,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 代制造业中, 无论哪一行业的工程装备,都越来越多地采用由模具工业提供的产 品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求,模具工 业正广泛应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 具这一基础工艺装备的迫切需求。


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