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汽车模具制造中的新技术


包括数字化模具技术(三维设计、可制造性设计(DFM)、CAPP、CAM、CAT……)、成形过 程模拟(CAE)技术、 高速加工技术、 自动化加工技术、 新材料成形技术、 表面处理技术、 新型(多功能复合)模具技术、信息化管理技术等等

汽车模具制造中的新技术
作者:王晋 文章来源:海克斯康测量技术(青岛)有限公司 新浪微博 QQ 空间 人人网 开心网

更多 模具制造是周期长且工序复杂的采用单件生产方式的制造过程. 点击数:207 发布时间:03-23

图 1 ROMOCUT 铣削机器人

模具制造是周期长且工序复杂的采用单件生产方式的制造过程。从设计、铸造、加工、修模到试模交付, 其中涉及到大量的反复测量和修调工作,因此生产效率是大家公认的模具行业的一个突出的问题。汽车模 具有尺寸大、重量大、形面复杂的特点,技术要求也更高。面对越来越激烈的市场竞争,如何能提升技术 优势,从而提高产品质量和缩短生产周期,是模具制造商追求的一致目标。本文将针对冲压和注塑模具的 生产现状,介绍一些最新技术的发展与应用前景。
冲压成形和注塑成型是汽车零部件制造的基本手段。汽车外饰件大都采用冲压而成,而内饰件多采用注塑 成型。据统计,汽车制造中有 70%~80%的零部件需经模具生产。因此,冲压和注塑工件的制造工艺水平 及质量对汽车制造质量和成本有着直接的影响。 模具是冲压和注塑成型的关键工具, 模具的制造成本和周期影响着汽车的制造成本以及新产品开发的周期。 目前,国外汽车界提出缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车重量的发展战略,其中的一

个重要环节就是降低车身件模具的制造费用和减少生产周期。同时,模具制造技术也正向着高效节能、安 全清洁的生产方向发展。 针对汽车模具制造中的加工和测量,海克斯康集团基于自身旗下的产品,与行业大客户合作,开发出了一 系列特有的应用技术,受到了越来越多的模具制造厂的关注。

图 2 WLS400 白光测量设备 柔性铣削系统:模型加工的新方法 消失模铸造技术以其成本低、精度高、生产效率高、环保且低能耗的优势成为模具铸造的主要手段。被国 内外铸造界称为“21 世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。 用泡沫塑料材料制作消失模是汽车模具毛坯铸造中的一个重要环节,目前广泛使用的模型制作方法是使用 CAM 编程和数控加工中心铣削。用先进的 5 轴加工中心来铣削泡沫塑料恰恰是最不经济和环保的技术:设 备昂贵且效率低,加工过程中产生的泡沫碎屑和粉尘严重影响了设备寿命和人员的健康。 海克斯康开发的 ROMOCUT 铣削机器人系统(图 1),完美的解决了这一问题。ROMOCUT 是专为消失模 加工而设计的设备,它由机器人和专用的铣削头组成。这套铣削头的特点是高效率的空心铣刀和相连的真 空除屑系统,能够实时清理泡沫碎屑和粉尘,真正做到了空中无尘,地面无屑,机身清洁,作业环境好, 环保健康。 ROMOCUT 不需要地基和机房,是一种可移动式 NC 设备。对于大尺寸工件,ROMOCUT 可进行多机位移动 加工,通过关节臂测量机或激光跟踪仪完成机位移动之后的精确重定位。因此 ROMOCUT 铣削机器人的加 工行程不受限制。这样以小机器加工大工件的特点,克服了加工中心加工尺寸受限和需要固定的场所与地 基的缺点。 ROMOCUT 接受通用的 NC G 代码文件,与通用的加工设备编程没有区别,可以按需要作粗、细加工编程, 并保证刀具始终沿表面法线切削。铣头功率 1.2kW,主轴转速在 2000~12000r/min 之间可调,配置一套直 径 10~50 的加工刀具,与普通加工中心相比,有极高的生产效率。

该系统可用于诸如聚苯乙烯(泡沫)、油泥和 PU 树脂等模具和造型材料的铣削加工。ROMOCUT 的成本远 远低于 5 轴加工中心,经在南汽模的实际使用,证明是一种更新换代型的技术,性价比极高。

图 3 铸造毛坯及面形数据采集 白光测量设备:快速完成面形测量与分析 白光作为一种新型的面型测量技术,具有数据采集量大,效率高的特点。海克斯康集团最早与美国通用汽 车合作,将白光测量系统(Cognitens)(图 2)用于汽车车身件测量已有超过 5 年的历史。不同于其他仅 用于逆向工程的白光设备,新推出的 WLS400 的曝光时间小于千分之一秒,这得益于高灵敏度的成像器件 和高速快门技术,将环境振动的影响几乎完全消除。因此也并不需要固定的相机三角架和工件的固定防振 要求。实际上,该系统是地道的手持设备,操作方便而可靠,这是生产车间使用的重要需求。该系统的另 一显著特点是不需要在工件上粘贴大量用于保证精度的参考目标,仅有少量用于找正用途的参考点即可。 由于汽车模具和车身件的紧密关联性,白光测量系统被用于模具行业就是顺理成章的事了。通过在现场环 境下快速测量,有效地缩短了模具制造周期。尤其在现场修模、根源问题追溯中体现的淋漓尽致。 以下列举 WLS400 白光测量设备在模具制造环节中的几种典型应用。 (1)毛坯件加工前智能逆向——减少空切及大进刀量 众所周知,模具的铸造毛坯件因材料的收缩有无法控制的变化量,所以粗加工余量往往是个不确定值。因 此在实际的机加过程中,毛坯件的粗加工无法避免空切(铣刀没有实际加工到毛坯)和进刀过量(铣刀铣 削面积过大)的产生,对机床造成的浪费和损伤。 白光因其能快速的对毛坯的外表面进行数据采集和智能逆向,生成 STL 3D 三角网格数据(图 3)。并结合 CAM 软件,可以快速设计出最合理的粗加工路径,使得机床的利用率大大提高(通过与北美荻原的合作分 析提升约在 20%)并对刀具和机床起到保护作用,使得维护成本大大降低。

图 4 分步修模中的试件变化 (2)模具调试阶段的快速测量

众所周知, 模具面形是按零件的 CAD 数模加工而成的, 但我们最终的要求是成型后的零件符合 CAD 数模, 而并不是模具本身。因此反复大量的试模和修模是必不可少的,而且这是影响生产周期的主要因素。这期 间,对零件的面形测量是一项费时而细致的工作,白光测量则可以完美的满足这一要求。 由于白光测量的高速性,可以实现快速的现场测量,从而使的原先的修模(红丹粉试模→工人经验修模) 提升为数字化测量和加工模式 (白光测量→精修模具) 。 其中可以大大节约试模的时间, 并实现精确加工。 如图 4 所示,公差 0.05mm 色差图展示了一个分步修模中的试件变化过程。 (3)连续模的各模之间调整 在连续模的生产过程中,会用到类似装配过程中出现的过程监控。举例来说,有一套四序模具,经四步冲 压成型后可能发现最终结果不满足要求。产生这种结果的原因有很多种,但是问题出现后的分析往往需要 大量的试模过程和人工经验判断。

图 5 连续模过程分析 白光测量能同步记录同一个零件在各工序间的变化过程,并可对应任一工序的半成品中的任一测点横向跟 踪分析。如图 5 所示,四序模具在成品件部分发现问题,可回溯四序中任一工序找出问题所在。大大节省 了试模材料和时间,并能对以前只能依靠经验的修改变成清晰而直观的量化信息。 (4)小批量生产中的统计分析功能 对应模具产品的交付,客户并不完全关心甚至了解在生产过程中的质量控制手段,只关心两点,即零件的 合格率或称为“PIST”(Percent In Safety Tolerance)以及模具的重复性或称为“R&R”(Repeatability and Reproducibility)。此项工作的核心是大量的数据测量,使用传统的 CMM 测量效率极低。

白光测量技术能非常完美的解决这个问题。首先,白光是一种面测量手段,也就意味 10 个测点和 100 个 测点甚至 1000 个测点的测量速度是一样的,单个零件的测量速度大大高于传统 CMM 测量。其次,白光测 量的图形化显示和自带的报告模板编辑能力使得 PIST 计算和小批量的 R&R 计算全部在程序内部完成,提 高了精确性。 (5)合模分析 为检查上下模之间的间隙,需要进行合模试验,这同样是一件困难而耗时的工作。 用 WLS400 系统可以提供快速测量和数字化装配,模拟合模效果。如图 6 所示,对上下模分别测量后,在 系统提供的软件中进行数字装配操作,就可以检查任意截面上的间隙大小,为修模提供定量的依据。

图 6 凸模/凹模测量数据 (6)成品数据保存 经试模合格的最终成品模具,其面形往往早已偏离了最初的理论数模。为保证日后的复制和维修,必须作 数据保存,这实际上是一个简单的逆向工程数据采集工作。用白光系统就可以非常容易的完成。 结论 Romocut 机器人铣削系统是对消失模加工技术的极大改进,具有高效,环保的特点,而且设备投资低,是 消失模制造行业降本增效的新利器。 WLS400 白光测量作为一种新兴的快速测量手段,特别适合型面测量。和其他同类测量方式相比,能在更 恶劣的环境下使用(不怕振动、车间粉尘及油污染),成为一种非常理想的现场检测设备。加上专业开发 的应用软件系统,简单易懂的图形结果,多种的报告及分析手段,将会给模具行业带来全新的测量控制手 段,在模具的生产加工过程中发挥越来越重要的作用。

汽车车身冲压的新技术和发展趋势
作者: 文章来源:互联网 点击数:419 发布时间:06-29 新浪微博 QQ 空间 人人网 开心网 更多 1.前言

当今世界汽车行业普遍认为,汽车车身冲压成形技术是汽车制造技术的重要组成部分,每一次汽车车身的 更新换代都需要开发相应的专用模具和增加必要的生产线。因此在冲压生产中,如何提高冲压生产效率、 降低生产成本,正确选取和采用新设备、新材料、新工艺等是冲压技术中的主要课题 众所周知,汽车车身的金属件几乎 100%为冲压件,而且汽车车身的更新换代速度快。这就决定了冲压成 形技术在汽车产品的开发中不仅影响制造周期,还直接影响成本和产品品质。汽车车身冲压成形技术的关 键是冲压工艺与模具技术。 冲压工艺的合理与否决定了模具调试的难易程度;模具设计决定了模具制造的难 易程度及制造管理过程,因而直接影响模具制造成本和周期。 尽管国内外已通过长期的实践积累了大量的经验,形成了较系统的设计制造规则和方法,但新技术的出现 仍可能为冲压工艺和模具技术的重大变革带来机遇。特别指出的是,以 CAD/CAE/CAM 为特征的计算机技 术在冲压成形中的应用不仅能引起传统工艺流程在周期、成本和品质方面的变化,而且使一些以前难以实 现的工艺设想可能成为现实,根据目前国际汽车冲压和模具技术的发展趋势,已经形成了包括模具设计和 冲压技术模块化、新材料及复合材料冲压加工工艺、计算机模拟冲压成形及虚拟试模技术、特种成形技术 和模具制造技术等重大课题。因此,我国汽车业要想在新的国际变革中站稳脚跟,就必须对此认真加以研 究。 2.模具设计和冲压技术模块化 2.1 模块化模具设计 汽车车身零件虽然千差万别, 但同类零件在尺寸大小和结构特征上一般是相近的,同一类模具的结构特征 也是类似的。通过分析模具的结构特征,模块化模具设计将模具划分为模具模架、成形工作部件和基础件 等模块,根据其复杂程度采用不同的制造方法,通过并行工程加快设计制造速度。模块化模具设计考虑到 模架的通用性,建立常用汽车车身件模具模架库,将常用的汽车车身模具的模架按照规格型号的大小分为 大、中和小三个等级,一个车型的大部分大型模具,只要有这三种类型的模架即可。这样不仅可大大减少 设计制造的工作量,还可降低设计制造成本。 2.2 模块式冲压技术 模块式冲压是最近几年发展起来的新兴技术,一般模块式冲压加工系统由一台带有控制功能模块式冷冲压 的压力机、 卷材带材送进装轩、 带材矫正机及可编程进给装置等构成。 系统在运行时可进行冲模横向位移、 带材进给定位、冲模重复运行及自动调整下工步等多项功能。由于在冲压过程中进行可编程冲压,使这种 模块式冲压系统能柔性地适应生产需求, 在相同带材上进行不同工件及批次的混合生产, 实现串接式加工, 还同时在工件两面冲压加工,极大地提高了工作效率。 模块式冲压的突出优点在于能把冲压加工系统的柔性与高效生产统一起来。概括而言,模块式冲压的特点 包括:(1)在冲压成形过程中快速更换组合模具以提高生产效率;(2)由于具有带材的供带和矫带装置,可省 却另设上料下料工序;(3)实现了大工件的不停机加工;(4)既能独立又能成系列的控制组合冲模动作,能连续 进行冲压加工;(5)冲模具有可编和的柔性特点。 3.车身模具新材料和先进制造技术 目前汽车行业的研发热点是车身轻量化成形工艺,欧洲汽车专家预测。在未来 1O 年里轿车自身重量还将 比现在减轻 20% 。

当前,发达国家在材料和成形技术开发与应用方面正方兴未艾。使用铝合金和镁合金代替钢铁是目前各国 汽车制造商主要的减重措施。据不完全统计。2001 年全世界消费铝约 3O MT。其中汽车工业的用量为 6.5 MT,约占总消费的 22%,使用铝合金代替钢铁是目前各国汽车制造商主要的减重措施,另外,在承受冲 击时铝板比钢板多吸收冲击能 50%。 我国的镁矿资源丰富, 占全世界的 50%左右。 镁合金由于除了能满足汽车轻量化的要求外, 还具有易加工、 易回收、环保好等优点。因而在现代汽车上也得到了愈来愈多的应用。可以预计,随着这些高强、轻质材 料的广泛应用和汽车结构的进一步改善,汽车的自质量有可能下降 1/2 以上。预计到 2010 年,适合于铝、 镁等各种不同轻质材料的汽车车身冲压工艺 CAD (CAPP)和冲压件成形技术会得到进一步完善。 对于轻量化车身成形工艺与模具技术的探索,在理论研究方面,要进一步探讨新一代铝、镁合金等轻金属 的大幅度弹塑性变形本构关系及参数获取,表面摩擦特性的机理;在工艺技术方面,要研究铝、镁合金的冲 压回弹、起皱、拉裂规律和毛坯反求等问题;在模具制造方面,要研究模具毛坯快速制造方法,开发快速精 密加工与精密测量技术和装备,同时,还要研究与之配套的铝、镁合金冲压工艺试验技术与装备。 另一方面,最近几年,“亚毫米冲压”概念逐渐深入人心。亚毫米冲压是指汽车车身冲压件的精度控制在 0-1.0mm 的范围内,与过去制造业通行的误差 2mm 相比,是个非常大的提高。亚毫米冲压的中心是冲压 件的精度与敏捷度两个目标,精度就是使冲压件尺寸准确度控制在 0 毫米或亚毫米的水平,其关键是控制 车身支架、立柱等结构件的尺变动,并使汽车覆盖件分块度大,如采用整体左右侧板和顶盖板等。敏捷度 含义则是指减少冲压件的生主准备时间达 30%,包括模具设计、试样制造和工装准备时间,以达到极大缩 短新车型制造周期的目的。 通过亚毫米冲压项目的研究,使冲压过程和部件装配工艺的设计不仅由基于经验和传统工艺向科学和数据 过程的转化, 而且向 CAD 和模拟试模转化, 同时实现了过程监测和设备维护由被动响应向科学预测式转变。 4.特种冲压成形技术 现代汽车冲压件的技术要求正朝着结构复杂、 分块尺寸增大、 承载能力变大和内应力限制严格等方向发展, 传统的汽车冲压件成形工艺已经不能满足目前车身制造的要求,一些有条件的企业开始广泛研究和开发板 材成形新技术,促进了特种冲压成形技术发展。这里简要介绍液力拉深、内高压成形和电磁成形等几种新 工艺在汽车冲压件成形中的应用。 4.1 液力拉深技术 传统的拉深模具由刚性凸模、压边圈和凹模构成。拉深过程中,凸模底部材料几乎不发生塑性变形,坯料 的主要变形区是凸缘区。该区材料在周向压应力和径向拉应力作用下发生塑性变形并被逐渐拉入凹模内, 转化形成筒壁。液力拉深技术是在原理和方法上不同于传统拉深方法的一种新技术,包括液力深拉深和液 力正拉深两种。 液力深拉深利用压力介质(大多是油水乳剂)进行成形, 主要在双动液压机上完成。 液体介质一般为油或水。 由于成形过程中拉深凸模压入液压腔而产生向各个方向起作用的反压力,并将要成形的坯料始终紧压在凸 模表面上,因此加大了凸模与坯料之间的附着摩擦,不仅使拉深力大大提高,而且成形件的精度很高,也 利于减少回弹;此外,由于板材不是在刚性圆角上进行拉深,而是通过液体间隙的压力被拉深,因而成形件 应力分布均匀,表面质量高。

液力正拉深是利用压力介质(大多是油水乳剂)进行成形的。由于板坯不与凸模或者凹模摩擦,而是通过液 压乳剂将板坯挤压到凸模上,因此不仅模具磨损度小,模具的耐用度高,而且工件可达到较理想的表面质 量。 此外, 由于使用液力正拉深工艺费用低于传统工艺, 用一套模具可以加工各种材料和任何厚度的板材, 模具费用大为降低。 4.2 内高压成形 液压式内高压成形技术与其他冲压成形技术相比, 有几项明显优点: (1)在成形过程中可一次加工出顶盖板、 门框等大型复杂几何形状的工件;(2)因为液体在成形过程中冷却作用,使工件被"冷作强化",从而获得比一 般冲压加工更高的工件强度,这使得允许采用更薄的板材,使工件更轻量化;(3)工件外表板面只与压力液 体接触,加压过程较平缓,零部件成形变化均匀,可获得匀称的压力分布,获得更好的平滑外表面;(4)冲 模和工具费用可下降 40%,特别可降低凸型零件加工的节拍时间,约为 0.1-0.5MIN,这在特种成形工艺中 是较短的,可实现批量生产。目前,宝马汽车公司的仪表板支撑梁以及大众汽车公司 2,O1 —16V_4 汽油 发动机排气系统的制造都采用了内高压成形技术。 4.3 电磁成形 利用通电线圈产生的电磁力的电磁成形工艺,是目前颇有前途的另一种新型加工手段。当线圈通入交流电 时。数微秒内建立起磁场,使金属工件尤其是导电率强的铜铝材质感生出电流 ,感生出电流,感生电流又 将受到磁场力作用,使工件产生张力与凹模吻合而迅速成形。当线圈在工件内时,电磁力将使工件外张成 形;当线圈平面平行于板件放置时,电磁力将使工件拉伸成形。其突出优点一是加工成形迅速、工效高,二 是常用于金属与非金属的连接,可取代粘接或焊接;其三是不消耗辅助材料如润滑油脂等,有利于环保。 5.冲压工艺改进和计算机辅助技术 汽车覆盖件冲压工艺设计,是在考虑冲压操作方便、安全、模具结构合理、工件及废料排出顺畅等要求的 基础上,根据产品结构形状和技术要求确定拉延、修边、冲孔、翻边等工序的先后顺序及各工序的具体内 容。国外汽车车身覆盖件冲压工艺 CAD 和冲压件成形过程的计算机模拟技术应用较早,如美国三大公司, 德国大众和宝马以及法国雷诺等公司。 汽车覆盖件冲压工艺问题主要集中在以下三方面: 1 冲压方向的选择 不同类型的模具冲压方向的选择具有不同的准则。对于拉延模具而言,冲压方向的选择要求模具型面无闭 角,开始拉延时凸模与毛坯的接触面积尽可能大,位置尽可能居中,且接触部位要多而分散。这些经验的 判定准则,主要从几何方面进行考虑,比较容易进行数学描述和分析计算,一般可借助几何 CAD 系统进行 冲压方向优选, 如 Pro/DIEFACE 直接借助其 CAD 系统的几何处理功能, 对人工确定的一系列冲压方向进行 几何计算,将结果以拉深等高线的方式反馈给用户,最后由设计人员确定适当的冲压方向。随着建模技术 和优化设计的发展,国内不少研究机构建立了基于优化模型的冲压方向优化计算法,如根据确定汽车覆盖 件冲压方向的原则,建立冲压方向的优化模型和评价函数,通过截面线将复杂的三维空间问题转化为二维 问题,求出可行域,再将二维问题的分析结果综合起来得到三维问题的结果,然后进行优化并最终求得最 佳冲压方向。 2 覆盖件拉延工艺补充面和压料面的设计

覆盖件大多形状不规则,很难满足拉延成形工艺的要求,其形状多半也是复杂的空间曲面,不仅需要确定 型面补充走向、型面补充范围等,还需要描述其空间几何形状,是一个涉及边界条件以确保成形顺利实现 的创造性过程。目前这一问题通过对零件几何的定性分析来确定,借助于曲面造型功能软件来完成。如借 助于 UG NX2 提供的丰富曲面构造功能,根据典型截面线的形状,灵活运用各种曲面构造方法,完成各个 曲面片,再对曲面之间的过渡进行处理,完成工艺补充面和压料面的设计。UG NX2 的 Die Engineering 模 块在确定压料面和修整零件边界后,根据工艺补充典型截面线和相应规则,采用参变量的方法来控制与设 计工艺补充面,最后形成压料面与工艺补充面的整体型面。国内在借助图形软件的基础上也对此有不少研 究,如利用工艺补充典型截面线,采用二维截面特征,利用多种曲面造型混合的方法实现参数化工艺补充 面的交互设计和基于变量化技术的工艺补充面和压料面设计法。 3 覆盖件拉延筋的设计 拉延筋是冲压成形过程中拉延张力的主要提供者。传统设计中,拉延筋与凹模圆角的尺寸都是固定数值, 根据经验来设计,然后在模具调整过程中通过打磨调整拉延筋几何参数以使零件顺利成形。随着计算机技 术、模拟技术和成形理论的发展与应用,建立拉延筋阻力模型,通过有限元分析、模拟来优化拉延筋设计 的方法得到了广泛研究和应用。 目前,拉延筋的设计主要通过改进拉延筋模型和引入优化算法来完成。在拉延筋阻力模型的建立上,出现 了考虑拉延筋约束阻力、厚向应变和约束保持力的等截面三维等效拉延筋模型,其应用是将拉延筋模型抽 取出来,根据其几何参数、受力情况和金属流动建立数据模型,再嵌入冲压成形型面模型中,用有限元法 模拟拉延筋在拉延成形中的过程和作用,分析拉延筋主要几何参数对压边力和拉延筋约束阻力 的影响。 可以说,汽车覆盖件工艺设计是产品设计与产品制造之间传递和管理信息的桥梁和纽带,覆盖件冲压工艺 设计与工艺管理的一体化是适应资源快速配置,优化产品制造过程,实现产品开发过程的关联性、全球化 和网络化要求的。目前计算机辅助覆盖件工艺设计是以交互式为主流,以智能化为研究热点。采用混合决 策方式和基于知识的设计方法将是当前研究的趋势。但工艺设计是一个有序而又需要多次检验和往复修改 的设计过程,工艺设计与工艺管理的一体化的实现仍有不少地方需要研究,目前还只是实现了初步信息的 传递、关联性设计和一些简单管理。 6.冲压工艺发展趋势 汽车冲压工艺设计是一个过程性设计,要通过经验、知识对产品信息不断分析来完成,其设计结果需要检 验评价。通过设计—评价—再设计的迭代过程来实现最优设计,是汽车工艺设计发展的重要方向。目前可 以说 CAE 技术已成为覆盖件工艺设计的检验工具和工程人员修改工艺设计的有力依据。 用 CAE 的结果来指 导工艺设计,进而实现工艺的自适应设计将是今后的又一研究方向。 另一方向,汽车车身覆盖件工艺设计应根据产品形状结构、工艺性、模具制造的合理性、均衡性及成本最 低化原理,来建立优化决策机制,制定产品的工艺路线、任务分配及详细工艺设计。混合智能新技术将是 解决该领域问题的一个发展途径。 如 KBE 技术、 工艺决策推理机制、 人工神经网络(ANN)、 遗传算法(GA)、 Petri 网等智能化技术及并行工程、CIMS 思想等的混合决策技术和多智能体技术的综合智能体系。 7.结束语

进入 WTO 后我国汽车工业成为中国国民经济的支柱产业,汽车总产量在世界排位已由去年的第六名升至 第五名,预计"十五"期末中国的汽车总需求量为 600 万辆,相关装备的需求预计超过 1000 亿元,到 2010 年,中国的汽车生产量和消费量可能位居世界第二位,仅次于美国。随着汽车制造工业全球化、网络化和 虚拟化的发展与应用,汽车冲压工艺技术和模具技术的发展应与先进制造技术、智能技术、电子信息及计 算机集成技术等众多学科相互交叉、紧密结合。实现覆盖件工艺设计与工艺管理的一体化,实现对制造资 源的快速配置和关联工艺设计,优化设计制造过程,并对产品制造合作伙伴的工艺设计及管理工作流程进 行控制,是时代发展的要求和必由之路。

模具制造技术的发展趋势及对机床设备的要求
作者:罗百辉先生 文章来源:深圳市模具技术学会 点击数:345 发布时间:01-20 新浪微博 QQ 空间 人人网 开心网 更多

模具工业直接为高新技术产业化服务,其自身又大量采用高新技术。显然,模具工业已成为高新技术产业 的重要组成部分,两者之间互动频繁,相辅相成。衡量模具产品水平的高低,主要依据其制造精度、表面 粗糙度、复杂程度、使用寿命和制造周期等。尽管目前,我国机床工具行业已能提供成套的高精度加工设 备,但在加工和定位精度,加工表面粗糙度,机床刚性、稳定性、可靠性,刀具和附件的配套性及精度保 持性等方面,和国外相比仍有一定差距。 模具制造技术的发展趋势 我国工业生产面临产品种类多、更新快和市场竞争激烈的挑战,模具制造必须满足交货期短、精度高、质 量好、价格低等要求。当前我国模具技术发展趋势主要体现在以下方面。 1. 模具 CAD/CAM/CAE 技术全面普及

由于模具 CAD/CAM 技术已发展成为一项较成熟的共性技术,近年来此项技术的硬件与软件价格已降低到 中小企业普遍可以接受的程度。有条件的企业应积极做好此项技术的深化应用工作,即开展企业信息化工 程,可从 CAPP→PDM→CIMS→VR,逐步深化和提高。 2. 快速原型制造及相关技术获得更好发展 快速原型制造(RPM)技术是集精密机械制造、计算机、NC 技术、激光成形技术和材料科学最新发展的高科 技技术。该技术可直接或间接用于模具制造,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 1/3 和成本的 1/4 左右。因此,快速制模技术与快速原型制造技术的结合,将是传统快速制模技术进一 步发展的方向。 3. 高速铣削加工得到更广泛应用 高速铣削加工与传统切削加工相比, 还具有温升低、 热变形小等优点。 目前它已向更高的敏捷化、 智能化、 集成化方向发展。使用高速铣削,可缩短模具制造周期,降低成本。 4. 模具高速扫描技术作用愈加显着 模具高速扫描及数字化系统在逆向工程中发挥了更大作用。该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,在很大程度上缩短了模具的研制制造周期。有些快速扫描系统,可快速安装在已 有的数控铣床及加工中心上。高速扫描机扫描速度最高可达 3m/min。 5. 电火花铣削加工技术将成发展趋势 电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术,这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术,它 采用高速旋转的简单的管状电极作 3D 或 2D 轮廓加工(像数控铣一样), 因此不再需要制造复杂的成型电板, 这显然是电火花成形加工领域的重大发展。 6. 超精加工和复合加工应用前景可期 随着模具向精密化和大型化方向发展,加工精度超过 1μm 的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等 技术综合在一起的复合加工将大有用武之地。 7. 热流道技术开始推广 国外热流道技术的发展很快,塑料模具已有一半用上了热流道技术,有的厂甚至已达 80%以上,效果十分 明显。国内近几年来已开始推广应用,但总体还达不到 10%,个别企业已达到 30%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。 8. 气体辅助注射技术和高压注射成形等工艺进一步发展 气体辅助注射成形是一种塑料成形的新工艺,它具有注射压力低、制品翘曲变形小、表面质量好以及易于 形壁厚差异较大的制品等优点,可在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。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。气体辅助注射成形包括塑料熔体注射和气体(一般均采用氮气)注 射成形两部分,比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制,而且气体辅助注射常用于较复

杂的大型制品,模具设计和控制的难度较大,因此,开发气体辅助成形流动分析软件,显得十分重要。为 了确保塑料件精度,将继续研究发展高压注射成形工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具。 9. 模具液压成形技术进一步开拓应用 液压成形工艺是模具涨形技术采用的一种工艺手段,过去在皮带轮等类似产品上应用颇广,现已拓展到汽 车行业,用于零部件制造。该方法简化了模具结构和减少了副数,克服了常规成形过程中材料严重变薄的 状况,提高产品质量的同时大幅降低了生产成本。但由于成形工艺的限制,对某些沿纵轴截面弯曲变化大 的构件尚不适用。 另外, 把成形介质(高压油)传输到板材或管件之间的引入问题, 也尚未得到很好的解决。 因此,有待进一步发展该工艺,以在更多领域得到开拓应用。 10. 模具标准化程度不断提高 我国模具标准化程度在不断提高,估计目前模具标准件使用覆盖率已达到 35%左右(国外发达国家一般约 80%)。模具标准化工作必须进一步强化,模具标准化程度的提高必将利于模具标准件的生产和销售。 11. 优质材料及先进表面处理技术受到重视 在整个模具价格构成中,材料所占比重不大,一般在 10%~30%之间。因此选用优质钢材和应用相应的表 面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。 12. 模具研磨抛光向自动化、智能化方向发展 模具表面的光整加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。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。因此,研究抛光的自动化、智能化是重要的发展趋势。此外,由于模具型腔 形状复杂,任何一种研磨抛光方法都有一定局限性。应注意发展特种研磨与抛光方法,如挤压研磨、电化 学抛光、超声抛光以及复合抛光工艺与装备,以提高模具表面质量。 13. 模具自动加工系统的研制和发展 模具自动加工系统应有如下特征:多台机床合理组合;配有随行定位夹具或定位盘;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。 14. 微铣削技术将成为高速铣削的未来 微铣削(Micro-milling)使用非常小的刀具(直径小于 0.1mm)并能获得非常小的曲面公差和高质量的曲面精 度,通用的 NC 软件是不能达到这个精度的,所以制造商不得不面对以下巨大的挑战:零件变形,复杂程 度增加, 必须以极高的精度加工微小特征的工件, 以及使用微米级的特殊刀具。 微铣削是高速铣削的未来, 精通微精模具的公司将会拥有更强竞争力。 15. 虚拟技术得到发展 计算机和网络的发展正使虚拟技术成为可能。 虚拟技术可以形成虚拟空间环境, 实现虚拟合作设计、 制造, 合作研究开发,及至建立虚拟企业。 16. 汽车车身模具制造技术促进行业整体水平提升

随着汽车朝着轻量化、高速、舒适、风格化发展,汽车车身模具要适应新型车身制造材料(如铝合金、塑料 等),向着大型化、复杂化和高精度方向发展。为了更好的与车身生产相结合,模具生产部门除了模具设计 制造外,还必须同时搞好开发、协调车身设计、样车制造、工艺设计等各个环节,模具企业整体素质和综 合水平也因此得到提高。 工装改造装备高效优质模具 随着模具制造更趋精细化,随着高速、复合、智能、环保等成为当前世界机床制造的主流趋向,模具制造 对装备、工艺提出了更高要求。要求数控机床满足高速、高动态精度、高刚性、热稳定性、高可靠性,网 络化以及与之配套的控制系统均有个性化的特点,各种先进软件对机床整体运行实现开放性、兼容性。 当前机床设备制造企业围绕以下几方面进行了相应的工装改造,满足模具的精密化和自动化趋势的发展要 求。 1. 机床大型化 模具成型零件的日渐大型化和零件的高生产率要求一模多腔,致使模具日趋大型化,大吨位的大型模具可 达 100t, 一模几百腔、 上千腔, 要求模具加工设备具有大工作台, 同时加大 Y 轴 Z 轴行程, 且具有大承重、 高刚性,高一致性。 2. 机床刚性高 模具加工的模具钢材料硬度高,为了确保零件的加工精度和表面质量,用于模具制造的高速机床必须有很 高的动、静刚度,以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。 3. 突出复合加工性能 为了达到对 3D 曲面的高精度、高速度和高稳定性加工,多轴联动,有良好的深孔腔综合切削能力的机床 采用了 5 轴联动加工中心,除了三个坐标的直线运动外,还有两个旋转坐标的进给运动。铣头或工作台可 以多轴联动进行连续回转进给,从而适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。 复合加工是模具加工的发展方向之一。虽然加工中心已能将许多机加工工序复合在一台机床上实现,但这 仍不能完全适应模具加工,将机械加工与电、化学、超声波等不同原理加工方法进行复合,兼备两种以上 工艺特点的复合加工在今后的模具制造中将有广阔的应用前景。 4. 具有高速铣削能力 模具加工的精细化使高转速和大功率高速加工成为发展方向, 高速铣削在模具加工中已显示了极大优越性。 高速铣削具有的可加工高硬材料、加工平稳、切削力小、工件升温变形小等诸多优点,也使得模具企业对 高速加工日益重视。 5. 动态精度高 安全环保 高动态精度。机床的高刚性、热稳定性、高可靠性、高动态精度以及高品质的控制系统的配合实现了模具 的 3D 曲面高精度加工。加工技术与绿色产品技术的结合将在企业采购设备时纳入考虑范围内。电加工机 床的辐射、介质选用将是安全、环保影响的因素,电火花铣削技术会在未来模具加工领域得到发展。

现代切削加工技术的发展
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高翔先生现任中国机械工业金属切削刀具技术协会常务副理事长。他曾任成都工具研究所所长,积极推进 行业技术进步,申办国家精密工具工程技术研究中心。主要研究成果:“挤压钻头模具及工艺的研究”获机 械部科技成果三等奖

以往我们所说的切削技术主要指刀具技术和切削应用技术。随着切削理念的不断更新,现代切削技术还涉 及了刀具管理、相关技术和先进管理等领域,指导我们应用现代切削技术提高生产效率的还有先进的切削 理念。 在数控技术和刀具技术的共同推动下切削加工已进入了高速切削的阶段, 近 20 年切削速度提高了 5~10 倍, 切削加工效率提高了至少 50%。切削速度提高到一定数值后,随着切削速度的增加切削力反而下降,在更 高的切削速度下工件的温升也随之降低。现在新型硬质合金涂层刀具、各种超硬刀具已广泛用于汽车、航

空、航天和模具等行业。各种材料的高速切削加工,包括干切削、重切削和硬切削加工,有效地提高了加 工效率和产品质量。 现代加工中刀具费用只占制造成本的 3~4%,但它对总制造成本的影响却要大得多。加工效率提高 20% 加工成本可降低 15%,而刀具价格下降 20%,加工成本只能降低 0.6%,刀具寿命延长一倍加工成本也只 降低 1.5%。 计划经济时代有的加工企业制订刀具消耗定额进行成本控制, 甚至在高效率的进口设备上使用 低性能的焊接刀具,难以发挥设备性能反而造成更大浪费。现在越来越多的人认识到:加大刀具投入进行 高速切削加工是提高加工效率和降低生产成本的有效手段。这是近年切削理念的一次进步。 几年前国外有人预言“超硬刀具、高韧性陶瓷材料和超硬涂层是切削加工的未来”。现代汽车制造业和航空 航天工业用 PCD 刀具铣削铝合金的速度为 4000~7000m/min;CBN 刀具精镗铸铁缸孔的速度达到 2000m/min,还成功地用于淬硬轧辊的粗加工;新型超硬涂层牌号的硬度达 Hv4000,可承受 800~1100℃ 的高温。随着超硬刀具材料和涂层技术的迅速发展,高速切削将会得到更广泛的应用。 先进刀具有三大技术基础: 材料、 涂层和结构创新。 目前我国的刀具材料和涂层技术与国外还有较大差距, 在使用常规加工设备的场合下,注重刀具的结构创新同样是提高切削效率的有效和更为可行的手段。 高速切削只是提高切削效率的手段之一,我们应采用高速切削和刀具结构创新等多种手段实现高效切削, 从高速切削到高效切削,是切削理念的又一次进步。 我们注意到近 20 年切削速度提高了 5~10 倍,但加工效率只提高了 50%到一倍。原因之一在于切削效率 提高的效果被大量的非切削时间抵消了。日本 MAZAK 公司说他们的加工中心只有 30%的时间在为公司创 造效益。东方汽轮机厂进口瑞士加工中心上自动纪录的切削时间也只有 30%左右。切削技术在不断发展, 人们的认识也在不断深化:在提高加工效率的努力中不光是高速切削和高效切削,通过切削应用技术提高 切削生产效率的潜力还很大。 东方汽轮机厂近年推广可转位刀具就提高生产效率 30%。进而他们又在刀具结构创新上下功夫,与株洲钻 石切削刀具股份有限公司合作开发先进刀具,还对老式设备进行改造以使用先进刀具来提高生产效率。 2006 年他们又对全厂工艺配置进行了优化、加强管理、采用网络编程和切削过程的计算机模拟等手段减少 非切削时间,“向 70%的时间要效益”。降低非切削时间比例的方法很多,如机外调刀、自动装载机、随机 测量、设置装卸工位、采购可靠性高的设备减少维修停机时间等,在管理手段上优化工艺配置、做好工序 平衡以缩短工件周转和等待时间都是有效的方法。 在采用先进刀具实现高效切削的同时,还要应用相关技术和管理手段优化整个加工过程实现高效加工。 从高速切削到高效切削,再到高效加工,我们把这个过程称作切削理念的三次进步。提出这三个切削理念 为实现“发展切削技术,建设制造强国”目标指出了多种的途径,各企业应根据各自条件采取适合于自己的 方法有效地提高加工的效率。

模具冷却仿真技术的发展
作者:本网编辑 文章来源: 点击数:78 发布时间:11-19 新浪微博 QQ 空间 人人网 开心网 更多

高品质的塑料部件正在成为人们判断产品质量时一个越来越重要的因素。给人们带来高品质感受的一个重 要因素就是完美无瑕和具有光泽的表面。 高品质的塑料部件正在成为人们判断产品质量时一个越来越重要的因素。给人们带来高品质感受的一个重 要因素就是完美无瑕和具有光泽的表面。一些传统的方法,如表面涂层和其他二次加工方法对于大批量的 产品而言,通常是成本高昂且不切实际。在通常情况下,这种高光泽度、高品质的表面质量可以通过作为 注塑成型工艺组成部分的快速加热和冷却技术来实现。 矛盾现象 在模具充注和冷却阶段的各种理想的模具加工条件之间存在着相互矛盾的现象。即便使用的是标准等级的 树脂, 注入到高温模具后仍然可以获得具有超高光泽度的产品表面。 这样做可以消除一些明显的表面缺陷, 如焊接纹、银纹和水纹。即使玻璃纤维填充的塑料零件,由于其富含树脂的表面构成,同样能够达到高品 质的表面光洁度。 温度更高的模具可以采用更薄的模壁截面,以实现更长的流动长度和更好地复制模具表面(转印)。模具 充注压力最多能够减少 50%, 而更低的充注压力能够带来更低的注塑内应力, 从而减少翘曲和变形地出现。 但是,向高温模具内注塑所带来的质量方面的优势,即需要付出冷却时间更长的代价,结果是对利润产生 影响。在传统的注塑生产过程中,模具的温度都会或多或少地保持在一个恒定温度。在诸如表面质量等方 面并不重要时,在通常情况下模具的温度会被设定在能够实现零件生产周期最短的温度点。但是,当要求 高质量的表面光洁度时,模具温度有可能需要提高到无法以合理成本生产零件的水平。 解决方案 而快速加热和冷却技术避免了注塑和冷却阶段采用同一温度的两难境地。反之,这种技术同时为充注和冷 却阶段提供了最佳的工作条件。 在模具填充过程中,与聚合物材料接触的模具表面被加热到聚合物的“玻璃化温度(Tg)”之上,以达到最 佳的产品表面质量。随后,在冷却阶段内,模具温度将会迅速降温,以实现尽可能最短的生产周期。然后 模具将会再度加热以准备执行下一个生产循环。 快速加热和冷却技术带来了新的机遇,同时也引起了新的变数。这其中不仅冷却流道的布局和模具材料都 变得很重要,而且还需要选择最佳的加热技术(例如高压热水、蒸汽、感应加热和加热元件等)。随后还 要选择最佳的温度等级,并配合正确的加热和冷却时间,以维持温度水平。同时,对这项技术的不熟悉也 会带来更多的不确定性。

未采用快速温度循环 RTC 技术的亚光级 ABS 注塑件(上)和采用了 RTC 技术的注塑件 深化了解 这时,仿真技术就能够发挥其重要作用了,它让模具的设计者可以掌握更多的信息,然后做出决策。在变 量和选项的数量过多,以至于无法直接理解时,仿真技术就能够帮助人们更深入的了解,寻找替代方案, 以尽量减少风险。 在过去的几年中,注塑仿真软件增加了一些新的能力,能够让人们更深入了解传统注塑生产循环期间,在 模具内部发生了何种变化。目前这些能力已经将快速加热和冷却技术纳入其中,能够帮助人们选择最佳技 术,优化冷却流道、加热元件和热电偶的布局。 仿真软件还能帮助人们理解快速加热和冷却对真实零件的影响。型腔 1 的流体前沿温度能够指示出在熔融 流体前沿经过时模具上的局部温度。在那些要求达到高表面光洁度的区域,这个结果应当显示出在材料 Tg 温度以上的均匀温度分布。 同样的结果还可以用于与焊缝线结果相结合, 确保焊接线在 Tg 温度之上成形并 增强,以使其达到肉眼无法辨识的程度。 仿形冷却经常与快速加热和冷却技术组合使用,这是因为仿形冷却能够对温度变化要求做出快速而局部化 的响应。在对比两种不同冷却流道布局时,其优势是非常明显的。左侧采用传统冷却流道设计的型腔流体 前沿温度结果分布非常不均匀, 在朝向侧面的部分甚至低于 Tg 温度。 而采用仿形冷却流道布局的同类仿真 结果表明高于 Tg 温度的温度分布更加均匀,应当能够带来分布均匀、高品质的表面光洁度。 总而言之,快速加热和冷却技术提供了生产高品质塑料零件的能力。仿真技术能够帮助提供更深入工艺过 程的观察力,从而有助于确保拥有达到质量标准的能力。

二. 丰田模具制造技术 近十年来本人曾在日本多家模具制造厂进行过较为深入的学习和考察,先后累计时间达 6 个多月。 对比以后发现, 丰田的模具技术在日本的模具厂家中也是十分突出的, 无论是能力、 效率及技术都不愧为世界一流水平。 通过对丰田的了解我们可以看到, 世界汽车模具制造技 术正在向这些方向发展: 计算机前的操作逐步代替现场操作, 以高精度加工代替人的手工劳 动,模具的设计、制造高度标准化,单件生产方式向流水线式生产方式发展等等。结合我们 国内的模具制造情况,丰田在以下一些地方与我们有很大的不同,值得我们很好的借鉴。 1. 冲压工艺设计 a. 精细模面设计 我们常说的模具设计实际上分为三个部分:冲压工艺设计、模面设计和结构设计。这三种设 计的内容和侧重点是完全不同的, 丰田的工作流程为先有冲压工艺设计然后指导模面设计和 模具结构设计,分别由不同的人来做,专业分工很明确。传统的冲压工艺设计采用工序图或 是 dl 图,它的模面设计是非常粗略的,以这样的图纸指导下的工艺造型,必须在后序靠人 工修整、制造工艺祢补,造成模具制造的人工钳修量很大、周期延长。丰田在设计阶段通过 计算机的曲面造型,完成模面的精细设计。比如:针对进料量不同设计各种拉延筋,同一套 模不同部位的拉延筋截面不同,防回弹、过拉延处理,最小压料面设计,凸凹模不等间隙设 计等等。精细模面设计的结果,可以极大的减少型面加工,减少钳修,减少试模工时,它的 作用非同小可。 对比之下,国内的模具设计还停留在结构设计阶段,模面设计没有受到很好的重视,模面实 际上是靠后天完成,模具设计的落后造成了制造的落后,也就毫不奇怪了。 b.板料成型分析技术应用情况 丰田公司从 5-6 年前,开始应用有限元法做计算机模拟板料成型分析,主要应用的解算软件 为美国的 dyna3d,他们经过了近三年的努力才达到实用水平。目前,丰田建立了一个整车 身各种典型件的分析结果库。对一个新车型的件,如果成型性没有太大的变化,只是参考原 工艺不做分析,只有特殊的新造型才做板料成型分析。丰田的新车要做样车,对造型特殊的 件除了做板料成型分析外一般还要做简易模进行验证。 因此, 丰田人认为目前板料成型分析 还不是一件必需的、简单的事,无论是周期还是成本都有很大代价。 本人认为,丰田的车型开发量很大,车型之间变化不大、类似件很多,又积累了丰富的人的 经验,板料成型分析确实用武之地不多,建立一个分析结果库是一个好方法(日本富士模具 公司也是这么做的) 。反观国内现状,一方面模具厂专业分工很低,各种件都会遇到,难有 现成经验,似乎更需要板料成型技术。另一方面,技术水平低支持环境差(如:板料参数、 摩擦系数等难掌握) ,模具厂应用起来,要达到实用(不讲效果、不计代价的研究不算)也 是非常困难的。即使是成立专业分析公司,考虑用户数量、周期、价格等因素,恐怕也曲高 和寡。目前,这项技术在国内的实际应用效果还难有定论。 c. 模面设计经验积累机制

丰田的设计部门除手工勾画草图以外, 设计已全部计算机化, 一般设计人员除一台工作站外 还有一台笔记本电脑。但,真正创造性的设计还是靠人脑,特别是靠人的经验积累。丰田特 别强调经验积累机制:只有集体的经验不能有只属于个人的经验,比如:资料的统一管理, 草图设计的小组讨论,图纸的多部门集体审核,设计标准、规范的经常性增改等等。经验积 累机制是丰田能够不断提高模面精细设计的主要手段。比如:模具加工完成之后,一般模具 型面不用研合,刃口不必对间隙,钳工只负责安装,在初次试模时也不能随便修调模具,调 试模具有模面设计人员在场,初次试模缺陷需要记录下来。最后的休整结果,象拉延筋、拉 延圆角变动、对称件的不对称现象等,还要进行现场测量。这些资料的积累、整理、分析、 存档,都是模面设计的经验积累,并随时加入到下一次的设计中去。 丰田的模具设计和调试过程, 真正做到了是一个闭环制造系统, 借助于这种自我完善的经验 积累机制,模具的设计越来越精细,越来越准确。 d. 间隙图设计 在丰田,模面设计实际上是由曲面造型和 nc 编程两部分共同完成的,为了传达和描述模面 设计思想,就产生了除 dl 图、模具图之外的第三种图---间隙图也叫质量保证图。 间隙图本人在以前还没有见识过, 这可能是丰田的一种创造。 模具的设计不是单纯为了设计 出一种机器,能够完成它一定的动作就完了(这只能叫作结构设计) ,模具设计的最终目的 是为了保证它所压出的产品件是合格的高质量的, 间隙图就是这样一种专为保证产品件质量 的图。质量保证图中,主要包括这样几项内容:模具实际符型面区域、各个符型区域的间隙 值、工艺要求的模面变化情况、拉延圆角的变化、各种模面的挖空等等。凡是无法通过曲面 造型实现的模面设计,都通过间隙图的传达,依靠 nc 编程的设计来实现,在这里 nc 编程也 不再是单纯的实现模具结构的加工,它实际上也参与到模面设计中来了。因此,间隙图的应 用也是精细模面设计的一种必然。 e. 大规模生产对模具的影响 丰田的生产规模是世界一流的, 它在模具设计如何适应大规模生产的要求方面具有丰富的经 验。 提高材料利用率:对于大批量汽车生产来说,提高板料的利用率是模具设计的第一大事。只 要把材料利用率提高几个百分点, 模具的成本就可乎略不计了。 如果一套模具 40 万人民币, 只相当于 100 吨钢板的价格,以寿命 50 万件计算,平均每件节约 0。2kg 钢板,就足可节约 出这套模具费用了。 减少冲压工序:模具设计的趋势是,零件的合并,左右对称件合模,前后顺序件合模等等, 原来几个件合成一个件,不同的件合在一套模,模具越来越大,单件工序大大减少,整车模 具数量越来越少,这对降低冲压的成本起关键作用。例如:丰田把整车制件的模具系数,由 过去的 3 点几降到 2 左右。 冲压自动化:为适应冲压线完全自动化,模具必须考虑机械手上下料,废料的自动排出,气 动、自动和传感装置普遍采用等等。

模具的快速装换:冲压线的换模时间,也成为一个模具设计必须考虑的问题。如:拉延模完 全以单动代替双动,模具自动卡紧,换模不换气顶杆等等。 2. 模具结构的设计和加工 设计有两种目的:一个是面向设计本身,一个是面向制造。设计者在画图过程中逐步完善自 己的设计思路,图画完了,自己也清楚了,因此图纸首先要设计者自己看得方便,并使设计 的工作效率高。另一方面,设计要面向制造,以提高生产效率为最终目的。 我们应当认识到不同的生产工艺流程决定了图纸的表达形式。 传统的模具总装图加零件图的 形式,适应的是非框架结构的模具生产。采用大型数控铣加工以后,模具总成图成为更好的 形式。在全面应用 cad 设计之后,如果生产方式没变,那么二维设计和总图设计也不会变, 只是把图板换成了屏幕和键盘。我公司在 97 年曾一度改二维设计为三维实体设计,然而效 果并不好,设计效率降低、生产上也没有得多少实惠。 丰田在 cad 三维实体设计与制造紧密相配合方面为我们提供了比较成功的经验。 a. 实体设计 丰田的模具设计已全部采用三维实体设计,应用的软件为 enginner。 模面设计与结构设计的分开: 丰田把模具结构设计与模面设计完全分开的, 前者是实体设计, 后者仍然是曲面设计。在结构设计中模面部分只是示意性的,可用于实型加工,不能用于模 具加工。这种分工大大简化了模具实体设计,这种简化对三维实体设计的成败很重要。 取消二维图纸:尺寸标注大约占绘图工作量的 40%,丰田不绘制传统意义上的二维图纸,也 就完全省去了这一部分的工作量。 取而代之的是根据各工序需要, 给出必须的三维立体简图, 和标注必要尺寸的平面简图。如果从三维设计出发,最终得二维图的结果,那把一个三维实 体转变成符合人看图习惯的二维图,将是非常费时、费事的,设计出的实体变得毫无价值, 这显然违背了实体设计的初衷,丰田的成功之处就是没有这么做。 搭积木和编辑式设计:三维实体设计采用搭积木式设计,依靠三维标准件和典型结构库,使 模具结构极大的标准化, 变二维绘图构思为三维立体布置。 同时大量借用已有的相似模具结 构,经过简单编辑、修改,完成新模设计。这对设计者来说,是观念上的一场革命,如果还 墨守成规,先画平面图再生成立体型,那三维设计的优势就成了负担,效率太低了。 干涉检查:在二维设计中,往往设计者并没有真正的建立起三维的模具形象,对复杂的空间 问题只能靠断面图,一旦经验不足,考虑不周,空间干涉就再所难免。三维实体设计最直接 的好处,就是非常直观方便的干涉检查,甚至可以作运动干涉分析。以往二维图设计时的一 个老大难问题,在实体设计面前迎刃而解。 实体设计中的删繁就简:实体设计直接面向制造,它所设计的繁简因加工需要而定,完全不 必考虑人的看图习惯。比如:铸件的倒角,在加工中凹角靠刀具完成,凸角靠人工修整,所 以,设计中就不必做了;又如:标准件,完全是采购件,在设计中也可以变成示意性的简单 几何体等等。还有许多设计工作,实际上是靠后序的工艺规范完成的,如螺钉孔位置,镶块 形状等。因加工需要而设计是最经济的设计。

半自动设计:丰田在实体设计的基础上,对拉延模等一些结构典型而标准化比较高的模具, 已经开发出具有一定功能的辅助程序, 做到半自动设计。 比如: 拉延模结构设计一般都交给, 新手、女职员来完成,设计一套模全部工作也用不了一周时间。 b.实型数控加工 实体设计的第一个用途, 就是铸件泡沫实型完全采用数控加工。 丰田的实型模是用一整块矩 形泡沫数控加工出来的。实型的数控化加工生产,就是通过对实体模型的工艺编辑(如:加 工面贴加工余量,模型分层编辑等) ,再经过数控编程,泡沫毛坯下料,数控加工,人工粘 接和修整等几道工序完成的。在丰田,实型的生产员工,已完全从手工制作转变到大量的数 控编程上来了,现场的简单人工粘接和修整工作,由临时工所充当。实型的数控化生产直接 得利于实体设计,而又提高了铸件的精度,为后序的精细加工带来极大的优势。 c.构造面数控加工 模具构造面就是模具型面以外的机加工面,如:导向面、镶块安装面、螺钉孔、其他需加工 面等等。这些在丰田也都是靠编程,数控加工出来的。实体设计为模具的构造面数控编程加 工带来了可能。构造面加工编程化,可以大大提高机加工效率,减少现场的人为操作失误, 提高加工的自动化程度。当然要做到这一点,除实体设计之外,还要作许多工作,如:自动 对刀、刀具管理、加工参数、编程经验等等,这方面我们与丰田的差距就更大,没有这些基 础,构造面的编程加工是不可能的。 丰田通过实体设计真正做到在模具结构上的 cad/cam 一体化, 也只有一体化, 取消绘制二维 图的束缚,实体设计才显示出的它的价值,两者应该同步发展相宜得彰,这就是丰田为我们 提供的经验。 3. 高精度加工 模面的加工是模具加工的重点, 丰田在近年来大力发展高精度模面加工技术, 取得了让人耳 目一新的成果。 a. 型面的高精度加工 型面高精度加工主要体现在这样几个方面:提高模面加工精度、提高加工到位程度、实现模 面的精细设计。 高精度加工除机床精度和刀具的管理外, 主要是靠编程技术的改进来实现的。 加工方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工,精加工走刀移行密度达到 0。3mm,同 时改垂直刀为 30 度角的高速加工等等方法,以提高加工精度。 同时在凹角清根、凸圆角加工到位、控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小符型面方 面都要加工到位,以实现模面的精细加工。 b. 二维刃口的高精度加工 丰田的二维刃口镶块加工,采用在专用的镶块加工流水线上,单块加工成活,加工精度可以 达到按销定位装配,合模无须对间隙的程度。当二维刃口整体加工时,也采用在线测量的方 法来保证凸凹模的合模间隙, 二维刃口的高精度最大的好处是能保证制件的修边毛刺得到很 好的控制。 c. 高精度加工的效果

丰田通过高精度加工,使模具精度达到了模面的少钳工、无钳工化的目标。丰田的标准计划 中,由机加工完成之后到第一次试模之间,只有七个钳工工作日,它基本是钳工装配时间, 而没有钳工修磨工时。在丰田,模具一经加工完成,基本上不用修圆角、不用开间隙、不用 修清根,不对刃口,不研合,甚至拉延模的型面都不用去刀痕、不推磨,唯一的钳修就是用 油石推磨拉延凸圆角和压料拉延面。而且第一次试模,无须修模的试压制件合格率都达到 80%以上。如果不是亲眼所见难以让人置信,这就是精细模面设计和高精度加工的威力。 4. 其他技术 a. 模具材料 丰田的拉延模材料主要采用球墨铸铁而不是目前国内流行的合金铸铁。球墨铸铁焊接性能、 可加工性能好、耐磨性能和表面淬火硬度都比较理想,而成本比合金铸铁要低得多了。修边 刃口材料,选用型材镶块而不是符型的铸钢,主要是因为铸钢成本要高得多。最值得注意的 是, 丰田现已经大量采用基体与刃口一体化的特殊铸铁材料作修边模, 使模具的机加工成本 大为降低。请注意这里的刃口既不堆焊,也不是钢材,铸铁整体刃口只经表面火焰淬火,直 接用于几十万次寿命的薄板料修边模。而且这种铸件的成本还不高。 b. 表面处理 丰田的拉延模型面的表面处理,要求较高的采用电镀,其它模,翻边、修边刃口镶块基本上 采用火焰淬火。日本目前没有采用离子渗氮技术,据丰田人讲,也有试用的考虑。对厚板料 长寿命的刃口材料,丰田采用具有自己专利的特殊钢材,也是火焰淬火。而先加工成型,后 整体淬火的方法,由于淬火带来的变形只能靠人工修整,在丰田没有见到使用。 c. 模具生产中的检验 模具是单件生产, 保证质量是一件非常困难的事, 国内的模具厂大都配备大量的专职工序质 检人员,这严重影响生产效率,但质量把关效果还不佳。丰田是怎么做的呢? 工序检验:丰田人认为产品的质量在源头,设计、工艺、编程、机床、刀具才是质量真正的 保证,质量是生产出来的而不是检查出来的,因此,模具各序之间没有专职检验,只有自检 和互检,质量的把关靠得是每一个生产者。 型面检测:模具的型面也基本没有测量检验。大量的型面检测,如测拉延圆角,拉延筋的修 正量,曲面的光顺度等主要是为了模面设计积累经验,而不是为了检验模具质量是否合格。 制件检测:丰田的产品件检查,主要靠三维测量机进行自动数值检测,但他们也做验具,验 具只起产品件定位支撑的作用。因此验具结构简单,没有强制卡紧装置,他们的产品件检测 几乎是处于自由状态下的检测,这对产品件的符型性是一个非常严格的要求。 三. 技术发展动向 前几年我们看到发达国家的汽车模具行业似乎在萎缩。 因为, 当时认为模具生产离不开人的 手工劳动,发达国家具有工资成本高、没有人愿意干这一行等因素,模具行业大有向第三世 界转移的趋势。通过丰田的发展,我们有了一些新的认识,模具生产越来越依赖高科技,完 全可以把人工劳动降到很低, 汽车对模具生产的需求最重要的是高质量和短周期, 在大规模 汽车生产中,模具本身的成本远远不如模具的使用成本更重要。从这一点上看,目前我们的

模具生产不具什么优势,这种工业转移也不会成潮流,这十多年来,我们通过硬件的技术引 进得到的技术进步, 并没有祢补上因人家更加努力的追求技术进步而带来的新的差距。 换个 角度说,如果汽车模具行业真的向第三世界转移的话,那一定是个夕阳产业,目前汽车模具 在车身材料没有突破性变化的情况下,还是有一定的发展空间和需求的。 1. 重点发展计算机技术 丰田模具制造技术发展的重点, 在于突出计算机的应用, 越来越多的人从生产现场转移到计 算机前。实体设计加上数控编程,取代了人工实型制作和机床操作。精细模面设计和精细数 控编程大大减少了钳修,高精度加工取消了模具的研合、修配。现在数控编程人员已超过了 现场操作工人,数控编程的工时费用,超过了机床的加工工时费 50%,编程的周期超过了机 加工周期。计算机技术应用的发展,目前没有降低模具成本,但模具生产已从依赖人的技巧 转向数控化的自动、半自动化生产,这种高精度和无人化加工,使模具和产品件的质量有了 极大的提高,生产周期大大缩短,计算机技术使模具制造技术又达到了一个新的高度。相比 较就可以看出,国内目前的计算机应用还比较初级,并不是我们的机床和软件不行,而是在 应用的基础技术上有很大的差距,即使是把丰田的技术全搬来,真正做到那种效果,也不是 一件容易的事。 2. 消灭钳工 原来我们认为,模具这种单件生产、型面复杂的产品,离开手工是不可能的,而丰田提出要 消灭钳工。消灭钳工是一种目标,主要是指极大减少或完全避免修磨和调整钳工(装配钳工 还是要的) 。正如我们在前面所介绍的,目前丰田的这一目标已基本实现,除修磨拉延面和 拉延凸圆角外,推磨、修模和调配钳修,已大部分属于异常或祢补设计、制造的缺陷,不再 是一件必要的和正常的工作。 我们举个例子, 拉延模型面的光洁度历来是我们强调的质量标准, 过去为达到这一点主要是 靠钳工推磨。为减少或不推磨,就要减少铣削刀痕余量,有人主张采用垂直型面加工的五轴 铣床, 也有采用数控型面磨。 这些丰田也都采用过, 但实践证明, 五轴机床成本高、 效率低, 编程十分困难,效果也十分不理想。最后,丰田采用高速、小移行的三轴铣削加工方式,得 到高精度型面,把圆角人工推磨,而其他型面干脆不修磨,模面带刀痕拉延。结果证明,虽 然模面谈不上光洁度(还带刀痕呢) ,但即使是表面质量要求很高的轿车外板件,除制件内 表面有一些拉痕外,对有用的制件外表面没有任何不良影响,就是需要电镀的那些模面,也 同样是带刀痕电镀。 据说德国和美国有些汽车模具厂也早已废除了型面推磨。 这对那些追求 模具表面光洁度的人来说,真是命运开了一个大玩笑。同样,对型面凹角采用清亏,立面加 工采用 30 度头防让刀,用不等间隙控制制件成型压力等等各种方法,现在凸凹模的配合精 度,使研合和钳修失去意义。 因此,某种意义上的消灭钳工,不再是一个梦。当然,在国内,目前一个模具厂怎样说服用 户接受这种带刀痕的模具还是一个大课题。 3. 一体化加工 丰田的机加工车间现场, 有三种数控加工线: 第一种是由几台床身可互换的数控机床组成的

加工线,一条线里包括底面加工、卧铣、粗铣、精铣各种机床,配套分工明确,工件换机床 时不必重新装卡找正,这条流水线大约是 80 年代的产品。第二种是带立体仓库的无人职守 的揉性加工机群,这是 90 年代初的产物。第三种是近年才投入使用的粗精加工一体化、高 速、高精度、五面加工中心。第一种加工线,它的单机就是我们目前使用的数控机床,但机 床为多工作台式, 它的不重新装卡找正方面效率很高, 而我们还基本上停留在单机作业的水 平上,很值得我们借鉴。对于揉性加工机群,虽然很先进,但操作起来很困难,准备工作和 时间很长,如果没有很大量的精加工任务,使用起来并不实用,就是在丰田也是如此,看来 这不是一个成功的方向。一体化加工中心是目前正在发展的最新技术,它的优点是,集各种 机床优点之大成,除底面加工之外,一次装卡,粗、精、卧,高功率、高精度、高速面面俱 到,十八班武艺样样精通,加工效率很高。缺点是机床成本很高,需要环境要求也很高,用 它来粗活、重活一起干时是不是很经济呢?还不得而知。但,无疑这是一个很理想主义的技 术,代表着数控加工技术的发展,应引起我们的注意。


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