现代模具的现状及展望

现代模具的现状及展望1 引言

近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地，据权威报告，中国已成为第一制造大国。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业人员外，还需要更多的“高技术”来保证。 在第十五规划中指出，模具是工业生产的基础工艺装备，国民经济的五大支柱产业—机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业发展与之相适应。 模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用，与其他加工制造业所无法比拟的。从工业产品生产行业看，模具是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、仪表、仪器、攻关器械、电子通讯、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业必不可少的工艺装备。据资料统计，利用模具制造的零件数量，在飞机、汽车、摩托车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表等机电产品中占80%以上；在电脑、电视机、摄像机、照相机、录像机等电子产品中占85%以上；在电冰箱、洗衣机、空调、电风扇、自行车、手表等轻工业产品中占90%以上；在子弹、枪支等兵器产品中占95%以上。 目前，我国加入WTO之后，在当代工业的迅速发展下，各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新要求，使模具需求增加，对模具质量要求也越来越高，模具技术直接影响制造业的发展、产品更新换代和产品竞争能力。因此，迅速提高模具技术水平已成为当务之急。例如，日本汽车、计算机、电视机、手机等产品的品种、数量、质量在国际市场占有优势地位，其重要原因之一就是日本模具技术居于世界领先水平。 我国模具工业在政府十分重视及关怀下，并提出相应的优惠政策进行模具技术开发，在模具工业中大量采用先进技术和设备。努力提高模具设计和制造水平，取得显著的经济效益。另外，从资料获悉，目前，美国、日本、德国等发达国家的模具总产值都已超过机床总产值。模具技术的进步极大地促进了工业产品的生产发展，模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值将超过自身价格的几十倍乃至上百倍及上千倍。 据各国报导，模具工业在欧美等工业发达国家被称之“点铁成金”的“磁力工业”，如今世界模具工业的发展速度超过了新兴的电子工业，已实现了模具专业化、标准化和商业化，因而深受赞誉。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”，日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”，在德国，被冠之以“金属加工业中的帝王”之称号，而欧盟一些国家称“模具就是黄金”，新加坡政府则把模具工业作为“磁力工业”，中国模具权威经理称为“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中具有重要的地位。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。

2 模具现状 模具的主要类型有：冲模、锻模、塑料模、压铸模、粉末冶金模、玻璃模、橡胶模等。除部分板料冲压以外，上述各种模具都属于型腔模，因为它们一般都是依靠三维的模具型腔使材料成形。 模具是属于边缘科学，它涉及机械设计制造、塑性加工、铸造、金属材料及其热处理、高分子材料、金属物理、凝固理论、粉末冶金、塑料、橡胶、玻璃等诸多学科、领域和行业。 从起步到现在，我国模具工业经历了半个多世纪的发展，已有了较大的提高，与国外的差距正在进一步缩小。纵观我国的模具工业，既存在着高速迅猛发展的良好势头，又存在着精度低、结构欠合理、寿命短等一系列不足，无法满足整个工业迅速发展的迫切要求。现介绍如下：（1）在精密模具方面 当代模具要求的精度比传统模具高出一个数量级。多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度已达0.003mm，甚至更高。多工位的级进模设计和制造技术已日趋成熟，在引进技术及设备情况下，部分企业的此类模具已达到或接近国外先进水平；照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具均已形成规模化生产，子午线轮胎橡胶活络模国产化率已大为提高。目前，模具超精密加工已进入纳米级（0.0001μm）精度阶段。（2）在成型工艺方面 除了液态模锻、粉末锻造成形工艺以外，还有多材质塑料成型模、高效多色注塑模、镶件互换结构和各种抽芯脱模机构的创新设计取得了较大进展；在陶瓷模具成形表面施以桂胶工艺，解决了模具的粘粉问题，同时采用磁吸技术，使其具有自动调整间隙的功能，保证陶瓷砖面平整，简化了模具结构。在冲压成形加工中，多功能复合模具逐渐增加。一副多功能复合模具除了冲压成形零件外，还担负着叠压、攻系、铆接和锁紧等组装任务，这种多功能复合生产出来的不再是单个零件，而是成批的组装件，可大大缩短产品的生产及装配周期，显著地提高生产率。（3）在大型模具方面 我国已能生产轿车覆盖件模具、48英寸大屏幕彩电前壳及后盖注塑模具、6.5kg大容量洗衣机全套塑料模、轿车仪表板形状复杂的注塑模、自动扶梯整体阶梯压铸模及汽车变速箱体压铸模等。另外，为了提高生产率，采用了多工位及多模腔，例如，高生产率级进模有50多个工位，塑封模每模一次生产数百件，塑胶鞋模有18个工位等等。 型腔形状和模具结构复杂，随着人们对产品形状、尺寸精度、整体性及生产效率等要求的提高，以及许多新材料新工艺的广泛应用，当代模具结构和型腔日益复杂。例如，一台大型复合材料成形模具，其结构复杂程度和价格超过一台精密机床。一些大型覆盖件成形模具，不仅型腔形状复杂，而且模具配套性要求极高，要求多个相关模具型腔协调一致，用传统加工方法无法达到其质量要求。（4）在制造技术方面 CAD/CAE/CAM技术的应用水平已上了一个新台阶。以高速发展的家电制造业为例，引进了美国、德国、日本、澳大利亚等国相当数量的CAD/CAM系统，取得了一定经济技术效益，促进和推动了我国CAD/CAM技术的发展。数控机床、加工中心、激光、电火花、线切割、真空淬火、PVD等表面强化技术在模具制造中得到普及应用。（5）在人才方面 人是企业最活跃的因素，市场竞争最主要的是人才竞争。模具行业的工程技术人员和技术工人的素质都不能适应模具工业的发展，已成为公认的事实。文革前的大学生大多步入退休行列，少部分发挥余热再就业。目前，战斗在第一线的主力军大多是20世纪80年代机制专业毕业生，人才断层现象十分明显。不少模具专业厂工程师、技师极少，甚至没有。在东南沿海及广东省，民营企业占绝对优势，这里聚集了来自全国各地的模具制造精英，他们身怀绝技，但因某些原因，经常更换，队伍不稳定、人才匮乏、稀而散是制约模具工业发展的重要因素之一。

3 现代模具的发展趋势 为了解决高精度、长寿命、高效的复杂型腔结构的现代模具，需积极考虑如下三方面：（1） 模具材料及表面处理技术 模具工业要上水平，材料应用是关键。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。在模具材料方面，常用冷作模具钢有CrWMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5Cr4V2,新型冷作模具钢有65Nb、O12A1、CG-2、LD、GD、GM等；常用新型热作模具钢有美国H13、瑞典QRO 80M、QRO 90 SUPREME等；常用塑料模具用钢有预硬钢（P20、SMI、B30）、时效硬化型钢（P21、PMS、SM2日本NAK55等）、热处理硬化型钢（MnCrWv、日本S-STAR、瑞典一胜百S-136等）、粉末模具钢（日本DEX40等）。多工位精密冲模硬质合金（YG20、YG25等）及钢结硬质合金（TLMW50、GW50等）。 在模具表面处理方面，其主要趋势是：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、TiAN、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、辉光离子氮化技术也日益受到重视。（2） 设计制造技术 当代模具的设计与制造广泛采用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM），设计过程程序化和自动化，使用程序、模具拟成形过程、采用交互式设计方法，发挥人和计算机的各自特长。数据库和计算机网络技术使设计人员拥有大量资料和信息。设计与制造之间的直接传输便于设计中的反复修正改变。 先进设计和加工方法的日益普及，为高质量、短周期地开发模具并且保证模具有足够长的使用寿命，提供了技术保证，为模具工业发展奠定了坚实基础。模具设计与加工方法的发展主要有以下几方面 ：① 模具软件功能集成化 模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。如英国Delcam公司的系统化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统等。集成化软件较高的软件还包括：UG、CATIA和Pro/E等。② 快速原型法和快速制模技术（RPM/RMT） 该技术被称为自数控技术以来的又一次革命，尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。它是一项集激光、材料、信息及控制等技术于一体的先进制造技术，其突出特点就是能直接根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，而不需要任何工装夹具，而迭加形成三维实体。 RPM技术与RMT技术的结合，将是传统快速制模技术进一步深入发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合。为模具型腔精铸成型提供了新途径。应用RPM/RMT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1/3和成本的1/4左右，因而具有广阔的发展前景。如美国DTM公司的Rapid Tool专利技术，它能在5~10天内制造生产用的注塑模，可注塑零件5万件以上，属于直接用于批量生产的模具。③ 高速铣削技术 高速铣削是目前切削技术中应用最多的一种工艺技术，是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效、高精度数控加工方式。高速铣削具有工件温度低、切削力小、加工平稳、质量好、效率高（为普遍铣削加工的5~10倍）及可加工硬质材料（＜60 HRC）等诸多优点，因而在模具加工中日益受到重视。高速铣削机床（HSM）一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、变速箱体压铸模、大型注塑模等曲面加工，其曲面加工精度可达0.01mm。国外高速加工机床主轴高转速已超过100000转/min，快速进给速度可达120m/min，换刀时间可提高到1~2S。（3） 专业化生产及标准化 专业化生产是现代工业生产的重要特征之一，国外工业先进的国家模具专业化生产已达75%以上。美、日两国的模具厂，80%是10人以下的小工厂，90%是20人以下小而专的企业。一般一个模具专业厂只生产1~2种模具。这种专业化小模具厂易于管理，反应灵活，易于提高产品质量和经济效率，有较强的竞争力。 标准化是实现模具专业化生产的基本前提，能系统提高整个模具行业技术水平和经济效益的重要手段，是机械制造业向深层次发展必由之路。国外企业都极为重视模具的标准化，我国的模具标准化程度不足30%，而且标准品种少、质量低、交货期长、严重阻碍模具的合理流向和效能发挥，需大力制订标准化规范。