模具文献综述

模具的文献综述模具的文献综述 1 11 1 模具工业在国民经济中的地位模具工业在国民经济中的地位 模具是工业产品生产用的重要工艺装备 在现代工业生产中 60 90 的工业 产品需要使用模具 模具工业已成为工业发展的基础 许多新 产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产 特别是汽车 摩托车 轻 工 电子 航空等行业尤为突出 模具作为一种高附加值和技术密集型产品 其技术水平的高低已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一 它在很 大程度上决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 振兴和发展我国的模 具工业 正日益受到人们的关注 早在1989年 在国务院颁布的 关于当前产 业政策要点的决定 中 模具被列为机械工业技术改造序列的首位 1997年以 来 又相继把模具及其加工技术和设备列入 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1997年开 始对部分模具企业实行了增值税返还70 的优惠政策 所有这些国家对模具工 业采取的优惠政策也将对其发展提供有力支持 模具是工业生产的基础装备 被称为 工业之母 75 的粗加工工业产品零 件 50 的精加工零件由模具成型 绝大部分塑料制品也由模具成型 作为国 民经济的基础工业 模具涉及机械 汽车 轻工 电子 化工 冶金 建材等 各个行业 应用范围十分广泛 模具技术水平的高低 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 因此模具工业的发展水平标志着一个国 家工业水平及产品开发能力 塑料成型工业是随着石油工业的发展应运而生的一种新兴的工业 在短短的几 十年内塑料成型模具的应用在各类模具的应用中就占有了与冲压模齐驾并驱的 老大 位置 目前 由于用模具生产的塑料制品具有高精度 高复杂程度 高一致性 高生产率 质量稳定和低消耗等特点 塑料制件几乎已经进入了一 切工业部门以及人民日常生活的各个领域 特别是在办公设备 照相机 汽车 仪器仪表 机械制造 交通 电信 轻工 建筑业产品 日用品以及家用电 器行业中的电视机 收录机 洗衣机 电冰箱和手表的壳体等零件 都已经向 塑料化方向发展 近几年来由于工程塑料制件的强度和精度等得到很大的提高 因而各种工程塑料零件的使用范围正在不断扩大 预计今后随着微型电子计 算机的普及和汽车的微型化 塑料制件的使用范围将会越来越大 塑料工业的 生产量也将迅速增长 塑料的应用将覆盖国民经济所有部门 尤其在国防和尖 端科学技术领域中占有越来越重要的地位 随着我国经济与国际的接轨和国家经济建设持续稳定的发展 材料制件的应用 快速上升 模具设计与制造和塑料成型的各类企业日益增多 塑料成型工业在 基础工业中的地位和对国民经济的影响日益重要 1 21 2 国内外模具行业的发展状况国内外模具行业的发展状况 改革开放以来 随着国民经济的高速发展 市场对模具的需求量不断增长 近年来 模具工业一直以15 左右的增长速度快速发展 模具工业企业的所有 制成分也发生了巨大变化 除了国有专业模具厂外 集体 合资 独资和私营 也得到了快速发展 浙江宁波和黄岩地区的 模具之乡 广东一些大集团公 司和迅速崛起的乡镇企业 科龙 美的 康佳等集团纷纷建立了自己的模具制 造中心 中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家 我国的模具工业的发 展 日益受到人们的重视和关注 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 型 用模具生 产制件所具备的高精度 高复杂程度 高一致性 高生产率和代消耗 是其它 加工制造方法所不能比拟的 近几年 我国模具工业一直以每年15 左右的增长 速度发展 2003年 我国模具总产值超过400亿元人民币 随着与国际接轨的脚步不断加快 市场竞争的日益加剧 人们已经越来越 认识到产品质量 成本和新产品的开发能力的重要性 而模具制造是整个链条 中最基础的要素之一 模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的 重要标志 并在很大程度上决定企业的生存空间 近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度 将技术进步视为企业 发展的重要动力 一些国内模具企业已普及了二维CAD 并陆续开始使用UG Pr o Engineer I DEAS Euclid IS等国际通用软件 个别厂家还引进了Moldflow C Flow DYNAFORM Optris和MAGMASOFT等CAE软件 并成功应用于冲压模的设计 中 以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步 东 风汽车公司模具厂 一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具 此外 许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发 经过多年的努力 在模具CAD CAE CAM技术方面取得了显著进步 在提高模具质量和缩短模具设 计制造周期等方面做出了贡献 例如 吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分 析KMAS软件 华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模 汽车覆盖 件模具和级进模CAD CAE CAM软件 上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开 发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥 有不少的用户 虽然这些年来 中国模具工业一直以15 左右的增长速度发展 年模具生 产总量仅次于日 美之后位居世界第三位 2007年上半年模具进口量和出口量 分别为9 47亿美元和5 95亿美元 我国模具生产点多数是自产自用的模具车 间 分厂 商品化模具仅占I 3左右 从模具市场来看 国内的模具生产仍供 不应求 约20 左右靠进口 特别是精密 大型 复杂和长寿命的高档模具进 口比例高达到40 由此可见 虽然我们模具总量目前达到相当规模 模具水 平也有很大提高 但在模具产品和生产工艺水平总体上要比德 美 日 法 意等发达国家至少落后十年 也比英国 加拿大 西班牙 葡萄牙 韩国 新 加坡等国落后 此外 模具的标准化 专业化 商品化程度低 模具配料及模 具相关技术比较落后 也是造成与国外先进水平差距大的重要原因 CAD CAE CAM一体化先进技术已经在国内部分模具企业得到应用 但要得到推广和普及 还要很长一段时间 近年来 国有模具企业 三资企业 乡镇 个体 模具企业有了很大发展 但企业组织结构 产品结构 技术结构和进出口结构都不够合理 专业模具厂 大多数是 大而全 小而全 的组织形式 而国外模具企业大多是 小而 专 小而精 中国模具自产自配比例高达50 以上 国外70 以上是商品模具 国内模具总量中属大型 精密 复杂 长寿命模具的比例只 有30 左右 国外在50 以上 而模具生产周期却要比国际先进水平长许多 产品水平低主要表现在精度 型腔表面粗糙度 寿命及模具的复杂程度上 工 艺水平低主要表现在设计 加工 工艺装1备等方面 中国模具企业技术人员比 例较低 水平也较低 不重视产品开发 在市场中常处于被动地位 国内每个 职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右 而模具工业发达国家大多是l5 20万美元 有的甚至达到25 30万美元 国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70 以上 国内模具标准件 使用覆盖率只有45 左右 与国际先进水平相比 模具企业的管理落后更甚于 技术 管理落后易被忽视 国内大多数模具企业还沿用过去作坊式粗放经营管 理模式 真正实现现代化企业管理的还不多 综上所述 虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展 但 许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距 特别在大型 精密 复杂和长 寿命模具技术上存在明显差距 这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求 因而需要大量从国外进口 国外模具设计愚想十分明确 力求设计的模县尽可能以低造债 短周期 高质量去适应自动化生产并符台生产批量等各种因素的要求 从而降低产品成 本和价格 以获得最大的利润 即使是一个紧固螺钉也要精打细算 例如在美国Borg Worn er公司的试验中心有一副模板面积为600 9O0mm 的大摸具 其模板周定仅1 2 的螺钉八只 而国内一般就要选用M16或M18的螺钉 国外多工位级进模大多采用镶拼结构 凸模用标准型式进行镶嵌 凹模拼块用环氧树脂 粘结周定 普遍使用气动迭料器 通过锁紧进给机构 利用压缩空气推动活塞 往复进行送 料 国外塑料模向一模多腔方向发展 型腔数量可多达l0O0个 尺寸精度5微米并普遍采用热流道塑料模 这种模具的成本虽然比冷流遘模具高20 20 但工件成本却降低30 5O 法国已成功地把热流道技术应用在注塑成型46公斤重塑件的注塑模上 CAD CAM是模具生产走向全面自动化的根本措施 但还没有普遍推广使用 国外工业发达国家摸具采用CAD CAM约占20 3o 只用CAD系统 可缩短设计时间4o70 画图质量提高 可避免图纸错误 国内CAD CAM总的情况是处于起步和研究阶段 1984年华中理工大学与国营73 3厂共同开发了国内第 个精冲模具CAD CAM 系统一北京机电研究院开发了冲裁模cAD cAM系统 1987年华中理工大学与北 京模具厂 星火模具厂等共同开发了我国第一个注堡摸CAD系统 CADI CAM还没有普遍推广使用的主要原因是 设备投资大 技术不够成熟 培训工作跟不上 基础工作和标准化工作不够国外模具加工设备和加工方法都是根据模具的品种 类别 批量不同来确定的 总的特点和发展趋势 1 采用数控 NC 和计算机控制 CNC 等高效自动化设备 在加工模具的车 铣 镗 磨等备类机床上部附加了一套读数显示装置 包括 一一个传惑器和一个数字显示器 并有公英制转换开关 一般模具厂主要设备中NC CNC设备巳占2030骺 生产效率可提高30 50晒 在NC基础上叉发展TDNC 群控 MC 加工中心 对于各种型孔 螺纹孔 型腔模的孔道等可以一次加工 节省 辅助时间 提高效率和加工精度 CNC仿形铣快速行程可达3000 650Omm min 一般仿形精度可达0 01一O 1 mm 2 采用座标镗床 座标磨床等高精度设备 用于精密模具的孔加工 一般座标镗床精度可达2 m 高的可达0 5 m 3 发展电加工技术 用于加工复杂形状和硬材料模具 国外一般采用多电极加工 常用4 5个电极加工一个型腔 以保证尺寸精度和表面粗糙度 线切割加工应用慢走丝 钢丝切割 不重复使用等新技术 使加工精度达到 m级 4 采用先进的检铡装置 对于形状复杂的空间曲面 三座标测量机的测头可以达到任何一点 测出 Y z三个方向的精确位置 由计算机打印出数据 测量精度一般可达1 m左右 5 计算机集成制造及管理系统 CIMS 机床的加工指令可由计算机的后置处理软件自动编程后 由计算机中心通过接口直接输入机床进行加m DNC技术 进一步发展柔性加工 系统 FMs 从而形成 制品设计一模具设计一模具制造一检测一制品生产一检 测一包装的完整过程的CIMS系统 国外模具制造精度水平 如彩色显象管电子枪的膜片制件 用22步精密级进模自动冲制 有三个小孔 直径4 0 67ram 孔径误差为 0 0lmm 孔的位置误差为 0 01mm 孔的罔度误差小于 0 01ram 日本日立公司制造的模具实铡值为 凸模 凹模等零件尺寸误差2 m 步距误差2 3 m 步距累积误差0 Ol5mm 国内模具制造精度水平 上海星火模具厂的制造精度可迭3 5 m 表面粗糙度Ra0 1 0 2 m 谓河工具厂的硬质台金级进模步距精度为 5 P m 镶拼件尺寸精度为 2 m 国外模具制造周期快 一般冲模制造周期为2 4周 中等复杂程度的为3个月 大型 精密 复杂的为6 7个月 1000克以下的注塑模具交贷期不超过3个月 外形尺寸在40mm左右的中 等复杂的精冲件模具交货期为3个月 汽车模具制造周期也很快 美国完成一个 车型模具 只要8一lo 9月 日本要9一l2个月 我国至少要2 3年国外设备更新换懵快 在日本一般机床设备更新搠为9 1 0年 而摸具制造的设备更新期为4 5年 国内模具厂设备陈旧不配套 数控机床仅占3骺 电加工机床占15骺 模具加工新工艺采用较少 使国内模县制造精度泡国外低l一2级 制造闫期长l一2倍 汽车覆盖件模具制造的难度大 国外已普遍采用实型铸造 法制造模具铸件 使铸造模具毛坯余量控制在5 1 0ram范围内 实型铸造就是采用发泡塑料一聚苯乙烯制造模型 造型时 模型埋在型砂里不 取出 待铁水浇人后 发拖塑料模型就溶化并挥发成气体逸出 这种方法可以铸出很复杂的覆盖件摸 具铸件 铸件精度高 外表美观 组织细密 强度高 国内第二汽车制造厂已将这种方法普遍应用于生产 使型面加工余量控制在1 5 20mJn 减轻了铸件重置 提高了铸件精度 保证了冲模薄壁结构设计的应用 为铸造模具的少切屑和无切屑加工提供了有利条件 3 模具专业化和标准化 模具生产走专业化道路 是发展模具工业的必由之路 工业发达国家均发展了大批小 精 专的摸具厂 如美国 日本均有一万多个 香港和台湾地区也有二千多个 我国专业模具厂目前仅有二百个左右 西欧的模具生产在五十年代就实现了专 业化 80眄以上的模具由专韭厂提供 英国9O眄以上的塑料摸由专业厂生产 这些专业厂的人数大多在2O人以下 国 外的专业模具厂 大体上分为三种类型 1 模具标准件制造厂 2 模具专业工艺协作厂 为模具制造提供特种工艺协作加工 3 模具制造厂 国外专业模具厂的特点 1 分工细 不搞包罗万象 如生产塑料模的就不生产玲冲模 2 人员少 产值高 英国Lobro工具公司是一个21人的小厂 专门生产厚板冲压模具 年产值迭45万英磅 日本的专业模具厂 1o人以下的 企业约占90眄以上 国外每个模具工人年创产值大约为4一lo万美元 国内每个摸具工人年创产值约l万元 3 机床少而精 专业模具厂都按模具类型和加工特点选择机床 用处不大的无关设备基本没有 数量少的加工靠外协 集中资金购买高效精密机床 例如塑料模采用数控铣 仿形铣 精冲模采用座 标磨 线切割 4 模具厂可以带件生产 如塑料模具广都有注塑机生产塑料件 有的模具厂还生 产与模具有关的设备和机床 5 采用计算机管理 提高生产技术水平 一般模具厂管理人员很少 只占lo嘶以下 工厂的经理既懂技术又懂管理 同时对信息 销售都很熟悉 英国ALAN公司经理除管理全厂外 自己有一台机床亲自操作 掌握有关加工技术 6 重视职工培训 国外很重视模具企业职工的培训 采用工厂办培训中心和专业学校相结台的办法 企业中的模具设计人员和生产 经营管理人员绝大部份是从有实践经验的中 青年工人中提拔 经过再培训后成长起来的 为了提高职工的素质和适应新技术的要求 在职职工每年培训时间为2 4周 国外对老工人很重视 凡年满2O年 30年 4O年的在厂职工都张榜公布 进行鼓励 还有不少优惠待遇 所t 2许多老工人仍坚持工作岗位 发挥一技之长 不千或外流的很少 国内模具生产厂专业化程度只有1O一1 5呖 上海共约23家专业模具厂 专业化程度不到1 0呖 分工不细 技术提不高 质量上不去 投资多 效益少 国内现在模具生产仅能满足需要的60呖 每年进口精密 复杂模具约需二亿美元 国外工业国家模具标准化程度达80晒 标准件品种多 规格垒 全部商品化 模具采用标准件可以节省加工量45呖 节省材料3O呖 降低成本25眄 使模具设计人员的设计工作量大为减少 美国的D M E公司生产的塑料模 压 铸模标准件多达二万余种 西德HASCO 公司标准件规格达三万多种 许多模架专业公司实行24小时服务 可用电话订 货 交货异常迅速 我国1983年1O月在长沙成立了全国模具标准化技术委员会 目前国内采用 模具标准件不到2O 品种仅约二千个 缺少精密高效标准件 我国2000年目标是使模具标准化程度由2O 提高到6O 补齐精密标准模架 精密顶杆 自动抽芯机构 标准凸凹模 热流道元件等模 具标准件新系列 并进行批量生产 预计 八五 期间 将有50呖的模具生产企业采用商品标准件组织模具生产 国际标准化组织 ISO 从1979年开始组织制订模具的国际标准 它们的特点 是通用性强 例如模板标准对冷冲模 塑料模 压铸模的模板都适用 其次标 准件的尺寸系列采用优先数系 3 3 逆向工程技术在模具中的应用逆向工程技术在模具中的应用 1 逆向工程技术的概念及其应用 长久以来 工业产品的传统开发方式均是遵循严谨的研发流程 从产品需 求的构思 功能与规格预期指标的确定 进而到各个组件的设计 制造 组装 性能测试等 每个组件都保留有原始的设计图 此设计图目前通常通过CAD文 件来保存 这种开发模式被称为 预定模式 开发工程亦通称为 正向工程 convention engineering 近年来在3D CAD软件的带动下 工业设计已Et益受到重视 工业设计多着重于产品的外观造 型 在正向工程的研发流程中已不是传统的机械工程师们所能胜任的了 取而 代之的就是所谓的 逆向工程 re VerSe engineering 随着生物 材料技术的发展 逆向工程开始应用在人工生物骨 骼等医学领域 逆向工程通常是指对某一产品进行仿制工作 这种需求的产生 可能是由于原始设计文件遗失 部分零件重新设计 或是委托方交付一件样品 或产品请制造厂商复制出来 传统的复制方法是利用立体雕刻机或是仿型铣床 制作出成比例的模具 然后再进行量产 这种方法被称之为 类比式 AnalogTy pe 复制 缺点是无法建立工件尺寸的文件 也无法做任何的外形修改 现已 逐渐被数字化的逆向工程系统所取代 目前逆向工程技术的应用主要有以下几个方面 1 无零件设计图纸逆向生成样件 在没有设计图纸或设计图纸不完整的情况下 通过对零件原型进行测量 生成 零件的设计图纸或CAD模型 并以此为目的产生数控加工的NC代码 加工复制出 零件原型 2 以实验模型作为设计零件及反求其模具的依据对通过实验测试才能定型的工 件模型 也通常采用逆向工程的方法 比如航天航空领域 为了满足产品对空 气动力学等的要求 首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试建立 符合要求的产品模型 这类零件一般具有复杂的自由曲面外形 最终的实验模 型将成为设计这类零件及反求其模具的依据 3 美学设计领域 例如 汽车外形设计广泛应用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效 果 此外 如计算机仿形 礼品创意开发等都需要用逆向工程的设计方法 2 逆向工程的关键技术 逆向工程技术的研究对象为产品实物 对于一些具有复杂曲面的零部件如 果并非来自图纸而是起源于另外一些产品或实物 那么 设计人员怎样将这些 实物信息转化为CAD模型 作为模具的设计与制造的依据呢 关键技术主要包括 三个部分 2 1实物的数据采集及使用的设备 所谓数据采集 就是透过特定的测量设备和测量方法 获取零件表面离散 点的几何坐标数据 即形成数据点云 在反求工程中常采用三坐标测量机 三 维激光扫描仪 三维数字化仪等数字化方法来快速 准确地获取 点云 数据 作为逆向工程的第一步 如何高效 高精度的获得实物表面数据 是逆向工 程实现的基础和关键技术之一 通常 物体三维几何形状的测量方法可分为接 触式和非接触式两种 非接触式方法适合采集结构复杂的样件 效率高 获得 的密集点云信息量大 但是受被测样件的色泽 光照条件等限制 由于技术本 身的限制 在测量中会出现一些不可测区域 如型腔 小的凹形区域 可能会 造成测量数据不完整 同时 产生的测量数据过于庞大 会增 大数据处理和曲面重建的负担 接触式测量的典型代表是三坐标测量机 它综 合运用了电子 计算机 光学和数控等先进技术 是目前最应用最广泛的测量 方法 它是利用测量机上的测头按规则捕捉被测表面数据 然后按软件的计算 方法算出物体几何尺寸和相对位置 接触式方法稳定 精度高 智慧化程度高 对被测样件的色泽 光照条件等没有特殊要求 但采集数据效率低 数据量 小 受被测物体的结构 材质的限制 所以在实际生产过程中 可以结合两种 测量方法 获得数据 在此基础上进行复杂曲面的建构 评价 创新性改进和 设计 2 2数据的处理 由于测量误差等因素的存在 采集获得的数据往往存在一定的缺陷 因此 需要对点云数据进行一些必要的处理 处理工作包括 1 剔除冗余数据 2 消除存在的误测或者波动数据 3 消除测头半径影响 4 数据平滑处理 5 特征提取和数据分割处理 6 多视图拼合 2 3曲面模型重建 实物原型的三维重构是指在获得较为完整的三维数据以后 通过反求工程C AD软件将采样数据以三维图形的方式显示出来 得到简略的产品结构外形建模 技术 3 逆向工程技术实施的条件 3 1硬件条件 在逆向工程技术设计时 需要从设计对象中提取三维数据信息 检测设备 的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件 目前 国内厂家使用较多的有 英国 美国 意大利 德国 日本等国家生产的三坐标测量机和兰维扫描仪 就测头结构原理来说 可分为接触式和非接触式两种 其中 接触式测头又可 分为硬测头和软测头两种 这类测头与被测头物体直接接触 获取数据信息 其中软测头比较少见 它不会损伤物体表面 可以扫描较软的物体 非接触式 测头是应用光学及激光的原理进行的 不同的测量对象和测量目的 决定了测 量过程和测量方法的不同 在实际三坐标测量时 应该根据测量对象的特点以 及设计工作的要求 确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备 例如 材质 硬且形状较为复杂 容易定位且精度要求比较高物体 应尽量使用接触式扫描 仪 因为这种扫描仪设备损耗费相对较少 精度比较高 但扫描时间相对长些 对橡胶 油泥 人体头像或超薄形物体进行扫描时 则需要采用非接触式测 量方法 如果精度要求比较高时也可采用软测头的接触式扫描仪 现在很多人 认为激光扫描技术优于机械接触式 其实这是不正确的 激光技术的优点确实 很多 也是未来的发展方向 3 2软件条件 逆向工程应用软件能控制测量过程 产生原型曲面的测量 点云 以合适的 数据格式传输至CAD CAM系统中 或在生成及接收的数据基础上 通过编辑和 处理直接生成复杂的三维曲线或曲面原型 选择合适的数据格式后 再转入到C AD CAM系统中 经过反复修改完成最终的产品造型 4 逆向工程设计前的准备工作 做一个逆向设计的工作 可能比正向设计更具有挑战性 也更加困难 在 设计一个产品之前 首先必须尽量理解原有模型的设计思想 在此基础上还可 能要修复或克服原有模型上存在的缺陷 从某种意义上看 逆向设计是一个二 次开发设计的过程 而不仅仅是一个简单的复制过程 在开始进行一个逆向设 计前 应该对零件进行仔细分析 主要考虑以 下一些要点 1 确定设计的整体思路 对已有的设计模型或产品原型进行系统 地分析 面对大批量 无序的点云数据 初次接触的设计人员会感觉到无从下 手 这是应首先要周全地考虑好先做什么 后做什么 用什么方法做 主要是 将模型