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机电工程学院

2013年5月11.一些国家对模具工业的评价

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”2一、前言2.我国模具工业

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％。

3一、前言

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：41、模具日趋大型化—方面是由于用模具生产的零件日渐大型化，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

5六、国内模具发展十大趋势2、模具的精度越来越高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：一是用于汽车、飞机、精密机械的微米(μm)级精密加工；二是用于超精密电子器件的毫微米(0.001μm)级精度加工。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。

6六、国内模具发展十大趋势3、压铸模及塑料模的

比例将不断提高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。

7六、国内模具发展十大趋势6、热流道技术的应用扩大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。8六、国内模具发展十大趋势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。9六、国内模具发展十大趋势8、气辅成形成形特点与应用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。10六、国内模具发展十大趋势9、快速经经济模具的的前景十分分广阔目前是多品品种小批量量生产时代代，21世世纪，这种种生产方式式占工业生生产的比例例将达到75％以上上。中、低熔点点合金模具具，喷涂成成形模具、、精铸模、、层叠模、、陶瓷吸塑塑模、环氧氧树脂模及及光造型等等快速经济济模具将进进一步发展展。由于铝合金金优良的综综合性能，，用它作模模具材料可可缩短制模模周期和降降低模具成成本，且用用于塑料模模可有10万次以上上寿命，因因此用铝合合金进行高高速切削来来制作快速速经济模具具已在世界界上得到较较为广泛的的使用，我我国也已开开始使用，，预计今后后会得到较较快发展。。11六、国内模模具发展十十大趋势(二)模具设计技技术的发展展方向技术支持－－－模具设设计资料库库和知识库库系统统一技术－－－模具及及零件的标标准件化在理论研究究方面，要要进一步探探讨新型材材料大弹塑塑性变形本本构关系、、表面摩擦擦特性等冲压模金属属成形过程程的模拟、、缺陷预测测，起皱、、破裂、及及回弹分析析等（弹性性σ=Eε，塑性σ=E1ε）。12压铸成形流流动模拟、、热传导及及凝固分析析等锻件成形过过程模拟及及金属流动动和充填分分析等模具刚性、、强度、流流道及冷却却通路的设设计计算机辅助助工艺设计计（CAPP）发展方向（（续1）13二、模具设设计技术的的发展方向向塑料模具塑塑料成形过过程的各种种模拟分析析。如塑料充模模、热传导导、冷却、、凝固、翘翘曲、收缩缩等模拟分分析计算浇注系统统及模腔的压压力场、温度度场、速度场场分布等（澳大利亚Moldflow公司和美国AC-Tech公司）。发展方向（续续2）14二、模具设计计技术的发展展方向(三)模具加工技术术的发展方向向传统的模具制制造技术，主主要是根据设设计图纸，用用仿型加工，，成形磨削以以及电火花加加工方法来制制造模具。而现代模具不不同，它不仅仅形状与结构构十分复杂，，而且技术要要求更高，用用传统的模具具制造方法显显然难于制造造，必须采用用先进制造技技术才能达到到它的技术要要求。15传统模具与现现代模具制制造技术术水平比较16四、模具制造造综合技术的的发展方向1.模具CAD/CAE/CAM一一体化技术2.高速铣削（HSM）技术术3.电火花加加工技术4.快速原型制造造（RPM））5.快速经济制模模技术（RTM)176.反求技术（RE）7.精密测测量及高速扫扫描数数字化系统统8.模具研磨磨抛光技术181.模具CAD/CAE/CAM一体化化技术模具CAD/CAE/CAM技术是是模具技术发发展的一个里里程碑，模具具行业普及CAD/CAM的条件已已经成熟，今今后必将有很很快的发展。。目前，世界上上汽车的改型型换代一般约约需48个月月，而美国仅仅需30个月月，这主要得得益于在模具具业中应用了了CAD/CAE/CAM和三维实实体汽车覆盖盖件模具结构构设计软件。。模具CAD/CAE/CAM一体化化及软件的宜宜人化、集成成化、智能化化、网络化将将是今后的发发展方向。19四、模具制造造综合技术的的发展方向美国参数技术术公司PTC的集成化系系统Pro/EngineeringUnigraphicsSolutions公公司开发的软软件Unigraphic(UG)美国SDRC公司开发的的I－DEAS以色列Cimatron公司的三维维CAD/CAM软件件Cimatron法国达索Dassault公司开发发的CATIA真正的Window软件件SOLIDEGECADEM大大型软件20四、模具制造造综合技术的的发展方向（（CADEM一体化）国内使用CAD/CAM现状国内一些大型型模具企业，，CAD／CAM应用状状况多停留在在从国外购买买先进的CAD／CAM系统和设备备，但在其上上进行的二次次开发较少，，资源利用率率低；国内一些中小小型模具企业业，它们的CAD／CAM应用很少少，有些仅停停留在以计算算机代替图板板绘图。国外的一些CAD／CAM系统虽然然功能强大，，但价格昂贵贵，一般企业业难以支付，，而国内优秀秀的CAD／／CAM系统统很少21四、模具制造造综合技术的的发展方向（（CADEM一体化）2.高速铣削（HSM）技术术铣削加工是型型腔模具加工工的重要手段段高速数控加工工是模具加工工的前沿技术术其关键技术之之一就是采用用先进的CAD/CAM集成设计和和制造系统，，进行图形交交互的自动数数控编程22三、模具加工工技术的发展展方向高速铣削优点点工件温升低热变形小、切削力小加工平稳、加加工质量好加工效率高（（为普通铣削削加工的5~10倍）可加工硬材料料（＜60HRC）等23三、模具加工工技术的发展展方向（HSM）除有内锐角的的型腔和极窄窄而深的型腔腔外，基本都都可用高速铣铣削代替EDM加工；采采用高速速铣削加工模模具型面可比比EDM加工工节省25%～60%加加工工时；高高速铣削削的型面表面面质量好，可可避免EDM加工可能出出现的表面微微细型纹；高高速铣削削能加工45～60HRC硬表面，，精铣面粗糙糙度可达Ra=0.63μm,减少少手工抛光工工时;省省却EDM加加工电极的制制造环节,显显著缩短制模模周期;24高速铣削迅速速发展的体现高精度化：定定位精度2~5μm/全全程，加工精精度2~5μμm，所以高高速铣削进入入了精密切削削领域。高速速化化：：主主轴轴转转速速40000~60000r/min；；切切削削进进给给速速度度1~6m／／min；；快快速速进进给给速速度度30~40m/min，，换换刀刀时时间间1~2s，，从从而而加加工工效效率率提提高高了了5~10倍倍25三、、模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向（（HSM））高速速铣铣削削不不足足对刀刀具具提提出出了了很很高高的的要要求求采用用与与铣铣削削材材料料相相适适应应的的特特殊殊刀刀具具材材料料（（如如新新型型刀刀具具有有金金属属陶陶瓷瓷刀刀具具、、CBN具具、、PCD刀刀具具、、PCBN刀刀具具、、涂涂层层硬硬质质合合金金刀刀具具等等））适合合于于比比较较平平坦坦的的浅浅型型腔腔加加工工，，对对深深型型腔腔加加工工有有一一定定困困难难对于于具具有有内内清清角角的的型型腔腔模模具具、、表表面面有有花花纹纹或或图图案案的的模模具具、、具具有有深深槽槽或或窄窄缝缝的的模模具具的的加加工工也也都都存存在在一一定定困困难难。。高速速铣铣削削机机床床造造价价高高26三、、模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向（（HSM））高速速铣铣削削在在国国内内的的应应用用在一一定定时时间间内内，，我我国国模模具具企企业业进进口口的的高高速速加加工工机机床床主主轴轴最最高高转转速速仍仍将将以以10000~20000r／／min为为主主，，少少数数会会达达到到40000r/min左左右右。。近年年来来我我国国模模具具制制造造业业中中的的一一些些骨骨干干重重点点企企业业先先后后进进口口了了高高速速铣铣床床和和高高速速加加工工中中心心，，它它们们已已在在模模具具加加工工中中发发挥挥了了很很好好的的作作用用。。可以以预预计计，，我我国国模模具具企企业业将将会会越越来来越越多多地地应应用用高高速速铣铣削削技技术术。。27三、、模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向（（HSM））3.电电火火花花加加工工技技术术电火火花花加加工工（（EDM）虽虽然然已已受受到到高高速速铣铣削削的的严严峻峻挑挑战战，，但但高高速速铣铣削削不不能能完完全全替替代代之之。。在模模具具的的复复杂杂型型面面、、深深窄窄小小型型腔腔、、尖尖角角、、窄窄缝缝、、沟沟漕漕、、深深坑坑等等处处的的加加工工（（将将是是今今后后EDM应应用用的的重重点点）），，但但成成本本要要比比EDM高高得得多多。。对于于60HRC以以上上的的高高硬硬材材料料，，EDM要要比比HSM成成本本低低。。同时时较较之之铣铣削削加加工工，，EDM更更易易实实现现自自动动化化。。28三、、模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向电火火花花铣铣削削加加工工技技术术它是是用用高高速速旋旋转转的的简简单单的的管管状状电电极极，，应应用用CAD/CAM技技术术作作三三维维或或二二维维轮轮廓廓加加工工（（像像数数控控铣铣一一样样））。。EDM铣铣削削的的最最大大特特点点是是简简化化电电极极制制造造，，不不需需要要加加工工成成形形电电极极，，可可选选用用标标准准电电极极，，在在电电极极库库中中进进行行电电极极自自动动交交换换（（AEC）），，用用以以补补偿偿电电极极损损耗耗，，提提高高加加工工精精度度。。在高高精精度度微微细细加加工工方方面面，，这这种种方方式式具具有有良良好好的的前前景景。。国国外外已已在在模模具具加加工工中中应应用用使使用用这这种种技技术术。。29三、、模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向（（EDM））低速速走走丝丝数数控控电电火火花花线线切切割割机机床床低速速走走丝丝数数控控电电火火花花线线切切割割机机床床（（LWEDM）发展展的水水平已已相当当高，，功能能相当当完善善，自自动化化程度度已达达到无无人看看管运运行的的程度度。其其加工工工艺艺水平平也令令人称称道。。最大切切割速速度已已达300mm2/min，，加工工精度度可达达到±±0.5μμm，，加工工表面面粗糙糙度Ra0.1~0.2μμm。。直径0.03~0.1mm细细丝精精密切切割技技术的的开发发，可可实现现凹、、凸模模一次次切割割完成成，并并可进进行0.04mm的的窄槽槽及半半径0.02mm内内圆角角的切切割加加工。。已能进进行30℃℃以上上锥度度的精精密加加工30三、模模具加加工技技术的的发展展方向向（EDM）4.快速原原型制制造（（RPM））快速成成形（（原型型）制制造技技术RPM（RapidPrototyping＆＆Manufacturing）是美美国首首先推推出的的。它是伴伴随着着计算算机技技术、、激光光成形形技术术和新新材料料技术术的发发展而而产生生的，，是一一种全全新的的制造造技术术，被被公认认为是是继NC技术术之后后的一一次技技术革革命。RPM基于于它是是基于于新颖颖的离离散／／堆积积（即即材料料累加加）成成形思思想，，根据据零件件的三三维计计算机机CAD模模型，，不借借助任任何加加工工工具，，快速速自动动完成成复杂杂的三三维实实体（（模型型）制制造，，而与与零件件的几几何复复杂程程度丝丝毫无无关。。31三、模模具加加工技技术的的发展展方向向32RPM方法法与应应用应用RPM技术术，从从模具具的概概念设设计到到制造造完成成，仅仅为传传统加加工方方法所所需时时间的的l／／3和和成本本的l／4左右右，因因而具具有广广阔的的发展展前景景。国内的的一些些大企企业集集团，，如海尔、春兰、科龙和华宝等公司司已经经运用用激光光快速速成形形于新新产品品开发发等方方面，，并取取得显显著的的经济济效益益RPM模具具制造造技术术：由由快速速原型型或其其他实实物模模型复复制金金属模模具的的间接法法，以及及直接接由RP系系统无无模制制造金金属模模具的的直接法法两大类类。33三模模具具加工工技术术的发发展方方向（（RPM））直接快快速模模具制制造指利用用不同同类型型的快快速原原型技技术直直接制制造出出模具具本身身，然然后进进行一一些必必要的的后处处理和和机加加工以以获得得模具具所要要求的的机械械性能能、尺尺寸精精度和和表面面粗糙糙度。。目前能能够直直接制制造金金属模模具的的RP工艺艺包括括：激光选选区烧烧结（（SLS））三维打打印（（3D-P）形状沉沉积制制造（（SDM））三维焊焊接（（3D-Welding）等等。34三模模具具加工工技术术的发发展方方向（（RPM））间接快快速模模具制制造首先是是通过过立体体光固固化（（SLA））、叠叠层实实体制制造（（LOM））、激激光选选区烧烧结（（SLS））、三三维打打印（（3D-P）、、熔融融沉积积成形形（FDM）等等不同同方法法得到到制件件原型型然后通通过一一些传传统的的快速速制模模RMT（RapidManufacturingTooling）方法法，主主要有有精密密铸造造、粉粉末冶冶金、、电铸铸、表表面沉沉积、、旋转转铸造造（用用热硬硬化橡橡胶做做模具具）和和熔射射（热热喷涂涂）等等方法法，获获得长长寿命命的金金属模模具或或非金金属的的低寿寿命模模具。。35三模模具具加工工技术术的发发展方方向（（RPM））RPM的缺缺陷及及发展展趋势势两弱点点限制制了它它的工工业应应用推推广：：不适合合于大大批量量生产产同时其其所用用材料料基本本上不不属于于工业业产品品所常常用材材料目前正正向快快速制制造金金属硬硬模RHMT（RapidHardMetalTooling）尤其其是铁铁系金金属硬硬模方方向发发展90年年代，，清华华大学学、西西安交交通大大学、、华中中科技技大学学和北北京的的隆源源公司司相继继进行行了成成形理理论、、工艺艺方法法、设设备、、软件件、材材料等等配套套技术术的研研究36三模模具具加工工技术术的发发展方方向（（RPM））37三模模具具加工工技术术的发发展方方向（（RPM））385.快速经济制模模技术（RTM）缩短产品开发发周期是赢得得市场竞争的的有效手段之之一。快速经济制模模技术RTM（或迅速模具具制造RapidTooling&Manufacuring）具有制模周周期短、成本本较低的特点点，精度和寿寿命又能满足足生产需求，，是综合经济济效益比较显显著的模具制制造技术。。非常适用于新新产品开发、、样品试制、、工艺验证或或中、小批量量生产的需要要，故近几年年在国内得到到了迅速发展展。39三模具加加工技术的发发展方向（RTM）6.反求技术（RE）一般而言，反反求工程RE(ReverseEngineering)是指：对难以用CAD建立数据据模型，而只只能通过对实实物进行数据据扫描、测量量的方法采集集数据；在CAM软件件系统中利用用测量数据进进行实物的CAD几何模模型的重新构构造（建立数数学模型）；；建立了CAD几何模型后后，就可以依依据这种数字字化的几何模模型用于后续续的许多操作作（如实物CAD模型的的修改、零件件的重新设计计、有限元分分析、误差分分析）；最后生成NC程序，控制制数控加工中中心进行模具具制造的过程程。40四、模具制造造综合技术的的发展方向实物模型测量、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41RE的应用反求工程能够够缩短从设计计到制造的周周期，是帮助助设计者实现现并行工程等等现代概念的的一种强有力力的工具，目目前在工程上上正得到越来来越广泛的应应用。目前主要应用用于新零件的的设计、已有有零件的复制制、损坏或磨磨损零件的还还原、模具精精度的提高等等方面。一汽铸造模具具厂应用反求求工程较成功功地完成了对对缸盖进、排排气道热芯盒盒模具的制造造，探索了按按一般的设备备和加工技术术对没有尺寸寸和技术标准准的模具无法法加工的成功功经验。42四、模具制造造综合技术的的发展方向7.精密测测量及高速扫扫描数数字化系统统随着模具日益益精密、高效效精密、复复杂、大型模模具的发展，，对检测设备备的要求越来来越高（现在在精密模具的的精度已达2~3μm））数控加工过程程中的在线激激光测量不但但有利于保证证工件的加工工质量，而且且大大提高了了NC机床的的运转安全。。高速扫描机和和模具扫描系系统提供了从从模型或实物物扫描到加工工出期望的模模型所需的诸诸多功能，可可大大缩短模模具制造周期期。43四、模具制造造综合技术的的发展方向精密测量举例例目前国内厂家家使用较多的的有意大利、、美国、日本本等国的高精精度三坐标测测量机，并具具有数字化扫扫描功能。东风汽车模具具厂不仅拥有有意大利产3250mmx3250mm三三坐标测量机机，还拥有数数码摄影光学学扫描仪，率率先在国内采采用数码摄影影、光学扫描描作为空间三三维信息的获获得手段，从从而实现了从从测量实物一一建立数学模模型一输出工工程图纸一模模具制造全过过程，成功实实现了逆向工程技术的开发和和应用。44四、模具制造造综合技术的的发展方向（（精密测量