模具技术讲座2

主要内容

前言一.国内外模具现状国内模具现状国外模具现状

二.国内外模具发展趋势模具设计技术的发展模具制造技术的发展1前言

模具工业是国民经济的基础工业模具工业是衡量一个国家工业水平的重要标志模具工业是技术转化成果的基础2一.国内外模具现状31.一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”4一、前言近年来的世界模具市场

世界模具市场总量一直保持在600~650亿美元的水平。美国、日本、法国和瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的l/3左右。日本模具产业年产值达到13000亿日元，远远超过日本机床总产值9000亿日元。如今，世界模具工业的发展甚至已超过了新兴的电子工业。5一、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％。

6一、前言中国模具产业的进出口近几年来，我国每年进口模具约占市场总量的20％左右，已超过10亿美元，成为世界上最大的模具进口国其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的50％以上，冲压模具占全部进口模具约40％中、高档模具进口比例占市场总量的40％以上7一、前言中国模具工业存在的问题

精密加工设备还很少大型、精密、复杂和长寿命模具的产需矛盾十分突出许多先进的技术如CAD／CAE／CAM技术的普及率还不高8一、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：91、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

10六、国内模具发展十大趋势2、模具的的精度越来来越高10年前，，精密模具具的精度一一般为5μμm，现在在已达2~3μm，，不久1μμm精度的的模具都将将上市。随随着零件微微型化及精精度要求的的提高，有有些模具的的加工精度度要求在1μm以内内。超精密加工工已进入纳纳米（0.1μm~100nm）级精精度阶段大致可分3个层次：：一是用于汽汽车、飞机机、精密机机械的微米米(μm)级精密加加工；二是用于磁磁盘、磁鼓鼓制造的亚亚微米(0.1μm)级精密密加工；三是用于超超精密电子子器件的毫毫微米(0.001μm)级级精度加工工。这就要求发发展超精加加工，并对对模具的加加工设备、、检测技术术、研磨抛抛光工艺等等提出更高高的要求。。11六、国内模模具发展十十大趋势3、压铸模模及塑料模模的比比例将将不断提高高随着车辆和和电机等产产品向轻量量化方向发发展，压铸铸模具的比比例将不断断提高，同同时对压铸铸模的寿命命和复杂程程度将提出出更高的要要求随着以塑代代钢、以塑塑代木的进进一步发展展，塑料模模的比例也也将不断提提高。12六、国内模模具发展十十大趋势4、挤压模及粉粉末成形模模将增多由于汽车、、车辆和电电机等产品品和轻量化化发展，以以铝代钢，，高分子材材料、复合合材料、工工程陶瓷、、超硬材料料的成形加加工技术。。新型材料的的采用，不不仅改变产产品结构和和性能，而而且使生产产工艺发生生了根本变变革，相应应地出现了了液态、半半固态挤压压模具及粉粉末锻模。。金属粉末锻锻造成形，，金属粉末末超塑性成成形，粉末末注射成形形、粉末喷喷射和喷涂涂成形大大大扩充了现现代精密塑塑性成形的的应用范围围13六、国内模模具发展十十大趋势5、多功能复台台模具将进进一步发展展级进组合冲冲压模已在在美国汽车车工业中普普遍应用（（加工转子子、定子板板或者插接接件），其其优点是生生产率高，，模具成本本低，不需需要板料剪剪切。如集成电路路引线框架架的20~30工位位的级进模模，工位数数量最多已已达160个。自动冲切、、叠压、铆铆合、计数数、分组、、转子铁芯芯扭斜和安安全保护等等功能的铁芯精密自自动叠片多多功能模具具。这种多功能能复合模具具生产出来来的不再是是单个零年年，而是成成批的组件件，可大大大缩短产品品的生产及及装配周期期。14六、国内模模具发展十十大趋势15166、热流道技术术的应用扩扩大采用热流道道技术的模模具可提高高制件的生生产率和质质量，并能能大幅度节节约制件的的原材料。。在国外热流流道技术的的应用发展展较快，许许多塑料模模具厂所生生产的塑料料模具50％以上采采用了热流流道技术，，甚至达到到80％以以上，效果果十分明显显。热流道模具具在国内也也已生产，，有些企业业使用率上上升到20~30%。国产商商品化热流流道系统元元件也已出出现，但也也有些模具具企业，热热流道模具具已占其模模具生产总总旦的l／／3左右。。制订热流道道元器件的的国家标准准，积极生生产价廉高高质量的元元器件，是是发展热流流道技术的的关键。17六、国内模模具发展十十大趋势7、塑料气气辅成形、、高压注射射成形工艺艺日趋成熟熟气辅成形是是在传统的的注射成型型基础上发发展起来的的一种创新新的注射成成型工艺：：在充填阶阶段，当型型腔充填至至70％--95％％时向型腔腔内注入高高压气体，，并使气体体进入型腔腔，进入保保压阶段，，继续注入入高压气体体以弥补因因熔体冷却却而引起的的收缩。18六、国内模模具发展十十大趋势8、气辅成成形成形特特点与应用用气体辅助注注射成形能能改善塑件件内在和外外观质量，，它具有注注射压力低低、制品翘翘曲变形小小、易于成成形壁厚差差异较大的的制品等优优点、高压注射成成形可减小小树脂收缩缩率，增加加塑件尺寸寸的稳定性性；可在保保证产品质质量的前提提下，大幅幅度降低成成本。该工艺在国国外已比较较成熟，国国内目前在在汽车和家家电行业中中正逐步推推广使用。。不少企业已已能在电视视机外壳、、洗衣机外外壳、汽车车饰件以及及一些厚壁壁塑料件的的模具上成成功地运用用气辅技术术。19六、国内模模具发展十十大趋势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。。20六、国内模模具发展十十大趋势10、特殊殊的成形工工艺得到发发展如液压成形形聚氨脂成形形无模多点成成形技术超塑性成形形高能率成形形等21六、国内模模具发展十十大趋势11、塑性性精密成形形技术近10年来来，精密成成形技术取取得了突飞飞猛进的发发展：精冲冲技术、冷冷挤压技术术、无飞边边热模锻技技术、温锻锻技术、超超塑性成形形技术、成成形轧制、、液态模锻锻、多向模模锻技术发发展很快。。电机定转子子双回转叠叠片硬质合合金级进模模的步距精精度可达2μm，寿寿命达到1亿次以上上。700mm汽轮机叶叶片精密辊辊锻和精整整复合工艺艺楔横横轧轧汽汽车车、、拖拖拉拉机机精精密密轴轴类类锻锻件件22六、、国国内内模模具具发发展展十十大大趋趋势势23(二二)模具具设设计计技技术术的的发发展展方方向向技术术支支持持－－－－模模具具设设计计资资料料库库和和知知识识库库系系统统统一一技技术术－－－－模模具具及及零零件件的的标标准准件件化化在理理论论研研究究方方面面，，要要进进一一步步探探讨讨新新型型材材料料大大弹弹塑塑性性变变形形本本构构关关系系、、表表面面摩摩擦擦特特性性等等冲压压模模金金属属成成形形过过程程的的模模拟拟、、缺缺陷陷预预测测，，起起皱皱、、破破裂裂、、及及回回弹弹分分析析等等（（弹弹性性σ=Eεε，塑塑性性σ=E1ε）。。24压铸铸成成形形流流动动模模拟拟、、热热传传导导及及凝凝固固分分析析等等锻件件成成形形过过程程模模拟拟及及金金属属流流动动和和充充填填分分析析等等模具具刚刚性性、、强强度度、、流流道道及及冷冷却却通通路路的的设设计计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计（（CAPP））发展展方方向向（（续续1）25二、、模模具具设设计计技技术术的的发发展展方方向向塑料料模模具具塑塑料料成成形形过过程程的的各各种种模模拟拟分分析析。。如塑塑料料充充模模、、热热传传导导、、冷冷却却、、凝凝固固、、翘翘曲曲、、收收缩缩等等模模拟拟分分析析计算算浇浇注注系系统统及及模模腔腔的的压压力力场场、、温温度度场场、、速速度度场场分分布布等等（澳大大利利亚亚Moldflow公司司和和美美国国AC-Tech公司司）。。发展展方方向向（（续续2）26二、、模模具具设设计计技技术术的的发发展展方方向向(三三)模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向传统统的的模模具具制制造造技技术术，，主主要要是是根根据据设设计计图图纸纸，，用用仿仿型型加加工工，，成成形形磨磨削削以以及及电电火火花花加加工工方方法法来来制制造造模模具具。。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。27传统模具与现现代模具制制造技术术水平比较28四、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)296.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301.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。31四、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32四、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33四、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34三、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35三、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;36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。高速化：主轴轴转速40000~60000r/min；切切削进给速度度1~6m／min；；快速进给速速度30~40m/min，换刀时时间1~2s，从而加工工效率提高了了5~10倍倍37三、模具加工工技术的发展展方向（HSM）高速铣削不足足对刀具提出了了很高的要求求采用与铣削材材料相适应的的特殊刀具材材料（如新型型刀具有金属属陶瓷刀具、、CBN具、、PCD刀具具、PCBN刀具、涂层层硬质合金刀刀具等）适合于比较平平坦的浅型腔腔加工，对深深型腔加工有有一定困难对于具有内清清角的型腔模模具、表面有有花纹或图案案的模具、具具有深槽或窄窄缝的模具的的加工也都存存在一定困难难。高速铣削机床床造价高38三、模具加工工技术的发展展方向（HSM）高速铣削在国国内的应用在一定时间内内，我国模具具企业进口的的高速加工机机床主轴最高高转速仍将以以10000~20000r／min为主，少少数会达到40000r/min左左右。近年来我国模模具制造业中中的一些骨干干重点企业先先后进口了高高速铣床和高高速加工中心心，它们已在在模具加工中中发挥了很好好的作用。可以预计计，我国国模具企企业将会会越来越越多地应应用高速速铣削技技术。39三、模具具加工技技术的发发展方向向（HSM）3.电火火花加工工技术电火花加加工（EDM）虽然已已受到高高速铣削削的严峻峻挑战，，但高速速铣削不不能完全全替代之之。在模具的的复杂型型面、深深窄小型型腔、尖尖角、窄窄缝、沟沟漕、深深坑等处处的加工工（将是是今后EDM应应用的重重点）），但但成本要要比EDM高得得多。对于60HRC以上的的高硬材材料，EDM要要比HSM成本本低。同时较之之铣削加加工，EDM更更易实现现自动化化。40三、模具具加工技技术的发发展方向向电火花铣铣削加工工技术它是用高高速旋转转的简单单的管状状电极，，应用CAD/CAM技术作作三维或或二维轮轮廓加工工（像数数控铣一一样）。。EDM铣铣削的最最大特点点是简化化电极制制造，不不需要加加工成形形电极，，可选用用标准电电极，在在电极库库中进行行电极自自动交换换（AEC），，用以补补偿电极极损耗，，提高加加工精度度。在高精度度微细加加工方面面，这种种方式具具有良好好的前景景。国外外已在模模具加工工中应用用使用这这种技术术。41三、模具具加工技技术的发发展方向向（EDM）低速走丝丝数控电电火花线线切割机机床低速走丝丝数控电电火花线线切割机机床（LWEDM）发展的的水平已已相当高高，功能能相当完完善，自自动化程程度已达达到无人人看管运运行的程程度。其其加工工工艺水平平也令人人称道。。最大切割割速度已已达300mm2/min，加工工精度可可达到±±0.5μm，，加工表表面粗糙糙度Ra0.1~0.2μμm。直径0.03~0.1mm细细丝精密密切割技技术的开开发，可可实现凹凹、凸模模一次切切割完成成，并可可进行0.04mm的的窄槽及及半径0.02mm内内圆角的的切割加加工。已能进行行30℃℃以上锥锥度的精精密加工工42三、模具具加工技技术的发发展方向向（EDM）4.快速原型型制造（（RPM）快速成形形（原型型）制造造技术RPM（RapidPrototyping＆＆Manufacturing）是美国国首先推推出的。。它是伴随随着计算算机技术术、激光光成形技技术和新新材料技技术的发发展而产产生的，，是一种种全新的的制造技技术，被被公认为为是继NC技技术之后后的一次次技术革革命。RPM基基于它是是基于新新颖的离离散／堆堆积（即即材料累累加）成成形思想想，根据据零件的的三维计计算机CAD模模型，不不借助任任何加工工工具，，快速自自动完成成复杂的的三维实实体（模模型）制制造，而而与零件件的几何何复杂程程度丝毫毫无关。。43三、模具具加工技技术的发发展方向向44RPM方方法与应应用应用RPM技术术，从模模具的概概念设计计到制造造完成，，仅为传传统加工工方法所所需时间间的l／／3和成成本的l／4左左右，因因而具有有广阔的的发展前前景。国内的一一些大企企业集团团，如海尔、春兰、科龙和华宝等公司已已经运用用激光快快速成形形于新产产品开发发等方面面，并取取得显著著的经济济效益RPM模模具制造造技术：：由快速速原型或或其他实实物模型型复制金金属模具具的间接法，以及直直接由RP系统统无模制制造金属属模具的的直接法两大类。。45三模模具加工工技术的的发展方方向（RPM））直接快速速模具制制造指利用不不同类型型的快速速原型技技术直接接制造出出模具本本身，然然后进行行一些必必要的后后处理和和机加工工以获得得模具所所要求的的机械性性能、尺尺寸精度度和表面面粗糙度度。目前能够够直接制制造金属属模具的的RP工工艺包括括：激光选区区烧结（（SLS）三维打印印（3D-P））形状状沉沉积积制制造造（（SDM））三维维焊焊接接（（3D-Welding））等等。。46三模模具具加加工工技技术术的的发发展展方方向向（（RPM））间接接快快速速模模具具制制造造首先先是是通通过过立立体体光光固固化化（（SLA））、、叠叠层层实实体体制制造造（（LOM））、、激激光光选选区区烧烧结结（（SLS））、、三三维维打打印印（（3D-P））、、熔熔融融沉沉积积成成形形（（FDM））等等不不同同方方法法得得到到制制件件原原型型然后后通通过过一一些些传传统统的的快快速速制制模模RMT（RapidManufacturingTooling）方方法法，，主主要要有有精精密密铸铸造造、、粉粉末末冶冶金金、、电电铸铸、、表表面面沉沉积积、、旋旋转转铸铸造造（（用用热热硬硬化化橡橡胶胶做做模模具具））和和熔熔射射（（热热喷喷涂涂））等等方方法法，，获获得得长长寿寿命命的的金金属属模模具具或或非非金金属属的的低低寿寿命命模模具具。。47三模模具加工工技术的的发展方方向（RPM））RPM的的缺陷及及发展趋趋势两弱点限限制了它它的工业业应用推推广：不适合于于大批量量生产同时其所所用材料料基本上上不属于于工业产产品所常常用材料料目前正向向快速制制造金属属硬模RHMT（RapidHardMetalTooling）尤其是是铁系金金属硬模模方向发发展90年代代，清华华大学、、西安交交通大学学、华中中科技大大学和北北京的隆隆源公司司相继进进行了成成形理论论、工艺艺方法、、设备、、软件、、材料等等配套技技术的研研究48三模模具加工工技术的的发展方方向（RPM））49三模模具加工工技术的的发展方方向（RPM））505.快速经济济制模技技术（RTM））缩短产品品开发周周期是赢赢得市场场竞争的的有效手手段之一一。快速经济济制模技技术RTM（或迅速速模具制制造RapidTooling&Manufacuring）具有制制模周期期短、成成本较低低的特点点，精度度和寿命命又能满满足生产产需求，，是综合合经济效效益比较较显著的的模具制制造技术术。非常适用用于新产产品开发发、样品品试制、、工艺验验证或中中、小批批量生产产的需要要，故近近几年在在国内得得到了迅迅速发展展。51三模模具加工工技术的的发展方方向（RTM））6.反求技术术（RE）一般而言言，反求求工程RE(ReverseEngineering)是指指：对难以用用CAD建立数数据模型型，而只只能通过过对实物物进行数数据扫描描、测量量的方法法采集数数据；在CAM软件系系统中利利用测量量数据进进行实物物的CAD几何何模型的的重新构构造（建建立数学学模型））；建立了CAD几几何模型型后，就就可以依依据这种种数字化化的几何何模型用用于后续续的许多多操作（（如实物物CAD模型的的修改、、零件的的重新设设计、有有限元分分析、误误差分析析）；最后生成成NC程程序，控控制数控控加工中中心进行行模具制制造的过过程。52四、模具具制造综综合技术术的发展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53RE的应应用反求工程程能够缩缩短从设设计到制制造的周周期，是是帮助设设计者实实现并行行工程等等现代概概念的一一种强有有力的工工具，目目前在工工程上正正得到越越来越广广泛的应应用。目前主要要应用于于新零件件的设计计、已有有零件的的复制、、损坏或或磨损零零件的还还原、模模具精度度的提高高等方面面。一汽铸造造模具厂厂应用反反求工程程较成功功地完成成了对缸缸盖进、、排气道道热芯盒盒模具的的制造，，探索了了按一般般的设备备和加工工技术对对没有尺尺寸和技技术标准准的模具具无法加加工的成成功经验验。54四、模具具制造综综合技术术的发展展方向7.精精密测量量及高速速扫描数数字化化系统随着模具具日益精精密、高高效精精密、复复杂、大大型模具具的发展展，对检检测设备备的要求求越来越越高（现现在精密密模具的的精度已已达2~3μm）数控加工工过程中中的在线线激光测测量不但但有利于于保证工工件的加加工质量量，而且且大大提提高了NC机床床的运转转安全。。高速扫描描机和模模具扫描描系统提提供了从从模型或或实物扫扫描到加加工出期期望的模模型所需需的诸多多功能，，可大大大缩短模模具制造造周期。。55四、模具具制造综综合技术术的发展展方向精密测量量举例目前国内内厂家使使用较多多的有意意大利、、美国、、日本等等国的高高精度三三坐标测测量机，，并具有有数字化化扫描功功能。东风汽车车模具厂厂不仅拥拥有意大大利产3250mmx3250mm三三坐标测测