第一章 模具基础知识

第一章模具基础知识模具工业是现代制造业的重要组成部分，对国民经济和社会发展有着重要的推动作用。与普通机械加工或数控加工相比，模具加工具有极大的不确定性。无论注射、压铸类的高温流动成型，还是常温下冲压类的塑性成形，尽管大多有着几十年以上的研究与应用历史，但往往还是要依靠现场调试经验支持，尽可能使产品达到用户的要求。模具基本上属于单件生产，其形状复杂，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有着较高的要求。模具生产需要具有较高的技术水平，是一个国家或地区机械制造水平的重要标志。作为现代工业产品生产的主要工艺装备之一，一套模具可以加工出几十万，甚至数百万件制品或零件。采用模具成形，可以大幅度降低生产成本、提高生产效率。在确保质量要求的前提下，模具被广泛应用于各行各业。 第一节模具的概念与地位一、模具的概念在工业生产中，采用各种压力机和安装在压力机上的专用工具，通过压力把金属或非金属材料制成所需形状零件或制品的专用工具统称为模具，如图1-1所示。图1-1各类模具在日常生产或生活中，大到机床底座、机身外壳，小到一个螺钉、纽扣以及各种家用电器及产品的外壳，无不与模具有着密切的关系。模具是用来成形物品的工具，是由多种零件构成的，它通过所成形材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金压制、压力铸造，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压制或注射成形加工过程中，在外力的作用下，使坯料成为具有特定形状和尺寸的制件。模具具有特定的轮廓或内腔形状，一般可分为凸模、凹模或动模、定模两大部分，在开模时装入坯料或取出制件，合模时使制件与坯料分离或成形。模具的工作条件较为恶劣。在使用过程中，常处于急冷、急热或冷热交变的状态。为保证使用寿命及产品质量，模具材料应具有较高的强度、韧性和耐磨性，热锻时还须具有较高的温度强度和硬度，并进行强韧化热处理。二、模具在国民经济中的重要地位利用模具成型零件，是一种少切削、无切削、多工序重合的生产方法。采用模具成形工艺代替传统的切削加工工艺，可以提高生产效率、保证零件质量、节约材料、降低生产成本，从而取得较高的经济效益。当前模具工业广泛应用于机械、电子、交通、国防等许多重要领域。据统计：70%以上的汽车、拖拉机、电机、电器、仪表零件，80%以上的塑料制品，70%以上的日用五金及耐用消费品零件都是采用模具生产的。由此可见，利用模具生产零件的方法已成为现代工业进行成批生产或大批量生产的主要技术手段，它对于保证制品质量，缩短试制周期，进而争先占领市场，以及产品更新换代和新产品开发都具有决定性意义。德国把模具称为“金属加工中的帝王”，把模具工业视为“关键工业”；美国把模具称为“美国工业的基石”，把模具工业视为“不可估其力量的工业”；日本把模具说成是“促进社会富裕繁荣的动力”，把模具工业视为“整个工业发展的秘密”。我国将模具工业视为整个制造业的“加速器”，称之为“一切工业之母”。长久以来，机床、刀具工业在各工业发达国家中都占有非常重要的地位。但是，随着模具工业的兴起，模具成形工艺已在各工业部门得到了及其广泛的应用，使得模具行业的总产值已经大大超过了机床、刀具工业的总产值。在国民经济蓬勃发展的过程中，在各工业发达国家对世界市场进行激烈争夺的过程中，越来越多的国家和地区采用模具进行规模化生产，模具工业明显已成为技术、经济和国力发展的关键。在我国，存在着工业产品质量上不去；老产品更新速度慢；新产品开发不出来；能源消耗指标高；材料消耗量大等许多问题，这一切都与我国模具生产技术落后，没有一个强大而先进的模具工业密切相关。因此，为使国民经济获得高速发展，尽快缩短与发达国家之间的差距，唯一出路就是必须尽快将模具工业搞上去，充分发挥其在国民经济中的关键作用。第二节模具的应用一、模具技术在交通工具制造业中的应用模具的应用极为广泛，汽车、自行车、缝纫机、照相机、电机、电器、仪表等机电产品及日用器具的制造都大量使用模具。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一。作为发展重点，汽车模具的地位已在汽车工业产业中得到确定。无论何种品牌，在每辆汽车中，均有数千种零件是通过模具制造而成的，如图1-2所示。为了适应市场需求，每一个车型的更新换代，都有超过80%的模具需要更换，价值上亿元。在摩托车中，每个型号都需要模具近千套，产值数千万元。图1-2模具在汽车工业中的应用二、模具技术在家用电器产品中的应用在家用电器中，许多零部件的生产都离不开模具。在一台电冰箱中，需要通过模具制造的零部件超过一百个，价值数百万元。电视机、洗衣机、空调机、电脑等家电产品；电话机、手机、对讲机等通讯器材，以及锅、碗、勺、杯子、瓶子等许多种类的民用产品，都是通过模具制造而成的，如图1-3所示。图1-3模具在家用电器中的应用三、模具技术在石油化工中的应用石油化工作为一个新兴工业，是20世纪20年代随石油炼制工业的发展而形成，于第二次世界大战期间成长起来的。战后，石油化工的高速发展使大量化学品的生产从传统的以煤及农林产品为原料，转移到以石油及天然气为原料的基础上来。目前，石油化工已成为化学工业中的骨干产业，在国民经济中占有极为重要的地位。石油化工的范畴以石油及天然气生产的化学品品种极多、范围极广。石油化工原料主要为来自石油炼制过程中产生的各种石油馏分和炼厂气，以及油田气、天然气等，这其中很大的一部分需要由模具制造出的塑料管道输送。石油化工生产的聚乙烯、聚丙烯和其他树脂材料也是需要塑料模具成型后，才能用于生产和生活中的。图1-4模具在石油化工中的应用四、模具技术在建筑业中的应用当前，塑料管道已普及应用到建筑、给排水、供暖、城市燃气输送、农村沼气及燃气输送、城镇自来水、市政排水、排污，农村人畜饮水改造，农业排灌、电力通讯等诸多领域。人们将塑料管道誉为城市的血管，可见其与我们生活联系的紧密性。此外，用于各类建筑的塑钢门窗、地砖、墙砖以及卫生洁具等也需要大量模具。图1-5模具在建筑业中的应用五、模具技术在军事工业中的应用作为重要的战略物资，模具及模塑产品在军事国防上的应用极为广泛。上到导弹，下到地雷；大到军舰、飞机，小到枪炮、子弹，无不用到模具，如图1-6所示。图1-6模具在军事中的应用总之，随着现代社会的不断发展以及模具技术的不断提高，越来越多的产品开始依赖于模具生产。目前，模具企业被称为“朝阳企业”，中国的“模具时代”已经来临。第三节模具技术发展简况一、模具的历史考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代在冲压成形及模具方面的成就和地位。随着历史的发展和进步，模具逐渐被应用于各行各业，而且范围越来越广，如图1-7所示。图1-7模具在我国古代的应用二、我国模具及CAD/CAM技术的发展状况（一）我国模具的发展与现状1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次成立了冲压模具车间，并于1958年开始制造汽车覆盖件模具。自七十年代末期起，在政府的大力支持下，我国已建立起较为完整的模具工业体系，包括国家、行业和企业建立的模具技术研发机构，模具材料生产和供应体系，两万余家模具制造企业和六十多个全国和地区级模具行业协会。在全国33个省、自治区和直辖市中，广东、浙江、江苏及上海等省市的模具生产能力占全国（不含台湾省）总量的80%以上。近年来，通过引进国际工业发达国家的设计、制造技术和自主创新，我国模具的技术水平有了较为明显的进步。随着CAD/CAM技术的普及，CAE、CAPP、PLM、ERP等数字化技术已进入部分模具企业，并收到了良好的应用效果。与国际工业发达国家相比，我国模具的总体水平存在10～15年的差距。受国内制造业快速发展的影响，我国模具工业从改革开放初期的年产值20亿元人民币增加到2010年的1120亿元人民币。从1996到2005年，连续10年增长率超过20%；考虑到相当数量的模具没有进入交易市场，我国模具的年生产能力已接近1800亿元人民币。进入21世纪，随着我国模具水平和生产力的提高以及国外发达国家制造业的转移，加速了我国模具走向国际市场的步伐。从1999年的1亿美元到2010年的22亿美元，我国模具的年出口额平均增速超过20%，并首次实现了贸易顺差。但从进出口模具类型和档次看，我国出口的模具多是中低档次的塑料模具和冲压模具，这些模具除了一些发展中国家尚不具备生产能力外，大部分工业发达国家由于成本原因而不再生产，但进口模具则主要是欧美及日本生产的复杂、精密、长寿命模具。（二）模具CAD/CAM技术的发展状况1984年，由原华中工学院和武汉733厂共同完成的CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。1986年，华中工学院和北京模具厂共同完成了我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。同年，上海交通大学也开发完成了冷冲模CAD/CAM系统。20世纪90年代，国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发汽车车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM集成系统，并于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著的经济效益。1997年，一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。进入二十一世纪，CAD/CAM技术逐渐普及。目前，具有一定生产能力的模具企业几乎全部具备了CAD/CAM技术，其中部分骨干企业还具备了CAE能力，并将其运用到生产实践中去，取得了良好的经济效益。三、模具技术的发展趋势为了提高模具精度及质量、缩短交货期、降低价格，模具技术将向数字化的趋势发展。（1）在模具设计制造中全面推广CAD/CAM/CAE技术模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。在普及模具CAD/CAM技术的同时，CAE技术将得到越来越广泛的应用。随着计算机软件行业的不断进步，模具设计制造软件将向智能化、集成化的方向发展。（2）快速原型制造（RPM）及相关技术的推广与发展快速原型制造（RPM）技术是伴随计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的全新制造技术，是根据零件的CAD模型，快速、自动完成复杂三维实体模型的制造过程。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，被公认为新的技术革命。将快速原型制造（RPM）技术用于模具制造，所需时间仅为传统加工方法的1/3左右。将快速制模技术与快速原型制造技术相结合，是传统快速制模技术进一步深入发展的方向。（3）高速铣削加工将得到更广泛的应用在高速铣削加工中，机床主轴转速为40000～100000r/min，快速进给速度为30～40r/min，换刀时间为1～2s。与传统切削加工相比，高速切削加工具有温升低、热变形小等优点。在大幅度提高加工效率、降低加工表面粗糙度的同时，高速铣削加工还可以加工硬度为60HRC的模块。高速铣削加工技术的发展为汽车、家电行业中大型型腔模具的制造注入了新的活力，该技术必将在模具制造业中得到越来越广泛的认可。（4）模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用高速扫描机和模具扫描系统可以提供从模型或实物扫描到加工出所需模型的诸多功能，大幅度缩短了模具的研制周期。将快速扫描系统安装在数控铣床及加工中心上，可以实现快速数据采集，并自动生成数控加工程序及不同格式的CAD数据，用于模具制造业的“逆向工程”。目前，模具高速扫描及数字化系统已用于汽车、摩托车及家电制造业。在未来的几年，该技术必将在模具生产中发挥越来越重要的作用。（5）电火花铣削加工技术将得到发展电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，是采用高速旋转的简单管状电极作三维或二维轮廓加工的新技术。电火花铣削加工技术无须制造复杂的成型电极，是电火花成形加工领域的重大突破，必将在模具制造业中得到进一步的发展。（6）超精加工及复合加工技术将得到发展随着纳米技术在航空、航天工业中的广泛应用，越来越多的模塑零件需要具有超高精度。在模具向精密化和大型化方向发展的今天，精度超过1μm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术于一体的复合加工将得到发展，兼备两种以上工艺特点的复合加工技术在今后的模具制造中将具有广阔的发展前景。（7）热流道技术将得到推广采用热流道技术可以提高模塑零件的质量和生产效率，并大幅度节约原材料和能源。在国外，热流道技术发展迅速。目前，许多塑料模具厂生产的模具已有近一半用上了热流道技术，有的厂家甚至已达80%以上，效果十分明显。近年来，我国已开始推广使用热流道技术，但总体还达不到10%。但是，随着热流道技术的进一步推广以及热流道元器件价格的日趋合理，该技术必将得到推广。（8）气体辅助注射技术和高压注射成型等工艺将进一步发展气体辅助注射成型具有注射压力低、制品翘曲变形小、表面质量好及可成型壁厚差异较大的制品等优点，可大幅度降低产品成本。目前，国内汽车和家电行业中正逐步推广使用气体辅助注射成型技术。在注射成型过程中，影响零件精度的最大因素是成型收缩，高压注射成型可以提高塑件尺寸的稳定性。注射压缩成型技术是在半开模状态或在锁模力保持中压或低压，模具在设定的打开量下，注射熔融树脂，然后以最大的锁模力进行压缩成型的过程。采用注射压缩成型技术，可以用较小的注射力得到局部内应力小、缩孔少的厚壁成型件。金属、陶瓷粉末注射成型工艺经过“七五”和“八五”期间的技术攻关，在“九五”时期开始产业化。该工艺适用于制造0.2克到200克之间，几何形状复杂、精密以及具有特殊要求的小型零件，具有生产效率高、易于实现大批量生产的特点。（9）模具标准化程度将不断提高目前，随着我国模具标准化程度的不断提高，模具标准件的使用覆盖率已达30%左右。为了适应模具工业的发展，模具标准化的程度将进一步提高，模具标准件的生产也必将得到发展。（10）优质模具材料及先进表面处理技术将进一步得到重视在模具价格构成中，材料所占比例为10%～30%。选用优质钢材和应用相应的表面处理技术对提高模具的使用寿命尤为重要。模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒等常用方法外，应发展设备昂贵、工艺先进的气相沉积(TiN、TiC等)、等离子喷涂等技术。铝合金材料具有重量轻、切削性能好、导热导电率高、焊接性能优良等优点。采用铝合金制作塑料模具，可得到10万次以上的使用寿命，并达到缩短模具制造周期、降低模具成本的目的。目前，采用铝合金高速切削制作快速经济模具已在世界上得到较为广泛的使用，预计在我国将得到较快的发展。（11）模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展表面质量对模具的使用寿命、模塑零件的外观质量影响显著。目前，我国仍以手工研磨抛光为主，具有效率低、工人劳动强度大、质量不稳定等缺点，严重制约了我国模具的发展。为了提高模具表面质量，研究抛光自动化、智能化必将成为模具发展的趋势。由于模具型腔形状复杂，所以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等。（12）模具自动加工系统的研制与开发随着各种新技术的迅速发展，国外已出现了模具自动加工系统，该系统的特征是：多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；具有完整的机具、刀具数控库；具有完整的数控柔性同步系统；具有质量监测控制系统。目前，模具自动加工系统的应用范围尚不够广泛，但该技术的研制与开发是我国模具工业长远发展的目标之一。CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计：指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，完成对不同方案进行的计算、分析和比较；各种信息的存储及快速检索；进行图形绘制，使设计人员及时对设计作出判断和修改；进行放大、缩小、平移、旋转等有关的图形数据加工工作。CAM(computerAidedManufacturing)计算机辅助制造：指计算机数值控制，简称数控，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计：指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，完成对不同方案进行的计算、分析和比较；各种信息的存储及快速检索；进行图形绘制，使设计人员及时对设计作出判断和修改；进行放大、缩小、平移、旋转等有关的图形数据加工工作。CAM(computerAidedManufacturing)计算机辅助制造：指计算机数值控制，简称数控，是将计算机应用于制造生产过程