模具技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(PPT 63頁(yè))

模具技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 南京工程學(xué)院 張榮清 主要內(nèi)容 前言 一 .國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)模具現(xiàn)狀 國(guó)外模具現(xiàn)狀 二 .國(guó)內(nèi)外模具發(fā)展趨勢(shì) 模具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展 模具制造技術(shù)的發(fā)展 前言 模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè) 模具工業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志 模具工業(yè)是技術(shù)轉(zhuǎn)化成果的基礎(chǔ) 一 .國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀 1.一些國(guó)家對(duì)模具工業(yè)的評(píng)價(jià) 在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家被稱為 “ 點(diǎn)鐵成金 ” 的“ 磁力工業(yè) ” 美國(guó)工業(yè)界認(rèn)為 “ 模具工業(yè)是美國(guó)工業(yè)的基石 ” 德國(guó)則認(rèn)為是所有工業(yè)中的 “ 關(guān)鍵工業(yè) ” ； 日本模具協(xié)會(huì)也認(rèn)為 “ 模具是促進(jìn)社會(huì)繁榮富裕的動(dòng)力 ” 近年來的世界模具市場(chǎng) 世界模具市場(chǎng)總量一直保持在 600650億美元的水平。 美國(guó)、日本、法國(guó)和瑞士等國(guó)每年出口的模具約占其模具總產(chǎn)值的 l/3左右。 日本模具產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達(dá)到 13000億日元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過日本機(jī)床總產(chǎn)值 9000億日元。 如今，世界模具工業(yè)的發(fā)展甚至已超過了新興的電子工業(yè)。 2.我國(guó)模具工業(yè) 我國(guó)模具工業(yè)的產(chǎn)值在國(guó)際上排名位居第三位，僅次于日本和美國(guó)。 國(guó)內(nèi)的模具生產(chǎn)廠已超過 17000家，從業(yè)人員達(dá)50萬(wàn)。 近年來，我國(guó)的模具工業(yè)一直以每年 13左右的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展 我國(guó)模具行業(yè)在“十五”期間的增長(zhǎng)速度達(dá)到13 15。 中國(guó)模具產(chǎn)業(yè)的進(jìn)出口 近幾年來，我國(guó)每年進(jìn)口模具約占市場(chǎng)總量的20左右，已超過 10億美元，成為世界上最大的模具進(jìn)口國(guó) 其中塑料與橡膠模具占全部進(jìn)口模具的 50以上，沖壓模具占全部進(jìn)口模具約 40 中、高檔模具進(jìn)口比例占市場(chǎng)總量的 40以上 中國(guó)模具工業(yè)存在的問題 精密加工設(shè)備還很少 大型、精密、復(fù)雜和長(zhǎng)壽命模具的產(chǎn)需矛盾十分突出 許多先進(jìn)的技術(shù)如 CAD CAECAM技術(shù)的普及率還不高 二 . 國(guó)內(nèi)外 模具發(fā)展趨勢(shì) (一 ) 模具發(fā)展趨勢(shì) 為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)模具制造的短交貨期 ，高精度 、 低成本的迫切要求 ， 未來我國(guó)的模具將呈現(xiàn)幾大發(fā)展趨勢(shì)： 1、模具日趨大型化 方面是由于用模具生產(chǎn)的零件日漸大型化 ， 另一方面也是由于高生產(chǎn)率要求而發(fā)展多工位模具 ，多腔模具 （ 現(xiàn)在有的注塑模已達(dá)幾百腔 ） 所致 。 新型轎車的大尺寸覆蓋件成形 、 大功率汽車的六拐曲軸成形 2、模具的精度越來越高 10年前 ， 精密模具的精度一般為 5m， 現(xiàn)在已達(dá)23m， 不久 1m精度的模具都將上市 。 隨著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1m以內(nèi) 。 超精密加工已進(jìn)入納米 （ 0.1m100nm） 級(jí)精度階段 大致可分 3個(gè)層次： 一是用于汽車、飛機(jī)、精密機(jī)械的微米 (m)級(jí)精密加工； 二是用于磁盤、磁鼓制造的亞微米 (0.1m)級(jí)精密加工； 三是用于超精密電子器件的毫微米 (0.001m)級(jí)精度加工。 這就要求發(fā)展超精加工 ， 并對(duì)模具的加工設(shè)備 、 檢測(cè)技術(shù) 、 研磨拋光工藝等提出更高的要求 。 3、壓鑄模及塑料模的 比例將不斷提高 隨著車輛和電機(jī)等產(chǎn)品向輕量化方向發(fā)展 ， 壓鑄模具的比例將不斷提高 ， 同時(shí)對(duì)壓鑄模的壽命和復(fù)雜程度將提出更高的要求 隨著以塑代鋼 、 以塑代木的進(jìn)一步發(fā)展 ， 塑料模的比例也將不斷提高 。 4、 擠壓模及粉末成形模將增多 由于汽車 、 車輛和電機(jī)等產(chǎn)品和輕量化發(fā)展 ， 以鋁代鋼 ， 高分子材料 、 復(fù)合材料 、 工程陶瓷 、 超硬材料的成形加工技術(shù) 。 新型材料的采用 ， 不僅改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能 ， 而且使生產(chǎn)工藝發(fā)生了根本變革 ， 相應(yīng)地出現(xiàn)了液態(tài) 、 半固態(tài)擠壓模具及粉末鍛模 。 金屬粉末鍛造成形 ， 金屬粉末超塑性成形 ， 粉末注射成形 、 粉末噴射和噴涂成形大大擴(kuò)充了現(xiàn)代精密塑性成形的應(yīng)用范圍 5、 多功能復(fù)臺(tái)模具將進(jìn)一步發(fā)展 級(jí)進(jìn)組合沖壓模已在美國(guó)汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用 （ 加工轉(zhuǎn)子 、 定子板或者插接件 ） ， 其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高 ， 模具成本低 ， 不需要板料剪切 。 如集成電路引線框架的 2030工位的級(jí)進(jìn)模 ， 工位數(shù)量最多已達(dá) 160個(gè) 。 自動(dòng)沖切 、 疊壓 、 鉚合 、 計(jì)數(shù) 、 分組 、 轉(zhuǎn)子鐵芯扭斜和安全保護(hù)等功能的 鐵芯精密自動(dòng)疊片多功能模具 。 這種多功能復(fù)合模具生產(chǎn)出來的不再是單個(gè)零年 ， 而是成批的組件 ， 可大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)及裝配周期 。 16 17 6、 熱流道技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)大 采用熱流道技術(shù)的模具可提高制件的生產(chǎn)率和質(zhì)量 ，并能大幅度節(jié)約制件的原材料 。 在國(guó)外熱流道技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展較快 ， 許多塑料模具廠所生產(chǎn)的塑料模具 50 以上采用了熱流道技術(shù) ， 甚至達(dá)到 80 以上 ， 效果十分明顯 。 熱流道模具在國(guó)內(nèi)也已生產(chǎn) ， 有些企業(yè)使用率上升到2030%。 國(guó)產(chǎn)商品化熱流道系統(tǒng)元件也已出現(xiàn) ， 但也有些模具企業(yè) ， 熱流道模具已占其模具生產(chǎn)總旦的 l3左右 。 制訂熱流道元器件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ， 積極生產(chǎn)價(jià)廉高質(zhì)量的元器件 ， 是發(fā)展熱流道技術(shù)的關(guān)鍵 。 7、塑料氣輔成形、高壓注射成形工藝日趨成熟 氣輔成形是在傳統(tǒng)的注射成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種創(chuàng)新的注射成型工藝：在充填階段 ， 當(dāng)型腔充填至 70 -95 時(shí)向型腔內(nèi)注入高壓氣體 ， 并使氣體進(jìn)入型腔 ， 進(jìn)入保壓階段 ， 繼續(xù)注入高壓氣體以彌補(bǔ)因熔體冷卻而引起的收縮 。 8、氣輔成形成形特點(diǎn)與應(yīng)用 氣體輔助注射成形能改善塑件內(nèi)在和外觀質(zhì)量 ， 它具有注射壓力低 、 制品翹曲變形小 、 易于成形壁厚差異較大的制品等優(yōu)點(diǎn) 、 高壓注射成形可減小樹脂收縮率 ， 增加塑件尺寸的穩(wěn)定性；可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下 ， 大幅度降低成本 。 該工藝在國(guó)外已比較成熟 ， 國(guó)內(nèi)目前在汽車和家電行業(yè)中正逐步推廣使用 。 不少企業(yè)已能在電視機(jī)外殼 、 洗衣機(jī)外殼 、 汽車飾件以及一些厚壁塑料件的模具上成功地運(yùn)用氣輔技術(shù) 。 9、快速經(jīng)濟(jì)模具的前景十分廣闊 目前是多品種小批量生產(chǎn)時(shí)代 ， 21世紀(jì) ， 這種生產(chǎn)方式占工業(yè)生產(chǎn)的比例將達(dá)到 75 以上 。 中 、 低熔點(diǎn)合金模具 ， 噴涂成形模具 、 精鑄模 、 層疊模 、 陶瓷吸塑模 、 環(huán)氧樹脂模及光造型等快速經(jīng)濟(jì)模具將進(jìn)一步發(fā)展 。 由于鋁合金優(yōu)良的綜合性能 ， 用它作模具材料可縮短制模周期和降低模具成本 ， 且用于塑料?？捎?10萬(wàn)次以上壽命 ， 因此用鋁合金進(jìn)行高速切削來制作快速經(jīng)濟(jì)模具已在世界上得到較為廣泛的使用 ， 我國(guó)也已開始使用 ， 預(yù)計(jì)今后會(huì)得到較快發(fā)展 。 10、特殊的成形工藝得到發(fā)展 如液壓成形 聚氨脂成形 無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù) 超塑性成形 高能率成形等 11、塑性精密成形技術(shù) 近 10年來 ， 精密成形技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展：精沖技術(shù) 、 冷擠壓技術(shù) 、 無(wú)飛邊熱模鍛技術(shù) 、 溫鍛技術(shù) 、 超塑性成形技術(shù) 、 成形軋制 、 液態(tài)模鍛 、 多向模鍛技術(shù)發(fā)展很快 。 電機(jī)定轉(zhuǎn)子雙回轉(zhuǎn)疊片硬質(zhì)合金級(jí)進(jìn)模的步距精度可達(dá) 2m， 壽命達(dá)到 1億次以上 。 700mm汽輪機(jī)葉片精密輥鍛和精整復(fù)合工藝 楔橫軋汽車 、 拖拉機(jī)精密軸類鍛件 24 (二 )模具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向 1. 技術(shù)支持模具設(shè)計(jì)資料庫(kù)和知識(shí)庫(kù)系統(tǒng) 2. 統(tǒng)一技術(shù)模具及零件的標(biāo)準(zhǔn)件化 3. 在理論研究方面 ， 要進(jìn)一步探討新型材料大彈塑性變形本構(gòu)關(guān)系 、 表面摩擦特性等 4. 沖壓模金屬成形過程的模擬 、 缺陷預(yù)測(cè) ， 起皺 、 破裂 、 及回彈分析等 （ 彈性 =E， 塑性=E1） 。 5. 壓鑄成形流動(dòng)模擬 、 熱傳導(dǎo)及凝固分析等 6. 鍛件成形過程模擬及金屬流動(dòng)和充填分析等 7. 模具剛性、強(qiáng)度、流道及冷卻通路的設(shè)計(jì) 8. 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（ CAPP） 發(fā)展方向（續(xù) 1） 9. 塑料模具塑料成形過程的各種模擬分析 。 如塑料充模 、 熱傳導(dǎo) 、 冷卻 、 凝固 、 翹曲 、收縮等模擬分析 計(jì)算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場(chǎng) 、 溫度場(chǎng) 、 速度場(chǎng)分布等 （ 澳大利亞 Moldflow公司和美國(guó) AC-Tech公司 ） 。 發(fā)展方向（續(xù) 2） (三 )模具加工技術(shù)的發(fā)展方向 傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，用仿型加工，成形磨削以及電火花加工方法來制造模具。 而現(xiàn)代模具不同，它不僅形狀與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且技術(shù)要求更高，用傳統(tǒng)的模具制造方法顯然難于制造，必須采用先進(jìn)制造技術(shù)才能達(dá)到它的技術(shù)要求。 傳統(tǒng)模具與現(xiàn)代模具 制造技術(shù)水平比較 30 1.模具 CAD/CAE/CAM一體化技術(shù) 2.高速銑削（ HSM）技術(shù) 3.電火花加工技術(shù) 4.快速原型制造（ RPM） 5.快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)（ RTM) 31 6.反求技術(shù)（ RE） 7. 精密測(cè)量及高速掃描 數(shù)字化系統(tǒng) 8.模具研磨拋光技術(shù) 1.模具 CAD/CAE/CAM一體化技術(shù) 模具 CAD/CAE/CAM技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑 ， 模具行業(yè)普及 CAD/CAM的條件已經(jīng)成熟 ， 今后必將有很快的發(fā)展 。 目前 ， 世界上汽車的改型換代一般約需 48個(gè)月 ， 而美國(guó)僅需 30個(gè)月 ， 這主要得益于在模具業(yè)中應(yīng)用了CAD/CAE/CAM和三維實(shí)體汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件 。 模具 CAD/CAE/CAM一體化及軟件的宜人化 、 集成化 、智能化 、 網(wǎng)絡(luò)化將是今后的發(fā)展方向 。 美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司 PTC的集成化系統(tǒng) Pro/Engineering UnigraphicsSolutions公司開發(fā)的軟件 Unigraphic (UG) 美國(guó) SDRC公司開發(fā)的 I DEAS 以色列 Cimatron公司的三維 CAD/ CAM軟件 Cimatron 法國(guó)達(dá)索 Dassault公司開發(fā)的 CATIA 真正的 Window軟件 SOLIDEGE CADEM大型軟件 國(guó)內(nèi)使用 CAD/CAM現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)一些大型模具企業(yè)， CAD CAM應(yīng)用狀況多停留在從國(guó)外購(gòu)買先進(jìn)的 CAD CAM系統(tǒng)和設(shè)備，但在其上進(jìn)行的二次開發(fā)較少，資源利用率低； 國(guó)內(nèi)一些中小型模具企業(yè)，它們的 CAD CAM應(yīng)用很少，有些僅停留在以計(jì)算機(jī)代替圖板繪圖。 國(guó)外的一些 CAD CAM系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴，一般企業(yè)難以支付，而國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的CAD CAM系統(tǒng)很少 2.高速銑削（ HSM）技術(shù) 銑削加工是型腔模具加工的重要手段 高速數(shù)控加工是模具加工的前沿技術(shù) 其關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用先進(jìn)的 CAD/CAM集成設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng) ， 進(jìn)行圖形交互的自動(dòng)數(shù)控編程 高速銑削優(yōu)點(diǎn) 工件溫升低 熱變形小、 切削力小 加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好 加工效率高（為普通銑削加工的 510倍） 可加工硬材料（ 60HRC）等 37 除有內(nèi)銳角的型腔和極窄而深的型腔外，基本都可用高速銑削代替 EDM加工； 采用高速銑削加工模具型面可比 EDM加工節(jié)省 25% 60%加工工時(shí)； 高速銑削的型面表面質(zhì)量好，可避免 EDM加工可能出現(xiàn)的表面微細(xì)型紋； 高速銑削能加工 45 60HRC硬表面，精銑面粗糙度可達(dá) Ra=0.63m,減少手工拋光工時(shí) ； 省卻 EDM加工電極的制造環(huán)節(jié) ,顯著縮短制模周期 ； 高速銑削迅速發(fā)展 的體現(xiàn) 高精度化：定位精度 25m/全程，加工精度 25m，所以高速銑削進(jìn)入了精密切削領(lǐng)域。 高速化：主軸轉(zhuǎn)速 4000060000r/min；切削進(jìn)給速度 16m min；快速進(jìn)給速度3040m/min，換刀時(shí)間 12s，從而加工效率提高了 510倍 高速銑削不足 對(duì)刀具提出了很高的要求 采用與銑削材料相適應(yīng)的特殊刀具材料 （ 如新型刀具有金屬陶瓷刀具 、 CBN具 、 PCD刀具 、 PCBN刀具 、涂層硬質(zhì)合金刀具等 ） 適合于比較平坦的淺型腔加工 ， 對(duì)深型腔加工有一定困難 對(duì)于具有內(nèi)清角的型腔模具 、 表面有花紋或圖案的模具 、 具有深槽或窄縫的模具的加工也都存在一定困難 。 高速銑削機(jī)床造價(jià)高 高速銑削在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用 在一定時(shí)間內(nèi) ， 我國(guó)模具企業(yè)進(jìn)口的高速加工機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速仍將以 1000020000r min為主 ， 少數(shù)會(huì)達(dá)到 40000r/min左右 。 近年來我國(guó)模具制造業(yè)中的一些骨干重點(diǎn)企業(yè)先后進(jìn)口了高速銑床和高速加工中心 ， 它們已在模具加工中發(fā)揮了很好的作用 。 可以預(yù)計(jì) ， 我國(guó)模具企業(yè)將會(huì)越來越多地應(yīng)用高速銑削技術(shù) 。 3.電火花加工技術(shù) 電火花加工 （ EDM） 雖然已受到高速銑削的嚴(yán)峻挑戰(zhàn) ， 但高速銑削不能完全替代之 。 在模具的復(fù)雜型面 、 深窄小型腔 、 尖角 、 窄縫 、溝漕 、 深坑等處的加工 （ 將是今后 EDM應(yīng)用的重點(diǎn) ） ， 但成本要比 EDM高得多 。 對(duì)于 60HRC以上的高硬材料 ， EDM要比 HSM成本低 。 同時(shí)較之銑削加工 ， EDM更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 。 電火花銑削加工技術(shù) 它是用高速旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單的管狀電極 ， 應(yīng)用 CAD/CAM技術(shù)作三維或二維輪廓加工 （ 像數(shù)控銑一樣 ） 。 EDM銑削的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)化電極制造 ， 不需要加工成形電極 ， 可選用標(biāo)準(zhǔn)電極 ， 在電極庫(kù)中進(jìn)行電極自動(dòng)交換 （ AEC） ， 用以補(bǔ)償電極損耗 ， 提高加工精度 。 在高精度微細(xì)加工方面 ， 這種方式具有良好的前景 。國(guó)外已在模具加工中應(yīng)用使用這種技術(shù) 。 低速走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床 低速走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床 （ LWEDM） 發(fā)展的水平已相當(dāng)高 ， 功能相當(dāng)完善 ， 自動(dòng)化程度已達(dá)到無(wú)人看管運(yùn)行的程度 。 其加工工藝水平也令人稱道 。 最大切割速度已達(dá) 300mm2/min， 加工精度可達(dá)到 0.5m， 加工表面粗糙度 Ra 0.10.2m。 直徑 0.030.1mm細(xì)絲精密切割技術(shù)的開發(fā) ， 可實(shí)現(xiàn)凹 、凸模一次切割完成 ， 并可進(jìn)行 0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內(nèi)圓角的切割加工 。 已能進(jìn)行 30 以上錐度的精密加工 4.快速原型制造（ RPM） 快速成形 （ 原型 ） 制造技術(shù) RPM（ Rapid Prototyping Manufacturing） 是美國(guó)首先推出的 。 它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 、 激光成形技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的 ， 是一種全新的制造技術(shù) ， 被公認(rèn)為是 繼 NC技術(shù)之后的一次技術(shù)革命 。 RPM基于它是基于新穎的離散堆積 （ 即材料累加 ）成形思想 ， 根據(jù)零件的三維計(jì)算機(jī) CAD模型 ， 不借助任何加工工具 ， 快速自動(dòng)完成復(fù)雜的三維實(shí)體 （ 模型 ）制造 ， 而與零件的幾何復(fù)雜程度絲毫無(wú)關(guān) 。 45 RPM方法與應(yīng)用 應(yīng)用 RPM技術(shù)，從模具的概念設(shè)計(jì)到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時(shí)間的 l 3和成本的 l4左右，因而具有廣闊的發(fā)展前景。 國(guó)內(nèi)的一些大企業(yè)集團(tuán)