国内外模具技术的现状及发展趋势.doc

中国外模具技术现实状况及发展趋势
摘 要: 本文叙述了模具技术在国民经济中关键性, 介绍了各行业模具现实状况及发展方向; 文中强调指出了两个关键问题——模具材料和模具标准——是连续发展模具技术重大策略。 中国模具技术, 则是依据着国际模具市场发展趋势, 转变着模具品牌产品发展规模, 不停提升着模具设计水平, 迎合着模具企业经济发展需求, 也会深入推进着模具技术发展。
关键词: 发展趋势 、 现实状况 、 模具技术 、 塑料模具 、 模具CAD／CAM
Abstract: This paper was narrated the importance of the mould technology in the national economy．It was introduced the present situation and development direction of all trade and professions on the mould and die．It was indicated emphatically two questions of the crux一一mould materials and mould standard——developing continuous ly the great tactics on the progress of the mould technology. China mold technology, according to the international mold is the development trend of the market, the brand product change mould the development scale, and constantly improve the level of the die design, catering to the needs of the mould enterprise economic development, will further promote the development of the mould technology.
1、 引言
模具是工业生产基础工艺装备, 国民经济五大支拄产业机械、 电子、 汽车、 石化、 建筑都要求模具工业发展与之相适应。 现在, 模具行业生产性服务业发展快速, 模具标准件、 软件、 材料供给等服务模式更为人性化, 为企业一揽子处理问题服务模式开始出现, 这无疑对模具行业发展有着很大推进作用, 另外, 中国模具品种仍然不丰富, 模具行业平衡发展亟需重视。 模具是制造业关键基础工艺装备。模具在制造业产品生产、 研发和创新中所含相关键地位, 使得模具制造能力和技术水平高低已成为衡量国家制造业水平和创新能力关键标志。最近, 中国模具工业均以每年15％以上增加速度快速发展。“十一五”期间, 中国模具行业保持产销两旺、 连续高速发展, 模具产量、 质量深入得到提升。中国模具市场十分宽广, 尤其是在汽车制造业和IT制造业发展带动下, 对模具需求量和档次也越来越高, 同时精良模具制造装备为模具技术水平提升提供了保障。模具销售额870亿人民币, 比上一年增加21％, 模具出口14.13亿美元, 比上一年增加35．7％, 模具进口仍保持在20亿美元。数据显示着中国模具整体实力深入加强。
2、 模具现实状况
（一） 国外模具技术现实状况
高新技术在模具企业中得到广泛应用
（1）广泛应用CAD/CAE/CAM技术
a) 超越了甩掉图板、 二维绘图初级阶段, 3D设计已达成了70～80%。
b) PRO/E、 UG、 CIMATRON等软件普遍应用。
c) 数控机床普遍应用, 确保了模具零件加工精度和质量。
d) CAE技术已逐步成熟（意大利COMAU企业应用CAE技术后, 试模时间降低了50%以上）。
（2）普遍采取高速切削加工技术
a) 特征: 以高切削速度、 高进给速度、 高加工质量。
b) 加工效率: 比传统切削工艺要高几倍, 甚至十几倍。
c) 转速: 15000～30000r/min。
d) 效益: 大大缩短制模时间。
（3）普遍应用快速成型技术与快速制模技术
a) 塑料模具: 有专门提供原型制造服务机构和企业塑料模具厂家利用快速原型浇制硅胶模具, 用于少许翻制塑料件。
b) 汽车模具: 多为锌基合金快速制模和使用环氧树脂制作金属成型模。

（二）中国模具现实状况
中国模具工业产值在国际上排名位居第三位, 仅次于日本和美国。中国模具生产厂已超出17000家, 从业人员达50万。多年来, 中国模具工业一直以每年13％左右增加速度快速发展中国模具行业在“十五”期间增加速度达成13％~15％。
1. 中国模具产业进出口
近几年来, 中国每年进口模具约占市场总量20％左右, 已超出10亿美元, 成为世界上最大模具进口国其中塑料与橡胶模具占全部进口模具50％以上, 冲压模具占全部进口模具约40％ 中、 高级模具进口百分比占市场总量40％以上
2. 中国模具技术发展进步关键表现在
1)研究开发了模具新钢种及硬质合金、 钢结硬质合金等新材料, 并采取了部分新热处理工艺, 延长了模具使用寿命。比如冲模广泛使用合金工具钢替换碳素工具钢, 提升模具寿命, 降低模具热处理变形。
2)开发了多工位级进模和硬质合金模等新产品, 并依据中国生产需要研制了精密塑料注射模。
3)研究开发了部分模具加工新技术和新工艺。如三维曲面数控加工; 模具表面抛光、 表面皮纹加工及皮纹辊制造技术; 模具钢超塑性成型技术和多种快速成型技术等。
4)模具加工设备已得到较大发展, 已广泛使用精密坐标磨床、 数控(CNC)铣床、 CNC电火花线切割机床和高精度电火花成型机床等。模具零件精度由数控机床确保, 处理了以前传统切削加工生产模具零件, 靠钳工技艺确保质量, 质量难确保问题。
5)模具计算机辅助设计和制造(模具CAD/CAM/CAE)已在中国得到了广泛开发应用。三维造型软件和仿真软件广泛应用, 不仅能自动编程, 还能进行干涉检验, 确保设计和工艺合理性。
3. 中国模具工业存在问题
精密加工设备还极少大型、 精密、 复杂和长寿命模具产需矛盾十分突出很多优异技术如CAD／CAE／CAM技术普及率还不高
3、 现代模具特点及关键种类
（一）现代模具特点
（1）高精度
比传统模具高出一个数量级。
（2）长寿命
传统模具50～100万次, 现代模具通常在500万次以上, 硬质合金多工位级进模可达2亿～6亿次。
（3）高生产率
（4）型腔形状和模具结构复杂
塑料注射模、 汽车覆盖件模具
（二）现代模具关键种类
1) 塑料模
从第十三届中国国际模具技术和设备展览会上可见, 各类塑料模仍然是展会主角, 其数量之多、 品种之广、 质量之高、 技术之新奇创历届模展之最, 而注射模中又以大型、 精密模具居多
①生产大型塑料模具 如汽车整体仪表板注塑模、 汽车横梁、 中网注塑模、 货物托盘1400×1200×150mm、 200L垃圾桶、 背靠椅等
②生产精密塑料模具 如笔记本电脑上盖注塑模、 多型腔小模数齿轮及精度达5μm7800腔塑封模具等
2) 冲压模
模具上冲压模具特点是参展厂家多、 展出品种多、 展品档次高, 盛况空前。代表冲压模具发展方向多工位级进模和精密冲模。涵盖了电子、 通讯、 汽车、 仪器仪表、 电机电器、 办公设备和家电产品配套模具, 越来越多大型、 精密、 复杂、 长寿命模具出口大幅增加。
3) 汽车覆盖件模
①CAD/CAM/CAE技术利用水平不停提升
a) 在CAD方面, 进行3D-LD图设计。
b) 开始采取CAE技术。
②检测技术和逆向工程技术取得新发展。
实物——建立数学模型——出工程图纸——模具制造
4) 铸造模
近几年中国压铸模具制造业, 不管在品种、 产量、 复杂程度、 综合设计水平、 模具大型化、 以及企业工装设备、 加工和检测手段都有很大提升, 显示出以下多个新特点:
①在普遍实现了CAD/CAM基础上, 不少厂家还经过CAE后确定流道、 溢流、 冷却及排气系统设计方案, 部分厂家还与国外联合设计或利用外国图纸进行生产(尤其是出口模具), 模具制造前CAE分析越来越得到重视。
②特大型、 复杂压铸模具多家企业能够自行设计和制造生产,
③出口到欧、 美、 日等优异工业国家和地域模具数量剧增。多个展台展出了多年来出口模具样品, 据了解部分企业出口模具已占产量30％以上。这些产品展示, 打破了中国大型、 复杂、 精密汽车压铸模以往只进口无出口缺口, 预示着压铸模具行业愈加辉煌前景。
④多年来企业装备有较大提升, 不少企业购进高速切削机床、 龙门数控铣床、 三坐标测量仪、 大型合模机、 低速走丝电火花线切割机、 石墨加工中心、 真空热处理炉等加工和检测设备, 为生产优质模具提供了精良装备。
⑤真空压铸使用模具、 油温控制模具、 采取耐热弹簧、 氮气弹簧模具、 模具镶块采取特殊表面强化处理以及压铸镁合金、 铜合金模具均在展览会上亮相。
4、 现代模具发展趋势
（1）粗加工向高速加工发展（以高速铣削加工为代表, 高速铣削加工主轴转速可达4000~10000r/min, 快速进给速度可达30~40m/min,与传统铣削加工相比, 工件温升低, 热变形小, 效率高, 还可加工硬度达HRC60模块。
（2）成形表面加工向精密、 自动化发展（成形表面精加工向数控、 数显方向发展, 数控机床、 电火花成形机床、 慢走丝线切割机床等精加工广泛利用。
（3）光整加工向自动化发展（现在模具研磨、 抛光等光整加工仍然以手工作业为主, 不仅费工费力, 而且表面质量低。发达国家正在研制数控自动化光整加工设备。
（4）快速成形加工模具技术将得到发展
快速原型制造技术是经过计算机控制逐层堆积材料来制造复杂形状实体样件或模具零件, 不用工装和刀具能实现零件单件生产。
低熔点合金模、 精铸模、 层叠模、 环氧树脂模等部分快速经济型模具将深入得到应用, 适合于多品种少批量生产用模。
高速扫描及数字化系统用于逆向工程, 扫描系统和加工中心结合, 从实物扫描到加工一步完成, 可大幅缩短制模周期。适合仿造零件和模具加工, 不需要图纸, 直接用实物就能加工。

（5）模具CAD／CAE／CAM正向集成化、 三维化、 智能化和网络化方向发展
模具设计中常见绘图软件有CAD、 CAXA电子图板, 常见三维造型和加工软件有PRO/E、 UG、 CAXA机械制造工程师、 MOSTERCAM。
用于模具设计制造计算机软件日趋完善, 并向智能化、 集成化方向发展, 能降低设计人员反复劳动, 提升效率。利用三维造型和加工软件, 可生成刀具轨迹并输出加工程序代码, 经过仿真进行加工精度检验和干涉检验, 从而确保设计和工艺合理性。
（6）模具检测、 加工设备向精密、 高效和多功效方向发展
一模多腔、 大型多工位级进模、 大型复合模等高效模具使用越来越广泛。超精加工和集电、 化学、 超声波、 激光等技术综合在一起复合加工将得到发展。在多工位级进模上开发多功效复合模, 如将冲压、 叠片攻螺纹、 铆接等工序复合在一副模具中电机铁芯组件多功效复合模, 一副模就能生产成批组件。
①模具向着精密、 复杂、 大型方向发展
对检测设备要求越来越高。现在中国厂家使用较多有意大利、 美国、 日本等国高精度三坐标测量机, 并含有数字化扫描功效。实现了从测量实物_建立数学模型_输出工程图纸模具制造全过程, 成功实现了逆向工程技术开发和应用
②高速铣削机床(HSM)
铣削加工是型腔模具加工关键手段。而高速铣削含有工件温升低、 切削力小、 加工平稳、 加工质量好、 加工效率高(为一般铣削加工5～10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等很多优点。所以在模具加工中日益受到重视。HSM关键用于大、 中型模具加工, 如汽车覆盖件模具、 压铸模、 大型塑料模等曲面加工
③模具自动加工系统研制和发展
伴随多种新技术快速发展, 国外已出现了模具自动加工系统, 这也是中国长远发展目标。模具自动加工系统应有以下特征: 多台机床合理组合; 配有随定位夹具或定位盘; 有完整机具、 刀具数控库; 有完整数控柔性同时系统; 有质量监测控制系统。

（7）模具标准化程度将不停提升
中国模具标准化程度正在不停提升。估量现在中国模具标准件使用率已达30%左右。国外发达国家通常为80%左右, 为了适应模具工业发展, 模具标准化工作必需加强, 模具标准化程度将深入提升, 模具标准件生产也必需得到发展。尽可能使用模具标准件和标准模坯, 将通常模具零件和粗加工等工序发外加工, 经过社会化协作生产, 可大幅度缩短制模周期, 降低模具成本。
（8）优质模具材料和新型材料将得到推广
冲模常见优质模具钢有合金工具钢 Cr12、 Cr12MoV（SKD11) ;高速钢W6Mo5Cr4V2(SKH51 ) 、 粉末高速钢SKH40、 HAP40; 硬质合金YG15、 YG20、 V3（HIP）。
常见新型塑料模钢有: 预硬钢5NiSCa、 SKD61、 H13, 新型淬火、 回火钢SKD11（改善）、 H13+S 马氏体时效钢18Ni（300）、 MASIC, 析出硬化钢 PMS、 NSM, 耐腐蚀钢PCR、 NAK101。在国外铝合金已广泛用作快速经济型模具材料。
（9）模具材料及表面处理技术研究
因选材和用材不妥, 致使模具过早失效, 大约占失效模具45％以上。在整个模具价格组成中, 材料所占比重不大, 通常在20％～30％, 所以, 选择优质钢材和应用表面处理技术来提升模具寿命就显得十分必需。对于模具钢来说, 要采取电渣重熔工艺, 努力提升钢纯净度、 等向性、 致密度和均匀性及研制更高性能或有特殊性能模具钢, 如采取粉末冶金工艺制造粉末高速钢等。粉末高速钢处理了原来高速钢冶炼过程中产生一次碳化物粗大和偏析, 从而影响材质因问题。其碳化物微细, 组织均匀, 没有材料方向性, 所以, 它含有韧性高、 磨削工艺性好、 耐磨性高、 终年使用尺寸稳定等特点, 尤其对形状复杂冲件及高速冲压模具, 其优越性愈加突出, 是一个很有发展前途钢材。模具钢品种规格多样化、 产品精细化、 制品化, 尽可能缩短供货时间亦是关键发展趋势。热处理和表面处理是能否充足发挥模具钢材性能关键步骤。模具热处理关键趋势是: 由渗透单一元素向多元素共渗、 复合渗(如TD法)发展; 由通常扩散向CVD、 PVD、 PCVD、 离子渗透、 离子注入等方向发展; 可采取镀膜有: TiC、 TiN、 TiCN、 TiAlN、 CrN、 Cr7C3、 W2C等, 同时热处理手段由大气热处理向真空热处剪发展。另外, 现在对激光强化、 辉光离子氮化技术及电镀(刷镀)防腐强化等技术也日益受到重视。
（10）压铸模、 挤压模及粉末锻模百分比增加模具工业应广泛应用现代优异制造技术
伴随汽车、 车辆和电机等产品向轻量化发展, 压铸业技术进步, 满足各行各业对模具这一基础工艺装模百分比将不停提升, 对压铸模寿命和复杂程度也迫切需求, 以实现中国模具工业跨越式发展, 将提出越来越高要求。同时挤压模及粉末锻模百分比也将有不一样程度增加, 而且精度要求也越来越高。

5、 总结
现在中国模具工业发展步伐日益加紧, 但在整个模具设计制造水平和标准化程度上, 与德国美国日本发达国家相比还存在相当大差距。在经济全球化新形势下, 伴随资本、 技术和劳动力市场重新整合, 中国装备制造业在加入WTO以后, 将成为世界装备制造业基地。而在现代化制造业中, 不管哪一行业工程设备, 都越来越多采取由模具工业产品。为了适应用户对模具制造高精度、 段交货期、 低成本迫切要求, 模具工业应广泛用现代优异制造技术来加速模具工业技术进步, 满足各行各业对模具这一基础工艺设备迫切需求, 以实现中国模具工业跨越式发展
6、 参考文件。
n 田福祥 现代模具技术特点及其发展趋势 起止页码: 53-58
n 李和平 肖根福 模具技术现实状况与发展趋势综述 27卷 02M期 起止页码: 46-49
n 宋满仓 模具制造工艺 电子工业出版社 （130-252）
n 王国中 注塑模具CAD/CAE/CAM技术  北京理工大学出版社 1998 （5-16）
n 王至尧 单忠德 快速原型技术及其在模具中应用 （11）
n 蒋桂芝, 王丽. 中国模具技术发展现实状况及其发展趋势[J]. 机电产品开发与创新 , ,(04)
n 曹延安. 中国模具工业现实状况与发展趋向[J]. 机械工程师 , ,(05)
n 武兵书 中国模具工业发展及现实状况——第十三届中国国际模具技术与设备展览会形势分析 中国模具工业协会; （07）