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第一章模具及其发展历史1.1模具的含义1.2模具的发展历史1.3世界模具工业的发展历史对于模具的概念，通俗的讲，就是作为模型的工具，是指利用其本身特定形状去成形具有一定形状和尺寸的制品的工具。严格上讲，模具是工业产品生产用的工艺装备，主要应用于制造业和加工业。它是和冲压、锻造、铸造成形机械，同时和塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料制品成形加工用的成形机械相配套，作为成形工具来使用的。使用模具生产的产品在我们的日常生活中随处可见，我们中秋节所吃的月饼，就是由最简单的模具成形的，如图1-1所示。如图1-2所示的蜂窝煤，是我们取暖做饭不可缺少的，也是由蜂窝煤机中的模具成形的，如图1-3所示。1.1模具的含义1.1.1模具的概念当然，以上都是非常简单的模具，我们将要学习的是各种复杂的成形金属材料和非金属材料模具的设计与制造，如图1-4所示的生产塑料壳体的热塑性塑料成形模具。图1-4月饼及其生产用的模具(a)塑料模具(b)产品模具属于精密机械产品，因为它主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件（凸模、凹模），导向零件（导柱、导套等），支承零件（模座等），定位零件等；送料机构，抽芯机构，推（顶）料（件）机构，检测与安全机构等。为提高模具的质量、性能、精度和生产效率，缩短制造周期，其零、部件（又称模具组合），多由标准零、部件组成。所以，模具应属于标准化程度较高的产品。一副中小型冲模或塑料注射模，其构成的标准零、部件可达90%，其工时节约率可达25%~45%。1.1.2模具的特点由于模具生产技术的现代化，在现代工业生产中，模具已广泛用于电动机与电器产品，电子与计算机产品，仪表、家用电器产品与办公设备，汽车，军械，通用机械等产品的生产中。其主要原因是由于模具有一系列特点：1.制件的互换性好即在模具一定使用寿命范围内，合格制件（冲件、塑件、锻件等）的相似性好，可完全互换。2.模具的适应性强针对产品零件的生产规模和生产形式，可采用不同结构和档次的模具与之相适应。如为适应产品零件的大批量生产，可采用高效率、高精度和高寿命的、自动化程度高的模具；为适应产品试制或多品种、小批量的产品零件生产，可采用通用模具，如组合冲模，快换模具（可用于柔性生产线），以及各种经济模具。根据不同产品零件的结构、性质、精度和批量，以及零件材料和材料性质、供货形式，可采用不同类别和种类的模具与之相适应。如锻件则需采用锻模，冲件则需采用冲模，塑件则需采用塑料成形模具，薄壳塑件则需采用吸塑或吹塑模具等。3.生产效率高、低耗采用模具成形加工，产品零件的生产效率高。高速冲压可达1800次/min，由于模具寿命和产品产量等因素限制，常用冲模也在200~600次/min范围内。塑件注射循环时间可缩短在1~2min内成形，若采用热流道模具，进行连续注射成形，生产效率则更高，可满足塑件大批量生产的要求。采用高效滚锻工艺和滚锻模，进行连杆锻件连续滚锻成形。采用塑料异型材挤出模，进行建筑用门窗异型材挤出成形，其挤出成形速度可达4m/min。可见，采用模具进行成形加工与机械加工相比，不仅生产效率高，而且生产消耗低，可大幅度节约原材料和人力资源，是进行产品生产的一种优质、高效、低耗的生产技术。4.社会效益高模具是高技术含量的社会产品，其价值和价格主要取决于模具材料、加工、外购件的劳动与消耗三项直接发生的费用和模具设计与试模（验）等技术费用。后者，是模具价值和市场价格的主要组成部分，其中一部分技术价值计入了市场价格，而更大一部分价值，则是模具用户和产品用户受惠变为社会效益。如电视机用模具，其模具费用仅为电视机产品价格的1/3000~1/5000，尽管模具的一次投资较大，但在大批量生产的每台电视机的成本中仅占极小部分，甚至可以忽略不计，而实际上，很高的模具价值为社会所拥有，变成了社会财富。模具是现代工业生产中广泛应用的优质、高效、低耗、适应性很强的生产技术，或称成形工具、成形工装产品。模具是技术含量高、附加值高、使用广泛的新技术产品，是价值很高的社会财富。1.1.3模具的分类总体上说模具可分为三大类：金属板材成形模具，如冲模等；金属体积成形模具，如锻（镦、挤压）模，压铸模等；非金属材料制品用成形模具，如塑料注射模和压缩模，橡胶制品、玻璃制品、陶瓷制品用成形模具等。模具的具体分类方法很多，常用的有：按模具结构形式可分为冲模中的单工序模、复合模、级进模等。塑料成形模具中的压缩模、注射模、挤出模等，按模具使用对象可分为电工模具、汽车模具、电视机模具等。按模具材料可分为硬质合金模具和钢模等。按工艺性质可分为冲孔模、落料模、拉深模、弯曲模，塑料成形模具中的吸塑模、吹塑模等。这些分类方法具有直观、方便等优点，但不尽合理，易将模具类别与品种混用，使种类繁多无序。因此，采用综合归纳法，将模具分为十大类，各大类模具又可根据其使用对象、材料、功能和模具制造方法，以及工艺性质等，再分成若干小类和品种较为合理，详见表1-1。1.1.4模具的产业特征模具的产业特征主要有以下三个方面：1.技术含量高作为模具产业,它的技术含量较高。一是对从业人员的素质和实践经验要求较高；二是模具本身的制作精度高,通常模具的精度要求高出其工业产品精度一个级别,它不仅要求有精密的机械加工设备,而且还要求有高素质的设备操作人员和模具装配人员；三是模具的工艺流程较工业产品复杂的多,它不仅需要与先进制造技术相结合,还要与先进的工艺技术相结合(热处理、表面硬化、表面涂覆等),因此模具对技术要求特别高。2.订单式生产模具产业投资较大,有订单没批量。因模具不是批量生产的产品,它具有单件生产和对特定用户的依赖特性,是配合批量工业产品而开发设计的,属于订单式生产,所用设备一般为精密型设备,价格昂贵,且加工产品不是批量产品,故设备的利用率通常较低,这是模具产业的一大特征。3.生产周期要求短模具的设计制造周期要求比较短。因模具是随着工业产品的批量订单而开发的,为保证产品的按期交货,模具的设计制造周期一般都比较短。1.1.5模具工业的地位与作用模具是制造业的重要基础工艺装备。用模具生产制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材,使模具工业在制造业中的地位越来越重要。模具权威人士认为“模具是印钞机”，将模具工业称为“永不衰亡的工业”、“无与伦比的效益放大器”。模具生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志,因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。没有高水平的模具就没有高水平的产品已成为共识。1.模具工业是高新技术产业的一个组成部分例如,属于高新技术领域的集成电路的设计与制造,不能没有做引线框架的精密级进冲模和精密的集成电路塑封模；计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造,也必须有精密塑料模具和精密冲压模具；数字化电子产品(包括通信产品)的发展,没有精密模具也不行。不仅电子产品如此,航空航天领域也离不开精密模具。例如,形状误差小于0.1~0.3μm的空空导弹红外线接收器的非球面反射镜,就必须用高精度的塑料模具成形。因此可以说,许多高精度模具本身就是高新技术产业的一部分。有些生产高精度模具的企业,已经被命名为“高新技术企业”。2.模具工业是高新技术产业化的重要领域模具制造技术水平的提高,模具工业的技术升级,离不开同高新技术的嫁接。CAD/CAE/CAM技术在模具工业中的应用,快速原型制造技术的应用,使模具的设计制造技术发生了重大变革,就是一个最好的例证。模具的开发和制造水平的提高,有赖于采用数控精密高效加工设备；逆向工程、并行工程、敏捷制造、虚拟技术等先进制造技术在模具工业中的应用,也要与电子信息等高新技术嫁接,实现高新技术产业化。3.模具工业是装备工业的一个组成部分在1998年以前,许多人把机械工业当作一般的加工工业。在1998年11月召开的中央经济工作会议上,首次明确提出了加大装备工业的开发力度,推进关键设备的国产化。将机械工业作为装备工业,同一般的加工工业区别开来,是对机械工业在国民经济中的地位与作用的重新定位。模具作为基础工艺装备,在装备工业中自然应有其重要地位,因为国民经济各产业部门需要的装备,其零部件有很大一部分是用模具做出来的。各产业部门需要的装备,有许多是电子信息技术的载体,好像一个人,不仅要有聪明的脑袋和灵敏的神经系统,还要有坚强的躯干和灵巧的手脚。机械工业制造的装备一旦与电子信息技术嫁接,就如虎添翼,使脑袋更聪明,神经更灵敏,手脚更灵巧了。4.国民经济的五大支柱产业都需要发展模具工业模具工业地位之重要,还在于国民经济的五大支柱产业---机械、电子、汽车、石化、建筑---都要求模具工业实现与之相适应的发展。机械、电子、汽车工业需要大量的模具,特别是轿车大型覆盖件模具、电子产品的精密塑料模具和冲压模具,目前在质与量上都还不能满足这些支柱产业发展的需要,近几年我国每年要进口7亿美元左右的模具。我国石化工业一年生产500多万吨聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂,很大一部分需要塑料模具成形,1997年我国生产的塑料制品达700多万吨,2005年将增加到1500万吨左右。建筑业过去与模具工业的关系不大,现在不同了,地板砖和卫生洁具需要大量的陶瓷模具,塑料管件和塑钢门窗也需要大量的塑料模具。从五大支柱产业对模具的需求当中,可以明显地看出模具工业地位之重要。1.2模具的发展历史1.2.1模具的起源模具起源于何时，现已无从考证。在距今二百多万年前的石器时代，要说人类就已经知道制造模具，那有些不切实。因为那时的人类主要以生存为主，没时间和精力支思考生存以外的事。石器时代是一个以石制器械为主的时代，当然人们也使用木、竹、骨做器件从事生产活动。早期的石器制作主要以打制为主。在石器时代晚期，人们又加上了研磨的工序。这是一个巨大飞跃，它使打制的石器更尖锐、锋利、并具有一定的美感。考古发现，当时人类所使用的较简单的石制工具有砍砸器、刮削器、尖状器、球状器各镞形器等；复杂的有石斧、石刀、石矛、石铲、石锛、石凿、石镰和石磨等，如图1-5所示。进一步的挖掘表明，当时的人类已开始使用了一定数量的石质装饰品。在石器时代，最富创意的发明应该是弓箭。不过这些与我们所说的模具没有直接的关系。这里提到它，主要是想指出早期的人类不具备一定的制造能力，那要追溯模具的远古起源就没有意义。石器时代没有出现真正意义上的模具，一种制造意义上的模具，其原因，有些人认为主要是由于生产力低下的缘故。这种解释有点模糊和笼统。根本的原因应该是那时和人们根本没有意识到有必要制造或使用模具，在人们的意识当中没有哪怕是最初的模具概念。模具真正的起源应该是在铜器时代。铜器时代距今约5000-7000年左右，是一个主要以铜为生产原料和制作工具原料的社会发展期。考古发现，在中国，距今约5000-6000年以前以西北地区为主的北方地区出现了一些以铜为原料的小型合金制品。中国青铜文明的鼎盛期出现在商代至春秋战国时期。1986年，四川广汉三星堆发掘出的两个商代祭祀坑出土了近千件精美绝伦的珍贵文物，其中有大小不同的青铜人头像、神秘怪诞的青铜面具等，如图1-6所示。这些事实表明早在5000-7000年前，人类就开始使用了模具，因为不使用模具，要制造像青铜大立人这样的大型青铜作品是无法想象的。1998年底，从秦陵地下宫城军备库陪葬坑中出土的秦剑、铍、矛、戟、车马器构件、锛、箭头及其他军用装备证明：到了秦朝时期，青铜兵器的铸造技术、规模及铸后的加工技术已经达到了较为先进的水平，如图1-7所示。应该说，铸模技术的运用对成就秦始皇的统一大业功不可没。青铜主要是铜、锡的合金，其间也含有少量的铅、锌等。一件铜器的制作，需要采矿、冶炼、合金配制、制范、浇铸与后期处理等程序。其中的制范其实是模具制作。曾先后出现了泥范、石范、陶范、铜范以及铁范、熔模等模具制制作方式。在我国、泥范，铁范、熔模被称为先秦“三绝”。泥范因为易损坏，古代世界使用较少，但在我国却大量使用，是先秦时期铜器铸造的基本范型，并一直沿用到近代的砂型之前。铁范出现较晚，但因其地质坚硬、难以损坏，而成为大量重复铸造的首选范型。熔模铸造是