搜索
1 绪论进入 21 世纪，制造技术发展迅猛，模具技术作为现代制造技术的一个重要组成部分，对国民经济的发展起着越来越重要的作用。模具作为重要的生产装备和工艺发展方向，在现代工业的规模生产中日益发挥着重大作用。通过模具进行产品生产具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著特点，因而在机械、电子、轻工、家电、通信、军事和航空航天等领域的产品生产中获得了广泛应用，作用不可替代，模具被赞为“金钥匙”、“制造业之母”、“进入富裕社会的原动力”等。利用模具成形零件的方法，实质上是一种少无切削、多工序重合的生产方法。采用模具成形加工零件代替传统的切削加工工艺，可以提高生产率，保证零件质量，节约原材料，降低生产成本，从而获得很高的经济效益。据粗略统计，70%以上的汽车、拖拉机、电机电器、仪器仪表零件，80%以上的塑料制品，85%以上的计算机、电子行业产品的零件，都是采用模具成形的方法来生产。因此，利用模具生产零件的方法已经成为工业上进行成批或大量生产的主要技术手段，它对于保证制品的质量、缩短产品研发周期、加速产品的更新换代等都具有重要意义。在我国，随着生产和科学技术的发展，特别是 20 世纪 80 年代以来，产品的更新换代迅速加快，品种数量迅速增加。这使模具的需求量相应增加，质量要求也越来越高，从而使模具技术在国民经济中的地位和作用日趋重要。显然，模具技术落后，制造周期长，质量低劣，必将影响生产发展和产品的更新换代，使产品丧失竞争力。 1.1 国内模具的现状和发展趋势 1.1.1 国内模具的现状我国的模具制造技术是随着现代化工业建设的发展而发展起来的。 20 世纪 50 年代以前，我国的工业基础非常薄弱，大部分工业品不能自行生产，因而所需要的模具很少，也谈不上模具工业和模具技术，国内只能仿制一些简单的模具，且主要依靠钳工个人技术来实现。解放后，随着国民经济的发展，各种工业产品生产所需要的模具日益增多，模具制造水平处于参照外国模具图样进行加工，并且多为单工序模具、简单的复合模具、少工序和较低精度的级进模具和机外脱模的塑料压缩模具。随着国际经济技术合作交流的发展，国外的模具技术书刊、模具设计手册、模具制造资料等相继介绍到我国，对指导和促进模具技术的发展起到了重要作用，同时制造模具的一些专用加工设备如大型仿形铣床、坐标镗床等的引进，为制造大型模具打下了物质基础。到 1956 年，制造模具开始采用成形磨削加工，模具结构采用拼块方式，初步解决了模具钳工手工作业和热处理变形问题。这对于提高模具质量和精度、缩短制造周期起到了重要作用。 20 世纪 50 年代末，电火花加工技术开始应用于模具生产，这种方法可以把模具型腔、型面的精加工放在热处理之后，避免了热处理变形对精度的影响，使模具制造技术水平又有一个较大的提高。尤其是 1963 年，国内研制成功电火花线切割加工机床，从而可以加工更为复杂、精密的冲裁模等，大大减少了模具钳工的手工作业，并应用于塑料模、压铸模和其他成形模具的型孔加工。这一技术的应用和普及是我国模具制造技术发展的又一重要里程碑。改革开放以来，随着国民经济的高速发展及相关学科的技术进步，推动了模具制造技术及模具工业的迅猛发展，模具无论是从品种、数量还是精度方面，都有了大幅度的发展，模具对工业产品生产的影响也越来越大，模具制造业也成了现代工业中一个相对独立的重要分支。模具标准化工作是代表模具工业和模具技术发展的重要标志。到目前为止，已经制定了冲压模、塑料模、压铸模和模具基础技术等 50 多项国家标准、近 300 个标准号，基本满足了国内模具生产技术发展的需要。模具的商品化程度也大大提高，从“八五”期间的 20%提高到目前的 40%左右。一些先进、精密和高自动化程度的模具加工设备，如数控仿形铣床、数控加工中心、精密坐标磨床、连续轨迹数控坐标磨床、高精度低损耗数控电火花成型加工机床、慢走丝精密电火花线切割机床、精密电解加工机床、三坐标测量仪、挤压研磨机等模具加工和检测用的精密高效设备，由过去依靠进口到逐步自行设计制造，使模具加工工艺手段登上了一个新台阶，同时为先进加工工艺的推广奠定了物质基础。特别是模具成型表面的特种加工工艺的研究和发展，使模具加工的精度和表面粗糙度都有很大的改善。特种加工工艺设备的改进和提高，使模具加工自动化程度和效率都大大提高。模具新材料的应用，以及热处理和表面处理技术的开发和应用，使模具寿命大幅度提高。快速成型技术在模具制造上的应用，是近 20 年以来模具制造技术的又一重大发展。快速成型技术是综合了机械工程、CAD、数控机床激光技术和材料科学技术的一种全新的制造工艺，应用于模具制造，可以使模具设计和制造更加快速、经济、实用，对于多品种、小批量产品的生产及新产品敏捷开发具有重要意义。我国模具制造技术水平，从过去只能制造简单模具发展到了可以制造大型、精密、复杂、长寿命模具。例如在冲压模具方面，我国设计和制造的电机定转子硅钢片硬质合金多工位自动级进模和电子、电气行业用的 50 余工位的硬质合金多工位自动级进模，都达到了国际同类模具产品的技术水平。凹模镶件重复定位精度＜0.005mm,步距精度＜0.005mm, 模具成型表面粗糙度为 Ra0.4~0.1μm，零件可以互换，模具寿命达1亿冲次。级进冲裁技术和叠铆原理相结合，在高速冲床上使用，具有自动冲切、叠压、铆合、扭角、计数分组和安全保护功能。在塑料模具方面，能设计和制造汽车保险杠及整体仪表盘大型注射模，大型彩色电视机、洗衣机和电冰箱等多种精密、大型注射模。例如天津市通信广播公司模具厂设计和制造的汽车保险杠模具重达10余吨、模具尺寸精度可达10μm、型腔表面粗糙度为Ra0.1μm，型芯表面粗糙度为Ra3.2μm、模具寿命达30万次以上，达到国际同类模具产品的技术水平。我国模具制造行业近十余年来的年工业产值，持续以15%的增长速度在迅速递增，已经成为国民经济中一个举足轻重的工业分支。1.1.2国内模具的发展趋势随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新材料、新设备不断涌现，因而，促成了冲压技术的不断革新和发展。（1）冲压成形理论及冲压工艺冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。目前，国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及配料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的发展，特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善，近年来我国已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，即利用有限元等数值分析方法模拟金属的塑性成形过程。据分析结果，设计人员可预测某一工艺方案成形的工艺性及可能出现的工艺问题，并通过在计算机上有选择的修改有关参数，实现工艺及模具的优化设计。（2）冲压模具的设计与制造冲压模具是实现冲压生产的基本条件。在冲压模具的设计与制造上，目前正朝着以下两方面发展：一方面，为了适应高速、自动、精密、安全等现代化生产需要，冲压模具正向高效率、高精度、高寿命、自动化及多工位方向发展。在我国，工位数达50甚至更多的级进模、寿命达亿次的硬质合金模、精度和自动化程度相当高的冲压模具都已经应用在生产中，同时，由于这样的冲压模具对加工、装配、调整、维修要求很高，因此，各种高效、精密，数控、自动化的模具加工机床和检测设备也正在迅速发展；另一方面，为了产品更新换代和试制小批量生产的需要，锌合金冲压模具、聚氨酯橡皮冲压模具、薄板冲压模具、钢带冲压模具、组合冲压模具等各种简易冲压模具及其制造工艺也得到了迅速发展。（3）模具材料模具材料及热处理与表面处理工艺对模具加工质量和寿命的影响很大，世界各主要工业国在此方面的研究取得了较大的进步，并开发了许多新的钢种，其硬度可达HRC58～70,而变形只有普通钢的1/2～1/5。如火焰淬火钢可局部硬化，且无脱碳；我国研制的65Hb、LD和CD等新钢种，具有热加工性能好、热处理变形小、抗冲击性能佳等特点。与此同时，还发展了一些新的热处理和表面处理工艺，主要有：气体软氮化、离子氮化、渗硼、表面涂金、化学气象沉积、物理迹象沉积、激光表面处理等。这些方法能提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐腐蚀性，使模具寿命大大延长。（4）冲压模具的标准化和专业化模具的标准化和专业化生产，已得到模具行业的高度重视，这是由于模具标准化是组织模具专业化生产的前提，而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、低成本的关键。我国已颁布了冷冲压术语、冷冲模零部件的国家标准，冲压模具的专业化正处在积极组织和实施中，但总的来说，我国冲压模具的标准化和专业化水平还处于较低水平。（5）冲压模具CAD/CAE/CAM技术模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术，它以计算机软件的形式为用户提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行优化设计从而显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量。随着功能强大的专业软件和高效集成制造设备的出现，以三维造型为基础、基于并行工程的模具CAD/CAE/CAM技术正成为发展方向，它能实现制造和装配的设计、成形过程的模拟和数控加工过程的防真，还可对模具可制造性进行评价，使模具设计与制造一体化、智能化。(6)冲压设备和冲压生产自动化性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件。高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的压力机与之匹配。为了满足大批量高速生产的需要，目前冲压设备也由单工序、单功能、低速朝着多工位、多功能、高速和数控方面发展，加之机械手乃至机器人的大量使用，使冲压生产效率得到了大幅度的提高。冲压生产的自动化是提高劳动生产率和改善劳动条件的有效措施。由于冷冲压操作简单，坯料和工序件形状比较规则，，一致性好，因此，容易实现生产的自动化。冲压生产的自动化包括：原材料的运输、冲压工艺过程及检测、冲模的更换与安装、废料处理等各个环节，但最基本的是压力机自动化和冲压模具自动化。适用与各种条件下自动操作的通用装置和检测装置有：带料、条料或工序件的自动送料装置，自动出件与理件装置，送料位置和加工检测装置，安全保护装置等，都是实现普通压力机和冲压模具子自动化的基本装置。（7）快速模具制造技术由于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，因此，目前基于快速成型技术的快速模具制造技术已经成为一个新的发展方向和研究热点。目前，快速经济制模技术主要有低熔点合金制模技术、锌基合金制模技术、喷涂成形制模技术等。采用快速模具制造技术，能简化模具制造工艺，缩短制模周期，降低模具生产成本，在工业生产中取得了显著的经济效益。1.2国外模具的现状和发展趋势随着市场经济发展的需要和产品更新换代不断加快，对模具制造提出了越来越高的要求，模具制造质量提高、生产周期缩短已经成为该行业发展的必然趋势。纵观模具制造业近十余年来的发展道路，其主要发展方向可以归纳为如下几个方面。1.2.1模具生产的专业化和标准化程度不断提高多年来的模具制造实践表明，要使模具技术高速发展，实现专业化、标准化生产是关键，目前美国模具专业化程度已超过90%，日本也超过了75%。而我国模具专业化程度还处在25%左右。实现模具专业化生产，前提是要模具标准化，这样可使专业模具生产厂减少30%～50%的制造工作量，降低成本50%。有了模具的各项标准，才可能采用专用的先进生产设备和技术，建立专门的机械化和自动化生产线，才可能采用高精度的、专用的质量检测手段，从而实现提高模具质量、缩短生产周期、降低制造成本的目标。1.2.2模具粗加工技术向高速加工发展以高速铣削为代表的高速切血加工技术代表了模具零件外形表面粗加工发展的方向。高速铣削可以大大改善模具表面的质量状况，并大大提高加工效率和降低加工成本。例如IN-GERSOLL公司生产的VHM型超高速加工中心的切削进给速度为76m∕min;主轴转速为45000r∕min；瑞士SIP公司生产的AFX立式精密坐标镗床的主轴转速为30000r∕min；日本森铁工厂生产的MV-40型立式加工中心，其转速达40000r∕min。另