中国模具工业及其技术的开展现状 日期:2006-6-5 中国模具工业的开展现状 80年代以来,中国模具工业开展十分迅速.国民经济的高速开展对模具工业提 出了越来越高的要求,也为其开展提供了巨大的动力. 这些年来,中国模具工业 一直以15% 中国17000多个模具生产厂点, 从业人数约50多万.1999年中国模具工业总产值已达 245亿元人民币〔表1〕. 工业总产值中企业自产自用的约占三分之二,件为商品销售的约占三分之一. 在模具工业的总产值中,冲压模具约占 50%塑料模具约占33%压铸模具约占 6%其它各类模具约占11%, 也发生了巨大变化.除了国有专业模具厂外,其他所有制形式的模具厂家,包括 集体企业、合资企业、独资企业和私营企业,都得到了快速开展,集体和私营的 模具企业在广东和浙江等省开展得最为迅速. 例如,浙江宁波和黄岩地区,从事 模具制造的集体企业和私营企业多达数千家, 成为国内知名的“模具之乡〞和最 具开展活力的地区之一.在广东,一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业, 为了 提升其产品的市场竞争水平,纷纷参加了对模具制造的投入,例如科龙、美的、 康佳和威力等集团都建立了自己的模具制造中央. 中外合资和外商独资的模具企 业多集中于沿海工业兴旺地区,现已有几千家.例如,江苏无锡的微研 为一日本独资企业,员工有200余人,拥有精密数控模具加工设备60余台,1998 年其模具产值超过2亿元. 中国模具工业的技术水平近年来也取得了长足的进步.目前,国内已能生产 精度达2微米的精密多工位级进模,工位数最多已达 160个,寿命1?2亿次. 在大型塑料模具方面,现在已能生产 48英寸电视的塑壳模具、6.5K g大容量洗 衣机的塑料模具,以及汽车保险杠、整体仪表板等模具.在精密塑料模具方面, 国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等. 在大型精 密复杂压铸模方面,国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压 铸模.在汽车模具方面,现已能制造新轿车的局部覆盖件模具. 其他类型的模具, 例如子午线轮胎活络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等,也都到达了较高 水平,并可替代进口模具.虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的 开展,但许多方面与工业兴旺国家相比仍有较大的差距. 例如,精密加工设备在 模具加工设备中的比重还比较低,CAD/CAE/CA技术的普及率不高,许多先进的 模具技术应用还不够广泛等等.特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存 在明显差距,这些类型模具的生产水平也不能满足国内需求, 因而需要大量从国 外进口. 二、中国模具技术的进步 在中国,人们已经越来越熟悉到模具在制造中的重要根底地位, 熟悉到模具技术 水平的上下,已成为衡量一个国家制造业水平上下的重要标志,并在很大程度上 决定着产品质量、效益和新产品的开发水平.许多模具企业十分重视技术开展, 加大了用于技术进步的投资力度,将技术进步视为企业开展的重要动力.此外, 许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发. 目前,从事模具技术研究 的机构和院校已达30余家,从事模具技术教育的培训的院校已超过 50余家.其 中,获得国家重点资助建设的有华中理工大学模具技术国家重点实验室, 上海交 通大学CAD国家工程研究中央、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中央和郑 州工业大学橡塑模具国家工程研究中央等.经过多年的努力,在模具 CAD/CAE/CA技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、 新型模具材料等方面取得了显著进步；在提升模具质量和缩短模具设计制造周期 等方面做出了奉献c (1): 以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步, 东风汽车 公司模具厂、一汽模具中央等模具厂家已能生产局部轿车覆盖件模具. 在设计制 造方法和技术手段方面不断改善,在轿车模具国产化方面迈出了可喜的步伐. 多工位级进模和多功能模具是我国重点开展的精密模具品种. 目前,国内已可制 造具有自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和平安保护等功能的 铁芯精密自动叠片多功能模具.生产的电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的 步距精度可达20卩m寿命到达1亿次以上.其他的多工位级进模,如用于集成 电路引线工位的级进模,用于电子枪零件的硬质合金级进模和空 调器散热片的级进模,也已到达较高的水平口 ⑵: 近年来,塑料模具开展很快,在国内模具工业产值中塑料模具所占比例不断扩大. 电视机、空调、洗衣机等家用电器所需的塑料模具根本上可立足于国内生产. 重 量达10?20吨的汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具和多达 600腔的塑封模具 已可自行生产.在精度方面,塑料尺寸精度可达 IT6-7级,型面的粗糙度到达 Ra0.05-0.025卩m 塑料模使用寿命达 100 中,CAD/CAM技术得到较快的普及,CAE软件已经在局部厂家应用.热流道技术 得到广泛应用,气辅注射技术和高效多色注射技术也开始成功应用C (3)CAD/CAE/CAlM支术 目前,国内模具企业中已有相当多的厂家普及了计算机绘图, 并陆续引进了高档 CAD/CAE/CAJMUG Pro/Engineer、l-DEAS、Euclid-IS 等著名软件在中国模具 工业应用已相当广泛.一些厂家还引进了 Moldflow、C-Flow、DYNAFORMDptris 和MAGMASO等TCAE软件,并成功应用于塑料模、冲压模和压铸模的设计中.近 年来,我国自主开发CAD/CAE/CAI系统有很大开展.例如,华中理工大学模具技 术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模 CAD/CAE/CA软件, 上海交通大学模具CAD国家工程研究中央开发的冷冲模和精冲研究中央开发的 冷冲模和精冲模CAC软件,北京机电研究所开发的锻模 CAD/CAE/CA软件,北航 华正软件工程研究所开发CAXA软件,吉林汽车覆盖件成型技术所独立研制的商 品化覆盖件冲压成型分析KMAS ⑷快速成形/彳 快速成形/快速制模技术在我国得到重视和开展,许多研究机构致力于这方面的 研究开发,并不断取得新成果.清华大学、华中理工大学、西安交通大学和隆源 自动成形系统公司等单位都自主研究开发了快速成形技术与设备, 生产出分层物 体(LOM)立体光固化(SLA)、熔融沉积(FDM和选择性烧结(SLS)等类型的快速成 形设备.这些设备已在国内应用于新产品开发、精密铸造和快速制模等方面. 快速制模技术也在国内多家单位开展研究,目前研究较多的有电弧喷涂成形模具 技术和等离子喷涂制模技术.中、低熔点合金模和树脂冲压模制造技术已获得成 功应用,硅橡胶模也应用于新产品的开发中口 (5): 近年来,国内一些钢铁企业相继引进和装备了一些先进的工艺设备, 使模具钢的 品种规格和质量都有较大的改善. 在模具制造中已较广泛地采用新的钢材, 如冷 作模具钢 D2 D3 A1、A2、LD 65Nb等；热作模具钢 H10 H13 H21、4Cr5MoVSi 45Cr2NiMoVSi等；塑料模具钢 P20 3Cr2Mo PMS SMI、SMII等.这些模具材 料的应用在提升质量和使用寿命方面取得了较好的效果 ?国内一些单位对多种模 具抛光方法开展研究,并开发出专用抛光工具和机械.花纹蚀 刻技术和工艺水平提升较 近年来开展很快的模具加工技术.国内已有一些公司引进了高速铣床,并开始应 用.国内机床厂陆续开发出一些准高速的铣床,并正开发高速加工机床.但是, 高速铳削的应用面在国内尚不广泛° 三*中国模具工业和技术的开展前景 ⑴ 1999年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为 330亿元,今后几年仍将 以每年10%以上的速度增长.对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将 远超过每年10% 将占国内模具市场的一 半左右.1999年,国内汽车年产量为183万辆,.保有量为1500万辆,预计到 2005年汽车年产量将达300万辆.汽车、摩托车行业的开展将会大大推动模具 工业的高速增长,特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的开展.例如, 到2005年汽车行业将需要各种塑料件 36万吨,而目前的生产水平仅为20多万 吨,因此开展空间+分广阔U 家用电器,如彩电 冰箱 洗衣机、空调等,在 国内的市场很大.目前,我国的彩电的年产量已超过 3200万台,电冰箱、洗衣 机和空调的年产量均超过了 1000万台.家用电器行业的开展对模具的需求量也 将会很大.其他开展较快的行业,如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求, 都将对中国模具工业和技术的开展产生巨大的推动作用.早在1989年,在国 务院颂布的?关于当前产业政策要点的决定?中,模具被列为机械工业技术改造 序列的首位.1997年以来,又相继把模具及其加工技术和设备列入?当前国家 重点鼓励开展的产业、产品和技术目录?和?鼓励外商投资产业目录?.经国务 院批准,从1997年开始对局部模具企业实行了增值税返还 70%的优惠政策.所 有这些国家对模具工业采取的优惠政策也将对其开展提供有力支持. ⑵ 虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速开展, 但与国外工业兴旺 国家相比仍存在较大差距,尚不能完全满足国民经济高速开展的需求. 未来的十 年,中国模具工业和技术的主要开展方向包括： 提升大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平, 在模具设计制造中广泛应用 cad/cae/caM术； 大力开展快速制造成形和快速制造模具技术； 在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术, 提升模具标准化水平和模具标准件的使用率； 开展优质模具材料和 逐步推广高速铳削在模具加工的应用; 进一步研究开发模具的抛光技术和设备. 研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程； 开发新的成形工艺和模具C 模具设计和加工技术的开展方向 时间： 2007-11-13 内容提要： 模具制造技术可分为五个开展阶段, 我国目前主要以数字限制阶段为 主.CAD/CA及CAP嗣KBE技术是模具设计技术的开展方向.软件方面今后将 需要有多方面的开展. 模具加工有许多方法, 其中金属切削加工和电加工是最主 要的方法.高速铣削、电火花加工、快速原型制造和快速制模、超精加工和微细 加工、复合加工、外表处理、研磨抛光及模具CAM/DN技术等都是模具加工技术 的开展方向, 它们各有其开展趋势. 同时,包括治理在内的模具制造综合技术方 面的一些开展方向也十分重要. 从技术角度来看, 模具制造 〔包括设计和加工〕 技术大致可分为五个开展阶 段：手工操作阶段、手工操作加机械化〔普通通用机床与工具〕阶段、数字限制 阶段、计算机化阶段和CAD/CAE/CAI信息网络技术一体化阶段.我国幅员辽阔, 模具制造企业众多, 技术开展水平参差不齐, 各个阶段同时并存, 但目前主要以 数字限制阶段为主. 有些骨干重点企业已开展到了计算机化阶段. 但同时也还有 不少企业仍停留在手工操作加机械化阶段.纯粹手工操作阶段根本上已成为历 史,CAD/CAE/CAI信息网络技术一体化阶段刚刚初露端倪.就大多数模具制造企 业而言,今后的开展方向应以提升数控化和计算机化水平为主, 积极采用高新技 术,逐步走向CAD/CAE/CAI信息网络技术一体化.模具无纸化制造将逐渐替代传 统的设计和加工. 一、模具设计技术的开展方向 模具设计是决定模具开发制造能否成功的先决条件. 模具设计技术大多依赖 个人的经验积累. 模具设计长期以来一直依靠人的经验和机械制图来完成. 自从 二十世纪八十年代我国开展模具计算机辅助设计〔CAD技术以来,这项技术已 被大家认可, 并且得到了越来越快的开展, 已在模具制造中显示出了巨大的优越 性.九十年代开始开展的模具计算机辅助工程分析〔 CAE技术现在也已有许多 企业应用, 它对缩短模具制造周期及提升模具质量有着显著的作用. 一些工业发 达国家的模具企业应用CAD技术已从二维设计开展到三维设计,而且三维设计已 达 70%以上.我国大局部企业还停留在二维设计的水平上,能进行三维设计的企 业还不到20% CAE软件的应用国外已较普遍,国内应用还比较少,而且在用于 预测零件成形过程中可能发生的缺陷方面水平还比较低. 模具设计技术及CAD和CAE软件今后应在以下几方面得到开展,不断提升其 水平. 1、 模具设计资料库和知识库系统. 2、 模具工程规划及方案设计. 3、 模具材料和标准件的合理选用. 4、模具刚性、强度、流道及冷却通路的设计. 5、塑料模具塑料成形过程的各种模拟分析〔如注塑成形包括塑料充模、保压、 冷却、翘曲、收缩、纤维取向等模拟分析〕、热传导和冷却过程的分析、凝固及 结构应力分析等.计算浇注系统及模腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速 率场和剪切应力场的分布并分析其结果是非常复杂和非常费时间的. 这一模拟技 术已从中面流技术开展到了双面流技术, 不久即可开展到既正确又快速的实体流 技术,产生满足塑料件虚拟制造要求的三维注塑流动模拟软件. 中国塑料模具 网 6、冲压模金属成形过程的模拟、起趋及破裂分析、应力应变和回弹分析等. 中 国塑料模具网 7、压铸模压铸件成形流动模拟、热传导及凝固分析等. 8、锻模锻件成形过程模拟及金属流动和充填分析等. 9、提升设计和分析软件的快速性、智能化和集成化水平,并强化它们的功能, 以适应模具的不断开展. 除了模具CAD/CAE技术之外,模具工艺设计也非常重要.计算机辅助工艺设 计〔CAPP技术已在我国模具企业中开始应用.由于大局部模具都是单件生产, 其工艺规程有别于批量生产的产品,因此应用 CAPP技术难度较大,也很难有适 应于各类模具和不同模具企业的 CAPP软件.为了较好地应用CAPPJ术,模具企 业自身必须搞好开发和研究.虽然 CAPP技术的应用和推广难度要比CAD和CAE 难得多,但这也是一个开展方向,应予重视. 基于知识的工程〔KBE技术近年来已越来越受到重视.它是面向现代设计决策 自动化的重要工具,已成为促进工程设计智能化的重要途径. KBE技术作为一种 新型的智能设计思想,将对模具的智能、优化设计产生重要的影响. 二、模具加工技术的开展方向 在我国,模具共分 10大类 46 小类.不同类型的模具具有不同的加工方法. 同类模具也可以用不同加工技术去完成. 模具加工的工作量主要集中在模具型面 加工、外表加工和装配. 它们的加工方法主要有精密铸造、金属切削加工、电火 花加工、电化学加工、 激光及其他高能波束加工及集二种以上加工方法为一体的 复合加工等.数控和计算机技术的不断开展使它们在计多模具加工方法中得到了 越来越广泛的应用. 在工业产品品种多样化、 个性化越来越明显, 产品更新换代 越来越快,市场竞争越来越剧烈的情况下,用户对模具制造的要求是交货期短、 精度高、质量好、价格低.这就给模具加工技术提出了开展方向.目前已比较明 显的开展方向主要有以下几方面. 1、高速铣削技术的进一步开展及其推广应用 近年来我国模具制造业中的一些骨干重点企业先后引进了高速铣床和高速 加工中央, 它们已在模具加工中发挥了很好的作用. 国外高速加工机床主轴最高 转速有的已超过100000r/min,快速进给速度可达120m/min,加速度可达1-2g, 换刀时间可提升到1-2s.这样就可大幅度提升加工效率,并可获得 Re 1卩m的 加工外表粗糙度,可切削60HRC以上的高硬度材料,形成了对电火花成形加工的 挑战.随着主轴转速的提升,机床结构及其所配置的系统及关键部件和零配件、 刀具等都必须要有相应的匹配,从而使机床造价大为提升.因此在一定时间内, 我国模具企业进口的高速加工机床主轴最高转速仍将以 10000-20000r/min 为 主,少数会到达 40000r/min 左右.虽然向更高转速开展是一个方向,但目前最 主要的还是推广应用. 高速加工是切削加工工艺的革命性变革. 从技术开展角度 看,高速铣削正与超精加工、干硬切削加工相结合,开辟了以铣代磨的新天地, 并极大地减轻了模具的研抛工作量, 缩短了模具制造周期. 因此可以预计, 我国 模具企业将会越来越多地应用高速铣削技术.虚拟主轴并联机床和 3D激光6轴 铣床的诞生及开放式限制系统的应用更为高速加工增添了光荣. 中国塑料模具 网 2、 电火花加工技术的不断开展 电火花加工〔EDM虽然已受到高速铣削的严峻挑战,但是 EDMi术的一些 固有特性和独特的加工方法是高速铣削所不能完全替代的.例如模具的复杂型 面、深窄小型腔、尖角、窄缝、沟漕、深坑等处的加工, EDMt其无可比较的优 点.虽然高速铣削也能局部满足上述加工要求,但本钱要比 EDMS得多.对于 HRC60以上的高硬材料,EDMS比HSMK本低.同时较之铣削加工,EDM更易实 现自动化.复杂、精密小型腔及微细型腔和去除刀痕、完成尖角、窄缝、沟漕、 深坑加工及花纹加工等将是今后 EDM应用的重点.为了在模具加工中进一步发挥 其独特的作用,以下几方面是 EDM勺今后开展方向. 不断提升EDM的效率、自动化程度和加工的外表完整性. EDM设备的精密化和大型化. EDMS备良好的加工稳定性、容易操作及优良的性能价格比. 满足不同要求的高效节能及反电解等新型脉冲电源的研发, 电源波形检测其及 处理和限制技术的开展. 高性能综合技术专家系统的研发及 EDM智能化技术的不断开展和自适应性控 制、模糊限制、多轴联动限制、电极自动交换、双线自动切换、防电解作用及放 电能量分配等技术的进一步开展. 混粉加工等镜面光亮加工技术的开展. 微细EDM^术的开展.包括三维微细轮廓的数控电火花铣削加工和微细电火花 磨削及微细电火花加工技术等. WED中的人工智能技术的运用、走丝系统和穿丝技术的改良等方面. 电火花铣削加工技术及机床和 EDMto工中央〔包括成型机和线切割机〕将得到 开展. 作为可持续开展战略,绿色EDM新技术是未来重要开展趋势. 3、 快速原型制造和快速制模〔RPM/RMT技术将得到更快更好的开展 模具未来的最大竞争因素是如何快速地制造出用户所需求的模具. RPh技术 可直接或间接用于RMT金属模具快速制造技术的目标是直接制造可用于工业化 生产的高精度耐久金属硬模. 间接法制模的关键技术是开发短流程工艺、 减少精 度损失、低本钱的层积和外表光整技术的集成. RPMJ术与RMT技术的结合,将 是传统快速制模技术〔如中低熔点合金铸造、喷涂、电铸、精铸、层叠、橡胶浇 固等〕进一步深入开展的方向.RPMJ术与陶瓷型精密铸造相结合,为模具型腔 精铸成形提供了新途径.应用RPM/RM技术,从模具的概念设计到制造完成, 仅 为传统加工方法所需时间的 1/3 和本钱的 1/4 左右,因而具有广阔的开展前景. 要进一步提升RMT技术的竞争力,需要开发数据加工数据生成更容易、高精度、 尺寸及材料限制小的直接快速制造金属模具的方法. 4、 超精加工、微细加工和复合加工技术 随着模具向精密化和大型化方向开展,超精加工、微细加工和集电、化学、超声 波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到开展. 目前超精加工已可稳定到达 亚微米级,纳米精度的超精加工技术也已被应用到生产中. 电加工、电化学加工、 束流加工等多种加工技术已成为微细加工

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