喻楠霖 李英利

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院，湖南 長沙 410208;2.江蘇常州職業(yè)技術學院化工系，江蘇 常州 213164)

模具工業(yè)與技術的發(fā)展狀況

喻楠霖1李英利2

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院，湖南 長沙 410208;2.江蘇常州職業(yè)技術學院化工系，江蘇 常州 213164)

論述了國內外模具行業(yè)設計與制造技術的現(xiàn)狀，分析了模具發(fā)展的態(tài)勢，指出了我國模具行業(yè)和發(fā)達國家的主要差距，最后預測了我國模具行業(yè)的發(fā)展趨勢。

模具;設計;制造;發(fā)展趨勢

一、我國模具產業(yè)概況

模具是工業(yè)生產的基礎裝備，被稱為“工業(yè)之母”。75%的粗加工工業(yè)產品零件、50%的精加工零件由模具成型，絕大部分塑料制品也由模具成型。作為國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)，模具涉及機械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個行業(yè)，應用范圍十分廣泛。模具技術水平的高低，在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力，因此模具工業(yè)的發(fā)展水平標志著一個國家工業(yè)水平及產品開發(fā)能力。

雖然這些年來，中國模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度發(fā)展，年模具生產總量僅次于日、美之后位居世界第三位。2007年上半年模具進口量和出口量分別為9.47億美元和5.95億美元。我國模具生產點多數(shù)是自產自用的模具車間(分廠)，商品化模具僅占1/3左右。從模具市場來看，國內的模具生產仍供不應求，約20%左右靠進口，特別是精密、大型、復雜和長壽命的高檔模具進口比例高達到40%。由此可見，雖然我們模具總量目前達到相當規(guī)模，模具水平也有很大提高，但在模具產品和生產工藝水平總體上要比德、美、日、法、意等發(fā)達國家至少落后十年，也比英國、加拿大、西班牙、葡萄牙、韓國、新加坡等國落后。此外，模具的標準化、專業(yè)化、商品化程度低，模具配料及模具相關技術比較落后，也是造成與國外先進水平差距大的重要原因。CAD/CAE/CAM一體化先進技術已經(jīng)在國內部分模具企業(yè)得到應用，但要得到推廣和普及還要很長一段時間。

近年來，國有模具企業(yè)、三資企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(個體)模具企業(yè)有了很大發(fā)展。但企業(yè)組織結構、產品結構、技術結構和進出口結構都不夠合理。專業(yè)模具廠大多數(shù)是“大而全”、“小而全”的組織形式。而國外模具企業(yè)大多是“小而?！?、“小而精”。中國模具自產自配比例高達50%以上。國外70%以上是商品模具。國內模具總量中屬大型、精密、復雜、長壽命模具的比例只有30%左右，國外在50%以上，而模具生產周期卻要比國際先進水平長許多。產品水平低主要表現(xiàn)在精度、型腔表面粗糙度、壽命及模具的復雜程度上;工藝水平低主要表現(xiàn)在設計、加工、工藝裝1備等方面。中國模具企業(yè)技術人員比例較低，水平也較低，不重視產品開發(fā)，在市場中常處于被動地位。國內每個職工平均每年創(chuàng)造模具產值約合1萬美元左右，而模具工業(yè)發(fā)達國家大多是15～20萬美元，有的甚至達到25～30萬美元。國外先進國家模具標準件使用覆蓋率達70%以上，國內模具標準件使用覆蓋率只有45%左右。與國際先進水平相比，模具企業(yè)的管理落后更甚于技術。管理落后易被忽視，國內大多數(shù)模具企業(yè)還沿用過去作坊式粗放經(jīng)營管理模式.真正實現(xiàn)現(xiàn)代化企業(yè)管理的還不多。

綜上所述，雖然中國模具工業(yè)在過去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展.但許多方面與工業(yè)發(fā)達國家相比仍有較大的差距。特別在大型、精密、復雜和長壽命模具技術上存在明顯差距，這些類型模具的生產能力也不能滿足國內需求，因而需要大量從國外進口。

二、我國模具技術水平概況

模具制造方法包括直接成型和堆積涂層。以去除部分材料的方法為主，其中以電加工為主的特種加工和使用最多的機械切削加工。模具的傳統(tǒng)機械加工，大多采用普通切削速度仿型銑、數(shù)控銑或者電火花加工方法進行粗加工和半精加工，然后通過曲線磨削、電火花加工以及人工完成精加工。

近年來，我國模具行業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，技術水平也有了顯著提高，但是與發(fā)達國家相比，在設計、制造、人才、管理等方面仍存在較大差距，中低檔模具生產能力相對過剩，高檔模具生產能力相對較小。

1.模具設計技術

模具設計長期以來一直依靠人的經(jīng)驗和機械制圖來完成，隨著國民經(jīng)濟和生產技術的不斷發(fā)展以及計算機設計技術的開發(fā)，模具設計有了新的發(fā)展方向。

CAD/CAE/CAM技術應用。CAD繪圖技術的出現(xiàn)給模具設計工作帶來極大的方便。CAD系統(tǒng)在模具設計中得到了廣泛應用，部分模具企業(yè)應用CAD技術已從二維設計發(fā)展到三維設計，而且三維設計已達70%以上?，F(xiàn)階段使用最多的主要有“Pro/E、UG、Cimatron”等軟件，這類軟件具有易用性、高效率、實用性的特點。此外，從20世紀90年代開始發(fā)展的模具計算機輔助工程分析(CAE)技術、計算機輔助制造(CAM)技術現(xiàn)在也已有許多企業(yè)應用，這對于縮短模具制造周期及提高模具質量有顯著的作用。

2.先進制造技術(AMT)在模具中的應用

(1)快速原型制造(RPM)技術;

RPM技術在模具制造領域的應用主要是制作模具設計制造過程中所用的母模，有時也用于直接制造模具。RPM技術可分為直接快速模具與間接快速模具技術。如SL、LOM、SLS、SDM。其優(yōu)點是制造環(huán)節(jié)簡單，能夠較充分地發(fā)揮其技術優(yōu)勢;對于那些需要復雜形狀的內流道冷卻模具與零件，采用直接RT(由RP直接制造出使用模具的技術稱為直接RT技術)有著其他方法不能替代的獨特優(yōu)勢。

間接快速模具制造，通過快速原型技術與傳統(tǒng)的模具翻制技術相結合制造模具。一方面可以較好地控制模具的精度、表面質量、機械性能與使用壽命，另一方面也可以滿足經(jīng)濟性的要求。如基于噴射的成型技術，如FCM、3DP、快速精密鑄造模具等。RP各成形工藝都是基于離散—疊加原理而實現(xiàn)快速加工原型或零件，如圖1。

圖1 快速原型技術產品開發(fā)的一般過程

(2)虛擬制造技術(VMT)

圖2 虛擬制造技術的一般過程

虛擬制造是采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在計算機上實現(xiàn)產品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、品質檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等的產品制造全過程，是一種通過計算機虛擬模型來模擬生產各場景和預估產品功能、性能及加工性能等各方面可能存在的問題，從而提高人們的預測和決策水平。虛擬制造技術是以三維建模和仿真技術為基礎，以虛擬現(xiàn)實技術為支撐的全新的技術(圖2)。

(3)反求工程技術(RE)

隨著檢測技術的發(fā)展，將現(xiàn)代測量技術不斷融入模具產品設計中，進一步推動了模具制造產品快速制造的能力。反求工程是以設計方法學為指導，以現(xiàn)代化設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，通過對存在實物模型或零件進行測量，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進行重構設計的過程(圖3)。

圖3 模具反求工程的一般過程

(4)有限元仿真、模擬技術的應用

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，融合了CAD、數(shù)值計算、CAM、CG等各類技術的數(shù)值模擬技術——有限元分析，逐步應用在模具的設計制造中。數(shù)值模擬技術通用或專用的軟件各類很多. 如 DYN 一3D、OPTRIS、ANSYS、MARC、ANAQUAS、ALGOR等?？芍庇^地在計算機屏幕上觀察到材料變形和流動的詳細過程，了解材料的應變分布、材料厚度變化、破裂及皺曲的形成。設計人員根據(jù)已有的經(jīng)驗來調整模具參數(shù)及成型工藝、修改毛料形狀和尺寸，極大縮短試模和修模時間，有效地提高產品質量和生產效率(圖4)。

圖4 有限元模擬的一般過程

(5)模具中其他的先進制造技術

除了上述模具先進制造技術，還有模具微細加丁、模具納米加工、模具微型機械加工、模具的敏捷制造技術、模具柔性制造技術、模具集成制造技術、模具企業(yè)網(wǎng)絡制造聯(lián)盟技術、模具制造CAPP技術、模具的智能制造技術等。模具制造技術種類繁多，大部分的先進制造技術都可以應用到模具制造中，而且在不斷發(fā)展。

三、模具行業(yè)及模具技術發(fā)展趨勢

汽車、摩托車行業(yè)的發(fā)展大大地推動模具工業(yè)的高速增長，特別是汽車覆蓋件模具、塑料模具和壓鑄模具的發(fā)展。例如，2005年汽車行業(yè)需要各種塑料件45.5萬噸，到2010年需求將達72.2萬噸，發(fā)展空間十分廣闊。家用電器，如彩電、冰箱、洗衣機、空調等，在國內的市場很大。目前，我國的彩電的年產量已超過4000萬臺，電冰箱、洗衣機和空調的年產量均超過了1500萬臺。電子、通訊和建筑材料等行業(yè)對模具的需求，都將對中國模具工業(yè)和技術的發(fā)展產生巨大的推動作用。未來我國模具行業(yè)的趨勢是:

1.越來越多的新技術地運用到模具生產中去。

高速加工(High Speed Machining，簡稱HSM)技術引入模具行業(yè)。高速切削是以高切削速度、高進給速度和高加工質量為主要特征的加工技術，其加工效率比傳統(tǒng)的切削工藝要高幾倍，甚至十幾倍。目前，歐美模具企業(yè)在生產中廣泛應用數(shù)控高速銑.三軸聯(lián)動的比較多，也有一些是五軸聯(lián)動的，轉數(shù)一般在1.5萬～3萬r/min。采用高速銑削技術，可大大縮短制模時間。同時，工件在高速加工過程中溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質量好，提高了模具精度。研究表明，對于一般復雜程度的模具，經(jīng)高速銑削精加工后的模具型面.僅需略加拋光便可使用，節(jié)省了大量修磨、拋光的時間，HSM加工時間可減少30% 以上。更新和增加數(shù)控高速銑床，是模具企業(yè)設備投資的重點之一。

2.標準件的應用將日益廣泛。

模具標準化及模具標準件的應用將極大地影響模具制造周期，還能提高模具的質量和降低模具制造成本。

3.大力開展并行工程，快速響應市場需要。

在國際上.模具工業(yè)是公認的關鍵工業(yè)，目前我國已成為世貿組織的新成員，各類產品都需要提高質量降低成本，首先要解決模具設計制造周期，最大限度地縮短各生產環(huán)節(jié)間的時間。模具設計與制造過程的正確方法是并行工程的方法。實施模具制造并行工程模式將逐漸取代傳統(tǒng)工作模式成為模具制造業(yè)中新的主導模式。

4.模具檢測、加工設備向精密高效和多功能方向發(fā)展。

模具向著精密、復雜、大型的方向發(fā)展，對檢測設備的要求越來越高。如高精度三坐標測量機具有數(shù)字化掃描功能。實現(xiàn)了從測量實物——建立數(shù)學模型——輸出工程圖紙——模具制造全過程。加工設備也向著數(shù)字化、自動化、柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

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Mould Industry and Technology Development

YU Lan－lin，LI Ying－li
(1.Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，Hunan;2.Jiangsu Changzhou Polytechnic.Changzhou 213164，Jiangsu)

discussed the status of Mold design and manufacturing technology industry domestic and abroad，.analysed the development trend of the mold，point out China’s mold industry and the gap between the developed countries，finally predict the development trends of China’s mold industry.

mold design;manufact development trends

T012

A

1671－5004(2010)03－0008－03

2010－05－10

喻楠霖 (1982－)，女，湖南長沙人，湖南工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院實驗教師，助教，湖南大學材料學院在讀工程碩士，主要從事材料成型研究。