浅谈机械模具技术的现状及未来发展趋势

浅谈机械模具技术的现状及未来发展趋势

摘要：随着中国科技与经济的高速发展，机械模具技术涉及到国民工业经济的方方面面，在工业生产中起着举足轻重的作用。机械模具技术作为多科学技术融合发展的产物，受计算机等技术的影响，创新化、信息化、智能化以及一体化趋势越发明显，其应用促进了机械模具生产制造领域的深刻变革。本文对我国模具技术水平的现状和发展过程中的特点加以论述和总结，在对机械模具技术发展背景作出简要论述的基础上，深入剖析了机械模具技术的现状，对机械模具技术的未来发展趋势进行了探究。

关键词：模具技术；现状；发展趋势

Abstract: With the rapid development of Chinese science and technology and economy, mechanical mould technology involves all aspects of national industrial economy and plays a pivotal role in industrial production. As the product of multi-science and technology fusion development, mechanical mould technology is influenced by computer technology, innovation, informatization, intellectualization and integration trend become more and more obvious, its application promotes the profound transformation in the manufacturing field of mechanical mould. In view of the current situation of mechanical mould technology, it has great improvement in comparison with traditional process, but there are still many objective problems in application. In the future, the mechanical mould technology has a great development space, and its related research has attracted much attention from all circles of society. This paper summarizes the basic conception and development process of mould technology, and makes a brief exposition on the background of the development of mechanical mould technology, analyzes the actuality of mechanical mould technology, and probes into the future development trend of mechanical mould technology.

Keywords: mould technology; actuality; development trend

1 引言

近几十年来，机械模具行业在我国的发展十分迅速，并在整个工业领域占据着越来越重要的地位。由机械模具生产出来的零部件优点众多，如低成本、高精度、高效率等。目前，很多发达国家都深刻认识到机械模具工业发展的重要性，并将之视为国家进入富裕社会的源动力，加大了政府支持力度。与国际形势接轨，我国也日渐加大了对机械模具技术发展的重视和发展，这点由蓬勃发展的机械模具企业数量不难看出。据相关调查数据结果显示，我国迄今为止模具总产量已居于世界前三位，自主制造水平、模具标准化程度等虽有显著提高，但与发达国家仍存在不小差异。新时期，为了进一步夯实我国机械模具在国际市场中的地位，必须要重视机械模具技术发展，致力于一体化创新，从而提高国家工业综合实力。

2 机械模具技术发展背景

在机械工业愈加发达的今天，模具技术作为其他工业生产设备的基础，在我国市场经济发展中占据着越来越重要的地位。可以说，在当代社会经济结构中，机械模具技术水平直接反应了一个国家的工业生产实力，其发展显得至关重要。自改革开放以来，我国在各个领域都进行了深刻变革，机械模具行业也因此迈入了高速发展阶段。我国机械模具自产自配的比例远远高于国外，组织形式多样，所生产的标准件几乎占据国外覆盖率的三分之一。但是，相比于国外小而专的特点，我国机械模具的精密、复杂程度及寿命时长还存在较大差距，在未来的市场竞争环境中并不占优。因而，深度剖析机械模具技术现状，加快机械模具技术发展，对促进我国工业发展至关重要。

3 发展现状

伴随着中国科技的进步，机械模具技术有了巨大的提升。随着工业科技的发展，计算机在机械模具制造中的应用越来越广泛，并成为了机械模具工业制造改革的关键技术，大大提高了工业生产质量和效率。时至今日，计算机软件支持下的机械模具 CAD 技术、CAE 技术以及 CAM 技术高度集成，显著缩短了机械模具设计与制造周期，从某种意义上而言，其应用带动了整个市场经济的快速发展。

3.1 CAD/CAM/CAE技术的一体化

模具的计算机辅助设计与制造已经在很大程度上在很多模具制造企业得到应用与普及。模具设计与制造一体化可以达到优化设计的目的,是最合理的模具设计与生产方式,这已经成为大家的共识。三维设计既可用于建模,又可为数控加工提供NC程序,提高了加工效率和质量。为了提高模具设计的科学性和合理性,用数值模拟手段对零件的成形性进行模拟仿真(CAE分析),在模具设计时进行工艺分析,提出合理的工艺方案和模具结构。目前,无论是大型金属覆盖件成形、复杂零件的锻造成形,还是各类塑件成型或组合成形,不管零件多大、多复杂,或是多小、多精密,其成形过程一般都可以进行模拟,这是设计与加工紧密联系的不可或缺的手段。Dynaform、Ansys、MSC.、Modflow、华塑CAD等商用软件得到越来越广泛的应用。CAD/CAM/CAE技术的集成化、三维化、智能化和网络化,让用户在统一的环境下协同作业,充分发挥各单元的优势和功能,达到效益最大化。目前国内众多模具企业中,CAD/ CAM技术已经广泛使用,但CAD/ CAM/ CAE一体化技术的应用还需要大力促进和推广。

3.2 满足汽车模具结构的大型化和复杂化要求采用新技术

汽车工业的发展,促进了新款式、新车型的更新速度加快,带动和提升了大型、复杂结构模具的设计与制造技术水平。面临汽车模具的开发周期越来越短、技术含量和制造精度越来越高的挑战,汽车覆盖件模具设计制造中近年来采用了许多新的技术。在工艺设计中大量应用模拟仿真技术成为不可缺少的工具。通过模拟分析,提前发现覆盖件成形中的问题,如起皱、开裂、回弹等,通过工艺补偿和参数调整,找到解决问题的方法和措施。CAE技术的发展方向是零件回弹分析和工艺参数自动优化以及材料参数库的补充与完整,如高强钢、超高强度钢的特性参数,在一些模拟软件的材料特性参数库中还很缺乏。三维模具设计在国外已经是十分普遍的技术,特别是应用在汽车覆盖件等大型、复杂模具设计中。三维模具实体设计能对模具结构进行真实的描述,进行静态和动态干涉检查,确保模具结构设计的合理性。国内一些大型汽车模具企业已经或正在逐步做到这一点,与国外的技术水平差距在缩小。

3.3 高速铣削在模具加工中的应用

高速铣削在模具加工中得到推广应用,国外已经出现主轴转速达100 000 r/ min的高速铣,国内也有主轴转速达到60 000 r/min的高速铣。刀具快速进给的速度可以达到30～40m/ min,加工零件的表面粗糙度值达到Ra≤10μm,形状精度达10μm以下,可以加工材料硬度60HRC以上。高速加工时的温升低、切削力小、热变形小,表面残留应力小,是高精密、高品质模具的重要加工手段。当前,多工位级进模、精密冲模、高光注射模加工的尺寸精度已达到3μm,甚至有0.3～0.5μm的超精模具,高速铣削已经成为模具不可或缺的加工工具。

3.4 热流道技术、气辅成型技术、高压注射技术在注射模中的应用

热流道技术是使用元器件对模具加热,使通过流道和浇口的塑料保持熔融状态,提高注射成型塑件的品质,节省原材料和节约能源。目前该技术已在国内注塑企业中得到广泛应用。

气体辅助注射成型是一项新的工艺。气体辅助注射一般采用氮气辅助注射,与常规的注射成型相比,其注射压力较小,熔体流动性好,制品翘曲变形较小,易于成型壁厚差较大的制品,成型的塑件表面质量好。该技术已在汽车和家电模具中得到应用。最近,气体辅助注射成型中的一项新的技术是高压注射成型,其原理是利用高压气体在塑件内部产生中空截面,利用气体保压代替塑料注射保压,消除制品缩痕,完成注射成型过程。

3.5纳米模具技术微细成型

纳米技术是在纳米尺度内,通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊性能。纳米技术最简单的应用是用纳米模具作为生产工具。

(1)精度及尺寸达到纳米级的模具,例如纳米碳管、纳米塑料模具

碳纳米管是中空的碳纤维,直径在几纳米到几十个纳米之间,长度为数毫米,甚至数微米。纳米级塑料模具由日本住友电工公司研制成功,该模具可生产精度达纳米级的细微零件,是使用波长极短的辐射波制作完成的。波长仅0.5 nm,比在半导体加工过程中经常使用的紫外线激光的波长(约为380nm)短得多,适于进行精细加工。该公司使用辐射波制成塑料模具,将模具泡在电镀液里,然后从电镀液中析出金属,在模具中形成精细零件,产品的精度可在30～50 nm间调整。使用这种技术制造的金属弹簧探针长3mm,直径仅0.03mm,用来检查半导体元件。

（2）在模具表面涂覆一层纳米级薄膜材料,以增加模具强度,减少模具磨损,提高模具寿命

例如,在挤压筒的内表面、工作带等易磨损部位进行陶瓷纳米复合薄膜涂覆处理,纳米薄膜的致密性和高强度既能抗磨损,又能提高工模具的强度。在模具型腔表面涂上纳米润滑剂,在加工温度范围内具有足够的黏性和表面吸附能力,具有摩擦因数低、高稳定性和抗腐蚀性能力,可以增强材料的可加工性。该技术在国内已有应用。

3.6逆向工程技术

逆向工程(RE)又叫反向工程或反求工程。高速、高精度检测仪器的应用和数据处理技术的发展,使得逆向工程在新产品开发、模具设计与制造中得到充分的发挥。它与传统的设计方法和理念不同,通过对实物或零件进行扫描测量和数据处理,获得零件的几何信息,再通过CAD造型得到零件的几何模型,经对零件的几何模型进行数据重构来满足其功能和结构的设计要求,最终确定零件的形状,然后经由CAM编程,直接加工出零件的成形模。整个过程充分体现了设计者的理念和设计思想、设计经验和创新思维。

3.7模具热处理与表面强化技术

模具热处理与表面强化是提高模具零件强度与硬度、改善其表面组织、确保使用寿命的关键,是影响模具材料性能发挥的关键环节。模具热处理技术主要从渗入单一元素向多元共渗、复合渗方向发展;由一般扩散向CVD、PVD离子渗入、离子注射方向发展,热处理手段向真空热处理发展,采用的覆膜有TiC、TiN、TiAlN、CrN、W2C等。其他新的表面强化技术也得到重视和应用,如激光强化、辉光离子氮化技术等。高能束激光相变硬化技术对汽车覆盖件模具特别有效,除提高模具型腔的表面硬度外,还能减小模具的变形,因而提高产品质量。如某微型车前隔板拉深模,材料为CrMo铸铁,原工艺为表面火焰淬火,硬度为40～ 46HRC,型腔硬度不够,容易被拉伤,模具返修率高。经激光表面处理后,型腔表面硬度提高到55～ 65HRC,硬化层的有效深度达0.55～ 0.7mm,达到使用要求,模具使用寿命明显提高。

4 机械模具技术的未来发展趋势

建立在CAM/ CAPP基础上的先进模具加工技术和现代制造技术相结合,提高模具加工的自动化水平。推广与普及信息化网络技术,集成PDM、ERP、MIS系统与Internet平台,让模具公共信息服务平台真正发挥作用。攻克超高速、超高精度模具的加工技术难关,模具精度达到± 0.001 mm,主轴转速超过100 000 r/min的高速加工,完全实现镜面加工。重点发展大型、精密、复杂、组合、多功能复合模具和高速多工位级进模具。突破在航空航天、高速铁路、轨道交通、新能源等领域要求的高强、高速、高韧、耐高温、高耐磨性材料的成形工艺及模具制造上的技术难题。

积极参与模具行业国际化环境下的竞争,开发拥有自主知识产权、具有较高水平的模具设计、加工及管理软件,不断提高软件的智能化、集成化程度,并在各类模具企业中得到推广和应用。

符合发展低碳经济的节能、节材的模具制造技术,模具热处理、表面光整加工和表面处理新技术。

微纳米成型加工技术,考虑尺度效应、温度与环境效应的微成型模具的设计与加工技术。

5 结论

近十几年来,我国模具工业与装备工业都得到了快速发展,我国模具技术水平也上升到一个新的高度,与工业发达国家的模具设计与制造水平的差距在逐步缩小。作为高科技含量的模具技术,创新是永恒的主题。围绕未来模具发展重点和我国模具行业“十二五”发展规划,努力提高模具行业的自主创新能力,用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平,是模具行业的重要任务。

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