我國模具制造技術特點與趨勢分析

中國產業(yè)研究報告網訊

    內容提示：隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發(fā)能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一，模具制造技術現已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。

    一、現狀

    改革開放以來，隨著國民經濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。近年來，模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展，模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發(fā)展。

    浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團紛紛建立了自己的模具制造中心；中外合資和外商獨資的模具企業(yè)現已有幾千家。

    隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發(fā)能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一，模具制造技術現已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。

    近年許多模具企業(yè)加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。一些國內模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開始使用UG、 Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件，個別廠家還引進了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、 Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應用于沖壓模的設計中。

    以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發(fā)。經過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步；在提高模具質量和縮短模具設計制造周期等方面做出了貢獻。

    例如，吉林大學汽車覆蓋件成型技術所獨立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學模具技術國家重點實驗室開發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級進模CAD/CAE/CAM軟件，上海交通大學模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件等在國內模具行業(yè)擁有不少的用戶。

    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。例如，精密加工設備在模具加工設備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術的普及率不高；許多先進的模具技術應用不夠廣泛等等，致使相當一部分大型、精密、復雜和長壽命模具依賴進口。

    二、未來沖壓模具制造技術發(fā)展趨勢

    模具技術的發(fā)展應該為適應模具產品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。達到這一要求急需發(fā)展如下幾項：

    (1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM /CAE技術的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度；進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網絡的發(fā)展正使CAD /CAM/CAE技術跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實現技術資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。
    (2)高速銑削加工國外近年來發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點。高速銑削加工技術的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。

    (3)模具掃描及數字化系統(tǒng)高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能，大大縮短了模具的在研制制造周期。有些快速掃描系統(tǒng)，可快速安裝在已有的數控銑床及加工中心上，實現快速數據采集、自動生成各種不同數控系統(tǒng)的加工程序、不同格式的CAD數據，用于模具制造業(yè)的 “逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應用，相信在“十五”期間將發(fā)揮更大的作用。

    (4)電火花銑削加工電火花銑削加工技術也稱為電火花創(chuàng)成加工技術，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術，它是有高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工(像數控銑一樣)，因此不再需要制造復雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用。預計這一技術將得到發(fā)展。

    (5)提高模具標準化程度我國模具標準化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。

    (6)優(yōu)質材料及先進表面處理技術選用優(yōu)質鋼材和應用相應的表面處理技術來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等)、等離子噴涂等技術。

    (7)模具研磨拋光將自動化、智能化模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現有手工操作，以提高模具表面質量是重要的發(fā)展趨勢。

    (8)模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展這是我國長遠發(fā)展的目標。模具自動加工系統(tǒng)應有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數控庫；有完整的數控柔性同步系統(tǒng)；有質量監(jiān)測控制系統(tǒng)。

    CNC雕刻機在國內的發(fā)展上從最近的一兩年才有較大的發(fā)展，相關加工廠和使用單位時刻以敏銳的眼光盯著廠家的動向，這也是身為雕銑機主機生產廠一點也不敢松懈的真正原因所在。

    作為用戶當然要選合適的設備，如果選型不當，不但不能賺錢反而令陷入為機器打工的苦澀局面。那么什么樣的機床才是好機床？

    我們認為好機床的定義是這樣的：

    能夠在短期內收回投資的機床才是好機床。

    數控機床的設計使用壽命一般為7年，主要是數控方面的使用壽命為準，這樣花錢和掙錢的比例關系將直接影響您的生意，所以仔細分析功能進行選型是有效投資的必要條件。

    在國外很早就有雕銑機的名詞(CNCengravingandmillingmachine)，嚴格地講雕是銑的一部分，是購買雕刻機還是購買數控銑式加工中心是經常要問自己的問題。另外，還有目前盛行的高速切削機床(HSCMACHINE)。還是讓我們首先搞清楚三個機型區(qū)別：

    1、數控銑和加工中心用于完成較大銑削量的工件的加工設備2、數控雕銑機用于完成較小銑削量，或軟金屬的加工設備3、高速切削機床用于完成中等銑削量，并且把銑削后的打磨量降為最低的加工設備

    深入分析上述設備的結構可以幫我們做出正確的選擇

    一、從機械角度

    機床的機械分為兩個部分，移動部分和不移動部分：工作臺，滑板，十字花臺等為移動部分，床座，立柱等為非移動部分

    1、數控銑加工中心：

    非移動部分鋼性要求非常好移動部分鋼性要求非常好優(yōu)點：能進行重切削；缺點：由于移動部分同樣龐大，犧牲了機床靈活性，對于細小的部分和快速進給無能為力。

    2、數控雕銑機

    非移動部分鋼性要求好移動部分鋼性要以靈活為前題下，盡可能的輕一些，同時保持一定的鋼性。優(yōu)點：可進行比較細小的加工，加工精度高。對于軟金屬可進行高速加工；缺點：由于鋼性差所以不可能進行重切削。

    3、高速切削機床

    非移動部分鋼性要求非常好移動部分鋼性要求比較好，而且盡可能的輕巧。優(yōu)點：能進行中小量的切削(例一般φ10的平底刀，對于45號鋼(300)深切深度以0.75為好)；缺點：正確使用下能發(fā)揮高效，低成本，使打磨量變?yōu)闃O少。不正確使用，馬上就會使刀具的廢品堆積如山。

    如何從機械上做到上面又輕、剛性又好矛盾的要求，關鍵在于機械結構上的功夫。

    1、床體采用高低筋配合的網狀架構，有的直接采用蜂巢的相接的內六角網狀結構2、超寬的立柱和橫梁，大家知道龍門式的結構由于其極好的對稱性和極佳的鋼性被高速切削設備廠家一直做為首選結構。3、對于移動部分有與數控銑顯著的不同之處是加寬了很多導軌與導軌之間的距離，以克服不良力矩的問題。4、從材料上講一般采用了米漢那鑄鐵，也就是孕育鑄鐵，在澆注鐵水時加入一定比例的硅(Si)從而改變了鐵的內部結構，使之更加耐沖壓，剛性上有顯著提高。5、機床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強大沖擊，所以導軌、絲桿要求粗一些，以及加強連接部分剛性。

    二、從數控角度分析

    1、數控銑加工中心對數控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉速0-8000RPM左右2、雕銑機要求高速的數控系統(tǒng)，主軸轉速3000-30000RPM左右3、高速切削機床要求高速的數控系統(tǒng)以及極好的伺服電機特性，主軸轉速1500-30000RPM左右

    三、編程軟件上分析

    從軟件的角度上講，數控銑加工中心，高速切削機床雕銑機都可以使用標準的CAD/CAM軟件如：MasterCamCimatronPEUG等。

    銑床通常以為Cimatron刀路較好一點，新版的軟件充分考究到刀具的每時每刻的切削量的均勻性，尤其是刀進入走出工作的一刻的速度和圓滑性，以及在拐點的跟隨差算法問題(followingError)，使結果和設計圖形更加貼進，CAD部分剛大量采用直觀的三維實體造型如Solidworks等再通過IGS等轉入CAM軟件進行加工。不過不用擔心，CAD/CAM的發(fā)展速度遠勝于機床的CNC的發(fā)展速度。

    雕刻加工因其刀具的特殊性的有相當的細小的角度控制，用TYPE3為好。

    四、刀庫自動換刀和全自動對刀要求

    加工中心是一個體面的名詞，但我覺得對刀庫的要求一定要結合實際。

    加工中心是為了完成多種工序于自動狀態(tài)的數控設備，主要是對于一些固定的大批量的生產作業(yè)，如果我們加工一個很多孔、牙的箱體，而且要天天做差不多的(一批量最小2百個以上)那就一定選加工中心，對于模具行業(yè)和小批量生產單位千萬不要動不動就上加工中心，因為見過太多的廠家買加工中心，當數控銑來使用，使用刀庫對數控系統(tǒng)的成本上來講很簡單，但主軸和刀庫、空壓機以及各種刀柄等會增加成本，所以對于一臺設備的差價大于10萬元人民幣，而且編程人員要頭腦清醒。不然悲劇就會發(fā)生，問題也相對增多了不少。效率上如何，對于生產量同一品種不到一、二百個的工件盡量不要使用加工中心，效率太低。

    有什么好辦法提高效率，不使用刀庫，又不會造成人為的換刀誤差，只有全自動對刀系統(tǒng)，刀往上一裝，一個按鈕，機床自動對刀，直接加工，誤差在 0.001-.0003μm內,與自動換時間來比,慢不了一點效率。如果是加工中心又無自動對刀裝置機床與不帶刀庫，但是自動對刀的機床相比，實踐中的效率后者遠高于前者。又好請您注意自動對刀儀的最好品牌的價格如(Marposs)不過一萬元左右，而且不太可能損壞，如此分析對于勞動力大把的國內模具加工，以及小批量工業(yè)零件的加工如果充分考慮資金的利用價值一定不應采用加工中心設備，另外，國內廠家的刀庫基本上還很多問題。進口的也相當貴。(BT40 的10把刀庫不會低于10萬人民幣)。

    五、高速切削設備的看法

    精明的加工商一定會大量時間考慮機床的準備時間和人員的人為因素所造成的損失，我們永遠記住不用在這方面提醒他們。而我們該做的是如何從機床的加工時間上來給他們更高的加工效率，以及進可能的降低他們的打磨時間。甚至零打磨。高速切削設備的閃亮登場是讓加工商砰然心動的事件。先不要考慮其昂貴的造價 (150萬左右)，單從使用上講我認為一定是那句老話：它對有些人來講是一塊香香的肉，對另外一些人來講是劇毒的毒藥，日本人以及歐洲人不遺余力的宣傳高速切削的好處而讓人采用他們的設備。當然有些不實用的做法。在數控機床行業(yè)8年內實戰(zhàn)經驗告訴我他們的成本應在60-70萬左右。如此之高的利潤率是讓我看到了他們的本質。國內的數控機床的毛利應為(30-40%)之間。這是合理的，正直的利潤。如果您愿意維護他們高利潤我想在相同時間就不可能掙更多的錢。更要考慮到售后服務等等。我不敢相信他們的服務可以在1-2天內解決所有的問題。因為我們現有的科技還不能實現"固體傳真"。

    從振興民族工業(yè)的角度上看應該支持國內機床廠的發(fā)展。高速切削的本質是把刀具的行走的長度在短時間內走完。

    刀具的說明已經固定國切削的方式決定長了就意味著無利可圖提高速度就等于把時間縮短。

    高速切削因當前的機床本身的主軸和采用的刀具的限制決定了它不可能是一定好，目前國外通用的做法是第一臺設備不采用高速切削，而第二臺或第三臺則可考慮這種設備。

    成功的做法例如：

    1臺仿形銑把大部分切削量完成(重切削)而剩于2-3mm的加工余量，把剩余的切削量在高速機床上快速完成，這樣做有很多好處：

    1)重切削機床很多，加工費很低2)加工量大，精度要求不高極易達到3)刀具便宜4)轉入高速切削后，因為加工對象已接近成形，所以第一刀的切削量很均勻 5)成形快速準確6)免太多打磨，配合尺寸精確7)刀具雖貴，但時間短，切削量不大，性能價格比率很好8)很多細微之處，如小角度導度等，細致加工一次完成而不用電火花幫快，9)極好的表面光潔度(鏡面效果)

    如此看來，設備的協調本是取勝之道，因為它的剩余量有2-3個mm所以在工作臺上XY上做兩個校準G54的檔板就完成工件裝夾的問題，而對于切削量不大的工件則直接在高速機床完成了。

    六、還有一個問題要討論是主軸的問題

    對于數控銑和加工中心因為要求低轉速大扭據，所以一定需要主軸變速箱來的減速比來提升扭力的轉速低而精度差是不可避免的，所以不大可能用小半徑刀具。對于雕銑機來說要主軸工作在2-3萬RPM才可工作，回轉精度一般2個μ左右，不然斷刀現象全很嚴重，所以一定要用電主軸，即電機和主軸是一體的。對于高速切削設備來講，要求內藏式電主軸，而且在低轉速時也要用一定的扭矩要有油水冷卻機來保持主軸工作溫度恒定主軸功率要在7.5-8KW以上,轉速要超過 25000RPM。