浅析：我国冲压模具现状及发展趋势

zj2635

一、现状
    改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。

    浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。

& `6 m0 W; t5 u; U- d% o    随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定企业的生存空间。

    近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE软件，并成功应用于冲压模的设计中。

  W/ U$ X8 B+ G+ Q    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、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。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。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。
( k6 c2 D" y" X( n% u9 I0 }* h
  s3 p. N4 _* \3 z5 S7 w7 v    例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件，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/CAM软件，上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥有不少的用户。

    虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达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比较低；CAD/CAE/CAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
1 v- [" n) R8 }9 l! Q$ l5 E
- u7 q, o' m* C' `! _    二、未来冲压模具制造技术发展趋势

    模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。达到这一要求急需发展如下几项：

    (1)全面推广CAD/CAM/CAE技术模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。随着微机软件的发展和进步，普及CAD/CAM/CAE技术的条件已基本成熟，各企业将加大CAD/CAM技术培训和技术服务的力度；进一步扩大CAE技术的应用范围。计算机和网络的发展正使CAD/CAM/CAE技术跨地区、跨企业、跨院所地在整个行业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。
* N/ s4 Y* i" U
' W( E5 S# |$ t+ u- i8 [& D  (2)高速铣削加工国外近年来发展的高速铣削加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的表面光洁度。另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。高速铣削加工技术的发展，对汽车、家电行业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、集成化方向发展。

+ V/ b/ ], ]  g1 A8 V    (3)模具扫描及数字化系统高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。有些快速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序、不同格式的CAD数据，用于模具制造业的“逆向工程”。模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在“十五”期间将发挥更大的作用。  
& y" I( [# D# y" Q2 ^3 w
  N' Z5 C0 s- {8 @: K  D    (4)电火花铣削加工电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控铣一样)，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。

    (5)提高模具标准化程度我国模具标准化程度正在不断提高，估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到30%左右。国外发达国家一般为80%左右。
1 \5 k0 r6 D7 h2 \# ~
, S, x2 s8 n! y, t6 d( B    (6)优质材料及先进表面处理技术选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善应发展工艺先进的气相沉积(TiN、TiC等)、等离子喷涂等技术。  
. D& C6 l8 X% Q
    (7)模具研磨抛光将自动化、智能化模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是重要的发展趋势。  

    (8)模具自动加工系统的发展这是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；有完整的机具、刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统；有质量监测控制系统。

    CNC雕刻机在国内的发展上从最近的一两年才有较大的发展，相关加工厂和使用单位时刻以敏锐的眼光盯着厂家的动向，这也是身为雕铣机主机生产厂一点也不敢松懈的真正原因所在。
7 H8 b# Z4 v# j) M) [
- R+ b7 T: Y4 b    作为用户当然要选合适的设备，如果选型不当，不但不能赚钱反而令陷入为机器打工的苦涩局面。那么什么样的机床才是好机床？
9 D8 b& ~4 W- L5 E4 ^- {
' u: X/ k5 C; B4 b: d& w    我们认为好机床的定义是这样的：
# E; B& I$ [0 x7 [7 ~
    能够在短期内收回投资的机床才是好机床。

    数控机床的设计使用寿命一般为7年，主要是数控方面的使用寿命为准，这样花钱和挣钱的比例关系将直接影响您的生意，所以仔细分析功能进行选型是有效投资的必要条件。
  C0 H4 }# n; n  T
    在国外很早就有雕铣机的名词(CNCengravingandmillingmachine)，严格地讲雕是铣的一部分，是购买雕刻机还是购买数控铣式加工中心是经常要问自己的问题。另外，还有目前盛行的高速切削机床(HSCMACHINE)。还是让我们首先搞清楚三个机型区别：1、数控铣和加工中心用于完成较大铣削量的工件的加工设备2、数控雕铣机用于完成较小铣削量，或软金属的加工设备3、高速切削机床用于完成中等铣削量，并且把铣削后的打磨量降为最低的加工设备  

% I8 F: M  u+ w! A+ V5 N, Z    深入分析上述设备的结构可以帮我们做出正确的选择     

    一、从机械角度

' L( X8 v+ G% ]% r$ w    机床的机械分为两个部分，移动部分和不移动部分：工作台，滑板，十字花台等为移动部分，床座，立柱等为非移动部分
4 y: k* X4 R2 a
    1、数控铣加工中心：

    非移动部分钢性要求非常好移动部分钢性要求非常好优点：能进行重切削；缺点：由于移动部分同样庞大，牺牲了机床灵活性，对于细小的部分和快速进给无能为力。

    2、数控雕铣机

8 a9 \' d0 t$ M( Q    非移动部分钢性要求好移动部分钢性要以灵活为前题下，尽可能的轻一些，同时保持一定的钢性。优点：可进行比较细小的加工，加工精度高。对于软金属可进行高速加工；缺点：由于钢性差所以不可能进行重切削。

+ c* J. q8 K: C* M" Q4 i+ p    3、高速切削机床   

    非移动部分钢性要求非常好移动部分钢性要求比较好，而且尽可能的轻巧。优点：能进行中小量的切削(例一般φ10的平底刀，对于45号钢(300)深切深度以0.75为好)；缺点：正确使用下能发挥高效，低成本，使打磨量变为极少。不正确使用，马上就会使刀具的废品堆积如山。
+ t0 `$ c9 z; _! `1 y
    如何从机械上做到上面又轻、刚性又好矛盾的要求，关键在于机械结构上的功夫。

1 u! O1 w- K. N: G4 }$ L8 r2 |/ w    1、床体采用高低筋配合的网状架构，有的直接采用蜂巢的相接的内六角网状结构2、超宽的立柱和横梁，大家知道龙门式的结构由于其极好的对称性和极佳的钢性被高速切削设备厂家一直做为首选结构。3、对于移动部分有与数控铣显著的不同之处是加宽了很多导轨与导轨之间的距离，以克服不良力矩的问题。4、从材料上讲一般采用了米汉那铸铁，也就是孕育铸铁，在浇注铁水时加入一定比例的硅(Si)从而改变了铁的内部结构，使之更加耐冲压，刚性上有显著提高。5、机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨、丝杆要求粗一些，以及加强连接部分刚性。

zj2635

二、从数控角度分析

    1、数控铣加工中心对数控系统要求速度一般，主轴转速0-8000RPM左右2、雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速3000-30000RPM左右3、高速切削机床要求高速的数控系统以及极好的伺服电机特性，主轴转速1500-30000RPM左右

    三、编程软件上分析

     
; ]( ]; ~6 u3 Y1 y
0 u' w* ]5 E1 `5 d  `7 W    从软件的角度上讲，数控铣加工中心，高速切削机床雕铣机都可以使用标准的CAD/CAM软件如：MasterCamCimatronPEUG等。
) T; {& N# M7 u. m$ M
    铣床通常以为Cimatron刀路较好一点，新版的软件充分考究到刀具的每时每刻的切削量的均匀性，尤其是刀进入走出工作的一刻的速度和圆滑性，以及在拐点的跟随差算法问题(followingError)，使结果和设计图形更加贴进，CAD部分刚大量采用直观的三维实体造型如Solidworks等再通过IGS等转入CAM软件进行加工。不过不用担心，CAD/CAM的发展速度远胜于机床的CNC的发展速度。
' p: x' P0 \  B- t5 {" G
' v$ J; z" S! |4 N7 W    雕刻加工因其刀具的特殊性的有相当的细小的角度控制，用TYPE3为好。
+ \6 H  r6 O5 |& R6 z
4 I5 D' U- o+ A! e    四、刀库自动换刀和全自动对刀要求
: y. x/ E' _% h  ]1 _# C
  M/ D! @) Z3 [# q* e: S    加工中心是一个体面的名词，但我觉得对刀库的要求一定要结合实际。
/ W- ^1 ^) H3 ?( i6 F
3 N0 A8 n* m( z- H- S    加工中心是为了完成多种工序于自动状态的数控设备，主要是对于一些固定的大批量的生产作业，如果我们加工一个很多孔、牙的箱体，而且要天天做差不多的(一批量最小2百个以上)那就一定选加工中心，对于模具行业和小批量生产单位千万不要动不动就上加工中心，因为见过太多的厂家买加工中心，当数控铣来使用，使用刀库对数控系统的成本上来讲很简单，但主轴和刀库、空压机以及各种刀柄等会增加成本，所以对于一台设备的差价大于10万元人民币，而且编程人员要头脑清醒。不然悲剧就会发生，问题也相对增多了不少。效率上如何，对于生产量同一品种不到一、二百个的工件尽量不要使用加工中心，效率太低。
- R" y% L2 c6 f9 i
    有什么好办法提高效率，不使用刀库，又不会造成人为的换刀误差，只有全自动对刀系统，刀往上一装，一个按钮，机床自动对刀，直接加工，误差在0.001-.0003μm内,与自动换时间来比,慢不了一点效率。如果是加工中心又无自动对刀装置机床与不带刀库，但是自动对刀的机床相比，实践中的效率后者远高于前者。又好请您注意自动对刀仪的最好品牌的价格如(Marposs)不过一万元左右，而且不太可能损坏，如此分析对于劳动力大把的国内模具加工，以及小批量工业零件的加工如果充分考虑资金的利用价值一定不应采用加工中心设备，另外，国内厂家的刀库基本上还很多问题。进口的也相当贵。(BT40的10把刀库不会低于10万人民币)。
; N2 |9 {7 U. y8 {, S
; z! [: w. O9 N% d    五、高速切削设备的看法
8 e  y4 i% @3 a0 G6 m3 q3 r" `
& N+ L' @. ^. B* h, W    精明的加工商一定会大量时间考虑机床的准备时间和人员的人为因素所造成的损失，我们永远记住不用在这方面提醒他们。而我们该做的是如何从机床的加工时间上来给他们更高的加工效率，以及进可能的降低他们的打磨时间。甚至零打磨。高速切削设备的闪亮登场是让加工商砰然心动的事件。先不要考虑其昂贵的造价(150万左右)，单从使用上讲我认为一定是那句老话：它对有些人来讲是一块香香的肉，对另外一些人来讲是剧毒的毒药，日本人以及欧洲人不遗余力的宣传高速切削的好处而让人采用他们的设备。当然有些不实用的做法。在数控机床行业8年内实战经验告诉我他们的成本应在60-70万左右。如此之高的利润率是让我看到了他们的本质。国内的数控机床的毛利应为(30-40%)之间。这是合理的，正直的利润。如果您愿意维护他们高利润我想在相同时间就不可能挣更多的钱。更要考虑到售后服务等等。我不敢相信他们的服务可以在1-2天内解决所有的问题。因为我们现有的科技还不能实现"固体传真"。
  o2 z) B5 K  p
+ ?. ^& Z- F7 j4 N从振兴民族工业的角度上看应该支持国内机床厂的发展。高速切削的本质是把刀具的行走的长度在短时间内走完。
5 T7 `9 O4 h$ V# J8 D0 Y
    刀具的说明已经固定国切削的方式决定长了就意味着无利可图提高速度就等于把时间缩短。
! V: C, i1 \$ t
    高速切削因当前的机床本身的主轴和采用的刀具的限制决定了它不可能是一定好，目前国外通用的做法是第一台设备不采用高速切削，而第二台或第三台则可考虑这种设备。
. `3 e1 h' Q7 f7 X, r3 e
# g. F/ Q! L, z- C    成功的做法例如：
/ I, y6 f; v" l% {! b
; |! [# \+ k7 ]    1台仿形铣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机床上快速完成，这样做有很多好处：
% Y, c9 F' \! g5 g7 C5 E7 N- t
# d! a+ b( y7 e' M) J- U$ I) s    1)重切削机床很多，加工费很低2)加工量大，精度要求不高极易达到3)刀具便宜4)转入高速切削后，因为加工对象已接近成形，所以第一刀的切削量很均匀5)成形快速准确6)免太多打磨，配合尺寸精确7)刀具虽贵，但时间短，切削量不大，性能价格比率很好8)很多细微之处，如小角度导度等，细致加工一次完成而不用电火花帮快，9)极好的表面光洁度(镜面效果)

3 @+ L" U& Z3 e& E  r    如此看来，设备的协调本是取胜之道，因为它的剩余量有2-3个mm所以在工作台上XY上做两个校准G54的档板就完成工件装夹的问题，而对于切削量不大的工件则直接在高速机床完成了。

# f! ^4 D* {) |2 W2 y    六、还有一个问题要讨论是主轴的问题

    对于数控铣和加工中心因为要求低转速大扭据，所以一定需要主轴变速箱来的减速比来提升扭力的转速低而精度差是不可避免的，所以不大可能用小半径刀具。对于雕铣机来说要主轴工作在2-3万RPM才可工作，回转精度一般2个μ左右，不然断刀现象全很严重，所以一定要用电主轴，即电机和主轴是一体的。对于高速切削设备来讲，要求内藏式电主轴，而且在低转速时也要用一定的扭矩要有油水冷却机来保持主轴工作温度恒定主轴功率要在7.5-8KW以上,转速要超过25000RPM。