第一章 现代模具技术概论0831.docx
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第一章现代模具技术概论0831
第一章现代模具技术概论
模具计算机辅助设计，简称模具CAD（ComputerAidedDesign）；模具计算机辅助工程，简称模具CAE（ComputerAidedEngineering）；模具计算机辅助制造，简称模具CAM（ComputerAidedManufacturing）。
纵观国内外模具工业的发展，模具CAD/CAE/CAM技术是现代模具技术最重要的组成部分，同时也是改造传统模具技术的关键。
模具CAD/CAE/CAM的一体化及软件的宜人化、集成化、智能化、网络化是现代模具技术发展的必然趋势。
本章重点介绍现代模具技术的概念和CAD/CAE/CAM系统集成的相关知识。
1.1现代模具技术发展概述
在现代机械制造业中，模具行业为许多行业起着强有力的支撑作用。
随着DMC2010（第十三届中国国际模具技术和设备展览会）的召开，许多现代模具的新产品和新技术得以宣传并得到广泛的应用。
特别是在汽车、家电行业、航天航空领域，甚至IT、医疗器械、轨道交通等电子专用装备及新兴产业配套领域，现代模具技术更是起着举足轻重的作用。
模具制造能力的强弱和水平的高低是衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。
1.1.1国内模具工业发展概述
1.中国模具工业的发展现状
20世纪80年代以来，中国模具工业迅速发展，国家也投入数千万元的研发经费，形成近百项技术成果。
目前，中国国内共有模具生产企业（厂、点）约3万多个，从业人员近100万人，全球模具产量达1000亿元人民币。
中国模具工业在国民GDP的比重也呈逐年增加的趋势，具体情况见表1.1。
表1.1中国模具工业进出口情况
年份
生产厂家
产值
（亿元）
进口模具
（亿美元）
出口模具
（亿美元）
2000
17000
280
9.77
1.74
2001
17000
310
11.12
1.88
2002
17000
360
12.72
2.52
2003
20000
450
13.69
3.37
2004
20000
530
18.13
4.91
2005
30000
610
20.68
7.38
2006
30000
710
20.47
10.41
2007
30000
720
20.53
14.13
2008
30000
950
20.4
19.22
2009
30000
980
19.6
18.43
2010（4月底）
30000
1000
20
19
在现代模具工业总产值中，冲压模约占37%，塑料模约占43%，铸造模（包含压铸模）约为10%，锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具约占10%，如图1.1所示。
与工业发达国家的模具类别比例基本一致。
图1.1我国模具比例分配
模具具体生产状况如下。
1）冲模（StampingDie）
使金属或非金属板材或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备称为冲模。
在整个机电产品制造中冲压工艺应用非常广泛，而冲模是实现冲压工艺最主要工艺装备。
因此，冲模在机械制造业中占有重要的地位。
近年来多工位级进模和多功能模具发展十分迅速，特别是精冲技术及精冲模具CAD系统的研究成为冲压技术一个新的发展领域。
冲模的生产过程包括从原材料通过铸造、锻造、切削加工和特种加工等加工成设计图样所要求的冲模零件，再按设计、工艺规程的技术要求，将冲模零件装配成模具的过程。
其中精冲具有优质、高效及低消耗的特点，在钟表、仪器仪表、精密机械、摩托车和汽车等现代工业中得到了广泛的应用。
图1.2为通过冲模得到的典型的冲模产品实体零件。
图1.2典型的冲模产品
提高冲模技术水平可从两个方面入手，一方面是提高所体现的冲压工艺水平，开发冲压新工艺；另一方面是通过采用计算机技术（冲模CAD、CAE、CAM技术）和先进制造技术（数控多轴联动加工中心、CNC高精度电火花和线切割加工、CNC点位坐标镗、坐标磨和连续轨迹坐标磨等）提高冲模设计和制造的水平。
目前，基于变异模板的三维冷冲模CAD系统的研制成功，在全面系统地总结汽车配件冷冲模设计中各个组成部分的设计特征与变化特点的基础上，以参数化、变量化的零部件设计为先导，以模板的可变异组装逻辑为手段，解决冷冲压模具中落料、冲孔、弯曲、拉深、切断、压形、翻边、压印八种工艺和落料冲孔、落料拉深、冲孔拉深三种复合模的计算机辅助设计，包括输入制件处理、模具零件三维造型、平面图输出、模板修改、模板复合五个模块。
软件独创了一套具有丰富语法结构的TDL模板设计语言，将模板技术灵活地运用于模具CAD系统中，通过统一性的模板修改丰富了模板变异的内涵，使系统具有良好的可扩展性。
在处理三维制件时，从逻辑块分离出物理块，进而得到制件信息的分离算法。
冷冲模CAD专家系统，采用专家系统技术、CAD技术、面向对象技术、图形识别技术、数据库技术、优化方法等，在Windows98/NT平台上以AutoCADR14.0为支撑软件，以C++ObjectARX、Au-toLISP、VFP为开发工具，实现了冲裁模、拉深模、挤压模工艺设计和模具结构设计，可明显降低生产成本，提高生产效率，延长模具寿命。
2）汽车大型覆盖件模具（AutomotiveLargeCoverDie）
汽车大型覆盖件是指汽车车身或驾驶室，覆盖发动机和盘底的薄金属板料制成的异形体零件。
随着汽车行业的发展壮大，汽车大型覆盖件模具也越来越受到人们的关注。
近年来，无论是新建的企业还是经过技术改造的老企业，在汽车大型覆盖件的生产上，大量采用了先进的数控技术。
包括三轴至五轴的高速加工机床、大型龙门式加工中心和数控铣床、大型的测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。
生产汽车覆盖件模具的水平和能力已经大大提高。
企业使用三维CAD的已越来越多，有的企业已经达到百分之百的应用。
与此同时，CAE技术也得到广泛应用。
数字化制造、逆向工程、并行工程、灵敏制造、精益生产等先进技术也已在汽车覆盖件模具生产中得到了应用，并产生了良好效果。
在模具厂普遍采用CAPP虽然有很大难度，但也不乏成功的例子，如图1.3为汽车覆盖件的模型图。
图1.3汽车模具覆盖件的模型
一批留学美国和加拿大并在美国汽车模具行业从业多年的技术人员在重庆组建了DSI数码模系统（重庆）有限公司，创建和应用了数码模技术。
这项技术依靠先进模具与冲压工艺的设计和模拟技术相结合的模具专家系统，将推进国内传统的制模方式向计算机技术为支撑的模具工程方向转变的进程，对缩短模具生产周期及降低成本，将起到很好的作用。
一些企业已实现了CAD/CAE/CAPP/CAM一体化，提升了企业的综合水平。
其生产流程如图1.4所示。
其它如测量技术、表面涂镀技术、综合检具工装、标准化应用以及快速成型技术与快速经济模具成功结合，取得了不小的进步。
2010预计汽车覆盖件模具行业增速将达20％，汽车覆盖件模具的市场容量将达95～105亿元。
1.4覆盖件模具生产流程图
3）塑料模（PlasticMould）
塑料模是指用塑料（一般为环氧树脂）制成的模样。
或以其他材料为基体表面覆盖一层塑料的复合材料模。
我国塑料模具发展迅速，目前塑料模具在整个模具行业中所占比重约为30％，在模具进出口中的比重高达50％～70％。
随着中国机械、汽车、家电、电子信息和建筑建材等国民经济支柱产业的快速发展，这一比例还将持续提高。
制造一款普通轿车约需200多副内饰件模具，制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具仅约50％能够满足。
塑料建材大量替代传统材料也成为趋势，预计2010年全国塑料门窗和塑管普及率将达到30％～50％，塑料排水管市场占有率将超过50％，这些都会大大增加对模具的需求，生活中典型的塑料模具制品如图1.5所示。
图1.5典型的塑料模具制品
模具市场的总体趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具的发展速度将高于其它模具。
在模具行业中的比例将逐步提高。
目前我国塑料模具在高技术驱动和支柱产业需求的推动下，形成了一个巨大的产业链，从上游的原辅材料工业和加工、检测设备到下游的机械、汽车、摩托车、家电、电子通信、建筑建材等几大应用产业，塑料模具发展一片生机。
目前塑料制品的应用日渐广泛，为塑料模具提供了一个广阔的市场，同时对模具也提出了更高的要求，大型化、高精度、多功能复合型的模具将受到青睐。
与此同时，建筑、家电、汽车等行业对塑料模具的需求量都很大。
据估计，仅汽车、摩托车行业每年就需要100多亿元的模具，彩电模具每年也有约28亿元的市场。
4）压铸模（DieCastingMould）
压铸模是指将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却凝固成形的精密铸造方法。
压铸模具比例也呈现逐年增大的趋势。
很据中国模具工业协会经营管理委员会编制的《全国模具专业厂今本情况》统计，压铸模具约占各类模具总产值的5%，年增长速度高达25%。
2006年全国压铸件的总产量就已经突破100万吨，年产值达480亿。
压铸模生产发展趋势向着精密、复杂、大型模具方向发展，缩短模具的制造周期，提高模具的加工质量。
现代产品更新换代加速、竞争激烈、缩短模具制造周期、提高压铸模质量是一项紧迫的任务，需要应用先进的制造技术作为保障。
随着对铸件性能要求的不断提高，压铸工艺也向新的方向拓展，主要有以下几种：
（1）真空压铸
（2）充氧压铸
（3）定向抽气充氧压铸
（4）气流负压压铸
（5）双压射冲头压铸
（6）黑色金属压铸
（7）半固态金属压铸等
计算机辅助工程在压铸中的应用成为提高压铸技术水平的重要途径，目前计算机在压铸领域研究的重点是半固态过程、低压铸造过程、压铸充型过程的数值模拟。
5）模具标准件（MoldstandardParts）
模具标准化程度和应用水平是衡量模具工业水平的重要标志。
模具的标准化程度决定着产品的质量、效率和效益。
工业较为发达的国家，对标准化工作都十分重视，我国也在逐步加强模具的标准化程度。
但我国模具的标准化程度和应用水平还比较低，乐观地估计不足30%，目前我国共发布了90多项标准，其中冲模标准22项、塑料模具标准20余项，与国外工业发达国家70～80%相比，尚有较大的差距。
现在生产销售厂家虽然逐年增加，但大多数是规模小、设备陈旧、工艺落后、成本高、效益低。
只有普通中小型标准冲模模架和塑料模模架、导柱、导套、推杆、模具弹簧、气动元件等产品，商品化程度较高，可基本满足国内市场的需求，并有部分出口。
据有关资料统计，采用专业化生产的标准件比自制标准件其配合精度和位置精度将至少提高一个数量级，并可保证互换性，提高模具的使用寿命，进而促进行业内部经济体制、经营机制以及产业结构和生产治理方面的改革，实现专业化和规模化生产，并带动模具标准件商品市场的形成与发展。
广泛应用标准件可缩短设计制造周期达25～40%；可节约由于使用者自制标准件所造成的社会工时，减少原材料及能源的浪费；可为模具CAD/CAM等现代技术的应用奠定基础；可显著提高模具的制造精度和使用性能。
2.中国模具技术的发展方向
现代模具与传统模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，是传统的模具制造方法无法实现的，必须借助于现代化科学技术的发展，采用先进制造技术，才能达到技术要求。
根据国家“十二五”发展规划提供的资料，未来十年，中国模具工业和模具技术的主要发展方向将包括：
1）超大型、超精密、长寿命、高效模具。
2）多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化。
3）为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术。
4）模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化、CAD/CAE/CAM/CAPP以PDM/PLM/ERP等智能化、集成化和网络化。
5）更高性能及满足特殊用途的模具新材料及先进的加工方法。
6）各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺。
7）逆向工程、并行工程、复合加工及虚拟技术。
8）热流道技术、气辅和其它注射成型工艺及模具技术。
9）模具标准化。
10）“绿色模具”即模具从结构设计、原材料选用、制造工艺、模具修复和
报废，以及在模具的回收利用等方面考虑其节约资源、重复使用、利于环保等可持续发展这一趋势。
3.我国与国外模具行业的差距
我国的模具行业与国外的差距见表1.2。
表1.2我国模具行业与国外模具行业的差距
国际
国内
生
产
加
工
型腔
加工
基本上采用数控加工，高速铣削应用普遍
基本上采用数控加工，高速铣削应用普遍
CAD/
CAE/CAM
技术
基本普及
基本普及
三坐标测量
已普及应用
已普及应用
制
造
精
度
（μm）
塑料模
0.005～0.01
0.02～0.05
压铸模
0.01～0.03
0.02～0.05
冷冲模
0.002～0.005
0.005～0.01
锻模
0.002～0.003
0.005～0.01
级进模
0.00023～0.0005
0.0003～0.001
生
产
周
期
汽车覆盖件模具
半年左右
半年左右
大型塑
料模具
3～4个月
4～5个月
高精度
多工位
级进模
2～4个月
2～4个月
模具寿命
同类同档次模具与外基本持平，部分还需逐步提高
标准化程度
70%以上，标准件品种规格多、质量高、交货块
10%以下，标准件品种规格少、质量低、交货期长
专业化水平
专业厂生产的商品模具占行业总产值的70%以上
专业厂生产的商品模具占行业总产值的60%～80%
经济效益
工业先进国家20～30万美元/年﹒人
市场份额1200亿元
4.我国模具行业发展的制约因素
近年来我国模具行业虽然一直在不断发展壮大，但是在发展中也存在着许多不容忽略的潜在问题。
例如：
国内产品大多只能列入科技含量比较低的中低端产品，而我国现在广泛需要的汽车及零部件生产、航天航空等领域的高端模具则大多需要从美国、德国、日本等国外企业购买。
我们的行业发展还需要加强进一步的完善，使国内的企业逐步具有生产高端模具的能力。
我国模具行业的制约因素主要体现在企业结构不合理、缺乏战略联盟和服务平台不完善。
1.1.2国外模具工业发展概述
根据亚洲模具协会联盟的综合统计，国外主要模具生产国包括亚洲地区的日本、欧洲地区的德国、美洲地区的美国、意大利、葡萄牙等。
国外的主要模具生产国家和地区如下：
1.日本
20世纪末日本的模具产值一度位居世界第一位，约占全球的40％，但由于近几年亚洲其他国家和地区模具工业大规模发展，成本的增加和技术竞争力的增强，日本模具产业产值逐年减少，到2007年日本模具的年需求降到4100亿日元左右，价格也下降了近20％。
但日本模具产业仍然代表了世界级的技术水平，并在高精密加工技术方面下足了功夫，以与一般模具区别，把创造高附加值的加工产品作为日本模具业的努力方向。
日本模具日本共有模具消费厂约10000家，其中20人以下的占91%以上。
日本塑料模具、粉末冶金模具、压铸模具增长分明，冲压模具和锻造模具则绝对呈增加趋向。
模具的技巧开发重要向高精度、高速率、短命命、复杂、大型、一体化和高功能诸方面开展。
2.德国
德国拥有世界先进的汽车、船舶等制造技巧，是世界上重要的制造大国之一。
受下游行业需求影响，德国模具在世界上具有较为紧要的位置。
由于德国预将技术含量较高的制造业作为其立国之本，估计未来德国将增强技术含量较高的模具的研究和开发。
3.美国
近年来，受全球经济危机的影响，美国制造业陷入困境，制造业开始向全球转移。
但是美国模具制造业在数控机床方面实力比较雄厚，它首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上一直处于领先地位。
2006年全美专用工具，模具和装卡具总收入约82.9亿美元，总利润24.88%，计20.6亿美元。
进出口总值14.3亿美元。
主要贸易国为：
日本、加拿大、德国、墨西哥中国等。
4.意大利
塑料橡胶加工机械和模具制造行业是意大利机械制造联盟十个专用机械制造行业之一，拥有500余项欧洲专利，专业化程度高，技术领先，产品多样。
其产值占到机械制造联盟十个行业总产值的16.5%，国内市场销售额占20%，出口进口分别占13.8%、15%，贸易余额占13.4%。
根据意大利塑料橡胶加工机械和模具制造行业协会数据显示，2006年意大利塑料橡胶加工机械和模具制造业实现产值38亿欧元。
5.葡萄牙
葡萄牙模具工业发展始于1943年，在注塑模具行业处于领先地位。
在1980年的时候，葡萄牙的模具产品就已经远销50多个国家。
目前葡萄牙模具拥有企业300家，以中小型企业为主，大部分集中在马里尼亚﹒格兰特和奥利维拉﹒德﹒阿泽麦伊斯两个城市。
总从业人口7500人。
葡萄模具工业整体水平的提高主要依赖于技术发展、合理生产和质量控制计划、不断更新设备和加强专业技术投资等因素。
随着技术的发展和日益完善，葡萄牙模具企业专业化程度不断提高，不少企业已经逐步实现向模胚、抛光、大型模具和高精度模具等特定专业领域发展。
1.1.3现代模具技术发展趋势
为了适应信息社会和经济全球化不断发展的进程，模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。
伴随着产品技术含量的不断提高，模具生产向着信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展，具体的发展趋势如下：
1.模具日趋大型化
一方面是由于用模具成型的零件日渐大型化，另一方面是由于生产效率要求发展一模多腔。
2.模具标准件的应用将日渐广泛
推进模具标准件大批量规模化生产，搞好模具标准件的产需衔接，促进模具标准件使用覆盖率的不断提高和行业的不断发展。
扩大模具标准件的品种，提高其精度，提高生产集中度，实现大规模生产。
3.推广应用高速、高精加工技术并研制相应设备
高速高精加工包括高速高精切削加工和高速高精电加工及复合加工等。
在未来15年左右的时间里，我国机床行业应向模具行业逐步提供适合于模具高速高精加工的相应设备，如有可能，建议开发拥有自主知识产权、精度能达到0.0001mm的高精度模具制造设备。
4.大力发展和推广信息化、数字化技术
例如逆向工程、并行工程、敏捷制造技术的研发及推广应用；包括大型级进模及高精密和高复杂性的高技术含量的先进模具三维设计和制造技术的研发；包括冲压工艺设计系统、模具型面设计系统、成形分析系统、模具结构设计系统、模具CAM系统和冲压专家咨询系统的车身模具数字化设计制造系统的研发；模具的集成、柔性及自动加工技术和网络虚拟技术等。
5.模具制造新工艺、新技术
模具制造的节能、节材技术，模具热处理、表面光整加工和表面处理新技术等。
6.加强产学研合作，推进模具行业科技攻关工作
建议政府有关部门建立模具发展基金，用以模具行业共性技术的开发、研究和创新项目，并对“龙头企业”作重点支持。
要在国家有关部门大力支持下，加强产学研合作，推进模具行业科技开发和技术攻关工作，组织行业内产学研重点单位，分工合作，联合工作，争取早出成果，多出成果，共同享受成果，并使成果产业化，以迅速提高行业的技术水平。
7.建立国际性模具检测中心
随着模具工业的不断发展，模具质量检测工作已越来越迫切，但至今我国只有一个国家级检测中心，建议建立更多国际性的检测中心。
1.2模具CAD/CAE/CAM概述
模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。
它以计算机软件的形式，提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。
1.2.1CAD/CAE/CAM定义
CAD（ComputerAidedDesign）是计算机辅助设计。
CAD是指技术人员以高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用专业的知识和方法对产品进行绘图、分析计算和编写技术文件，将计算机的海量存储和高速数据处理与人的创造性思维有机结合起来等设计活动的统称。
用于CAD的计算机软件及外部设备，总称为CAD系统。
CAE（ComputerAidedEngineering）是用计算机辅助工程。
CAE是指求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
CAM（computerAidedManufacturing）是计算机辅助制造。
利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。
它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。
核心是计算机数值控制（简称数控），数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。
1.2.2模具CAD/CAE/CAM发展现状
CAD/CAE/CAM是工程技术人员以计算机系统为工具，综合应用多学科专业知识进行产品设计、分析、优化及生产过程问题求解的先进数字信息处理技术。
1.技术发展现状
我国虽然很早就开始制造和使用模具，但是长期以来未形成高技术含量的产业。
直到20世纪80年代后期，随着科技的进步，模具工业才驶入快速发展的轨道。
如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行业快速发展。
国内也有一批科研单位和高校投入有限元技术的研究、开发和应用。
如：
大连理工大学的JIFEX，郑州机械研究所的紫瑞，北京农机学院的有限元分析系统。
在模具CAE方面，如湖南大学的冲压CAE系统，华中科技大学冲压成型快速分析软件FASTAMP，清华的铸造CAE分析软件FTStar，华北工学院的铸造分析软件CASTsoft等，但是我国的CAD/CAE/CAM系统的集成度相对国外来说都比较弱。
国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代，到70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM的商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。
1973年，美国的DIECOMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。
1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。
1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。
1979年，日本旭光学工业公司研究成功的冲空模和弯曲模PENTAX的CAD系统。
1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。
到80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。
国外在上世纪60年代开始开发有限元进行软件，1976年发行了第一套流动分析软件。
利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。
目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。
国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。
2.技术主要内容
模具CAD/CAE/CAM技术一体化工程系统主要包括以下研究内容。
1）设计制造一体化系统集成框架的开发研
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