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設計用紙 第 0 頁 共 23 頁 在沖壓過程模擬 產品和工藝設計最新應用 摘 要 工藝產品和工藝設計仿真都是目前正在實行產業(yè) 然而 一個變量數目會 對 輸入的準確性和計算機預測的可靠性產生重大的影響 曾經進行一項有關沖壓 模擬能力評估預測的特點和其工藝條件部分的復雜形面形成了復合 工業(yè)零件 的研究 在工業(yè)應用中 下面是沖壓過程的進行模擬測試達到的兩個目標 1 通 過分析在產品設計階段 成形性及預測來優(yōu)化產品的設計 2 在模具設計的 前期階段減少試模時間和在沖壓加工過程中降低生產成本 為了達到這兩個目 標 有兩種方法可以選擇 一種是 Pam Stamp 應用法 一種是 Int l 工程系統(tǒng) 有限元增量的動態(tài)程序法 很明顯第二個目標方法比較好 因為它可以處理的 實際沖壓中的大多數參數 FAST FORM3D 一個單步有限元程序的成型技術 匹 配第一個目標 因為它只需零件幾何形狀復雜的過程 而不是信息 在以往的研究表明 這些兩個沖壓守則也適用于制造汽車和工程機械所使 用的復雜形狀部件 對在沖壓成形性預測問題的能力進行了評價 本文回顧了 這一研究結果 并總結了有限元模擬程序所取得結果的準確性 可靠性 在另一項研究中 對控制壓邊力 BHF 在半球狀圓頂平底杯拉深中的影響 進行了研究 高性能的標準汽車材料鋁鎮(zhèn)靜 高質量鋼 AKDQ 以及如高強 度鋼板 烘烤硬鋼 鋁 6111 等 已經確認不同的壓邊力可以改善圓頂杯的應變 分布 關鍵詞 沖壓 過程刺激 工藝設計 設計用紙 第 1 頁 共 23 頁 1 簡介 對于形狀復雜的板材 如汽車覆蓋件金屬沖壓件的設計過程 包括決策的 許多階段 的設計過程是一個非常昂貴和耗時的過程 在目前的工業(yè)上 許多 工程決策是基于工作人員的經驗和他們的知識 這些決策通常是經過軟工裝模 具成型階段和硬模選拔賽驗證階段后才做出的 很多時候軟 硬工具必須重新 編制 甚至重新設計和提供的零件到達可接受的質量水平 現在將最好的設計過程列在圖 1 中 在這個設計過程中 經驗豐富的產品 設計人員會使用一個稱為一步有限元法的專門設計的軟件來估計其設計成形性 這將使產品的設計者在確定設計路線之前 以及昂貴的模具已經制造出來之前 做必要的修改 一步法有限元法特別適合用于產品分析 因為它不需要粘結劑 附錄 甚至絕大多數工藝條件 通常方法不可用在產品設計階段 一步法有限 元法也很容易掌握 計算速度快 這使得設計人員能夠發(fā)揮 如果 沒有太多的 時間投資 圖 1 金屬薄板沖壓件的參考設計過程 一旦產品已經設計和經過驗證 開發(fā)項目將進入 零時間 階段 并傳遞 到模具設計階段 模具設計人員會確認他們自己的增量有限元程序的有關設計 并進行必要的設計變更 甚至優(yōu)化工藝參數 確保不只是最低的可接受的零件 質量 而是最高達到的質量 這增加了產品的質量 而且增加過程的成品率 增量有限元法特別適合于模具設計分析 因為它確實需要粘合劑 附錄 以及 已知的模具設計或渴望被人知道的過程 驗證制造模具的設計后就會直接進入了艱苦的生產加工和被驗證階段 在 此期間 將與物理原型零件對比著進行 試用時間應該減少由于先前的數值驗 設計用紙 第 2 頁 共 23 頁 證 重新設計和成型 由于不可預見的問題 再制造模具應該是過去的事情 試用時間減少和消除重新設計 再制造所用的時間應該超過彌補進行數值驗證 試模 加工過程所用的時間 對于薄板沖壓件生產商而言 沖壓工藝的優(yōu)化也是非常重要的 通過適度 增加壓力機設備的投資 并使用模具成型 一個人可以控制多個沖壓過程 據 記載 壓邊力是板料成形過程中最敏感的工藝參數之一 因此可用于精確控制 變形過程 通過控制壓邊力在功能和壓應力的位置等有效措施 提高粘結劑的外圍的應 變分布的小組提供了新增的強度和剛度 降低了面板和殘余應力的回彈程度 提高 產品品質和穩(wěn)定性 通過控制作為壓應力和周圍的粘結劑邊緣位置的函數壓邊力 可以提高面 板強度和剛度 減少面板回彈和殘余應力應變分布 提高產品質量和過程的穩(wěn) 定性 一種廉價的工業(yè)質量體系 目前正在制定在緊急救濟協(xié)調員 NSM 采用 了液壓和氮的結合 如圖 2 所示 使用壓邊力控制也可以允許工程師設計更 具有侵略性的板窗利用所提供的增加壓邊力控制成形性 圖 2 壓邊力控制系統(tǒng)和模具正在開發(fā)的 ERC NSM 實驗室 1 對設計過程的三個獨立階段研究進行了研究 將會在下一節(jié)描述產品的設計階段 其中一個步驟是有限元程序 FAST FORM3D 成型技術 的驗證 作為實驗室和工業(yè)的一部分 用來預測 毛坯最佳形狀的研究 第 4 節(jié)總結了模具的設計階段 其中一個實際的工業(yè)平 板是用來驗證的增量有限元程序的 PAM Stamp 系統(tǒng) 國際工程系統(tǒng) 的研究 第 5 節(jié)覆蓋了 在實驗室研究壓邊力控制應變分布在深沖 半球形 圓頂平底杯 的影響 2 產品仿真 應用 這項調查的目的是為了驗證 FAST FORM3D 系統(tǒng) 確定 FAST FORM3D 對毛坯 形狀預測的能力 并確定一步有限元法在產品設計過程中是怎么實施的 成型 設計用紙 第 3 頁 共 23 頁 技術提供了他們的一步法有限元代碼和培訓中心的 FAST FORM3D NSM 為目的 的基準和研究 FAST FORM3D 并不等同于變形歷史 相反 它將項目上一個平 面或可展曲面零件幾何形狀和重新定位的最后節(jié)點和元素 直至達到最低能量 狀態(tài) 這個過程是計算速度比就像是 PAM Stemp 的增量模擬 也使得假設增 多 FAST FORM3D 能評價和估計最優(yōu)毛坯矩形件的結構 也是一個強有力的 工具 產品設計師由于其速度和使用的安逸性 但是在這時期的幾何是不可用 的 為了驗證 FAST FORM3D 我們比較分析其與毛坯形狀預測預報方法的毛 坯形狀 該零件的幾何形狀如圖 3 所示是一個長 15 英寸 寬 5 英寸 深 12 英 寸有一個 1 英寸直角法蘭盤英寸 表 1 列出了工藝條件下使用 圖 4 顯示了使 用 Romanovski 零件毛坯形狀的實證法和滑移線場的方法來預測毛坯形狀的原 理 圖 3 矩形幾何用于 FAST FORM3D 驗證 表 1 為 FAST FORM3D 矩形驗證過程中使用參數 設計用紙 第 4 頁 共 23 頁 圖 4 使用手工計算毛坯長方形盤的外形設計 一 Romanovski 的經驗方法 二 滑移線場分析方法 圖 5 a 給出了預測從 Romanovski 法 滑移線場方法 幾何形狀和 FAST FORM3D 空白 空白形狀同意在角落里地區(qū) 但不同的側面區(qū)域很大 圖 5 二 c 顯示抽簽中模式后的矩形繪制過程 平移由 Pam Stemp 模擬預測空白的每個形狀 抽簽中地區(qū)在彎道很好匹 配所有三個長方形盤模式 滑移線場方法 雖然沒有達到目標區(qū)域在身邊 1 英 寸法蘭 而 Romanovski 和 FAST FORM3D 方法實現了 1 英寸法蘭在身邊地 區(qū)相對較好 此外 只有 FAST FORM3D 毛坯同意在角落里 側過渡區(qū) 此外 FAST FORM3D 毛坯比 Romanovski 具有較好的應變分布和更低的峰值應變比 由圖 6 中可以看到 圖 5 各種毛坯形狀預測和帕姆印花仿真結果為長方形鍋 一 三預測空白形狀 二 變形滑移線領域的毛坯 三 畸形 Romanovski 毛坯 四 畸形 FAST FORM3D 毛坯 圖 6 比較應變泛用長方形的 PAM Stemp 形狀分布的各種毛坯 一 變形 Romanovski 毛坯 二 畸形 FAST FORM3D 毛坯 若要繼續(xù)此驗證研究 從小松制作工業(yè)部分被選中 并在圖 7 a 所示 我們預計的一個最優(yōu)幾何 FAST FORM3D 空白的實驗裝置 正如所見 毛坯 很相似 但有一些差異 最終的零件毛坯形狀 如圖 7 b 設計用紙 第 5 頁 共 23 頁 圖 7 儀器 FAST FORM3D 模擬結果包括最終驗證 一 FAST FORM3D 成形性能的比較 二 預測與實驗的毛坯形狀比較 接下來 我們模擬了沖壓的毛坯和 FAST FORM3D 使用 Pam Stamp 實驗 毛坯 我們通過比較兩者的計算機輔助設計 CAD 預測的零件幾何形狀 圖 8 發(fā)現 FAST FORM3D 是更精確的 一個不錯的特征是 FAST FORM3D 能顯 示 失敗 的部分情節(jié)的輪廓曲線 對失敗限制示于圖 7 A 總之 FAST FORM3D 在預測的實驗室和工業(yè)部件的最佳形狀成功的毛坯 這表明 FAST FORM3D 可以成功地用于評估產品設計成形性的問題 在儀器的覆蓋情 況下 審判和錯誤實驗多小時可能被淘汰使用 FAST FORM3D 和更好的毛坯 形狀可能已經開發(fā)出來 圖 8 比較 FAST FORM3D 和實驗儀器的零件形狀 一 實驗開發(fā)毛坯形狀和 CAD 幾何 二 優(yōu)化毛坯形狀和 FAST FORM3D 的 CAD 幾何 3 模具和工藝模擬 應用 為了在研究模具設計過程中緊密合作 一個由日本小松制作所和 ERC NSM 組成的小組 與形成問題的一個生產小組選擇了小松 該面板是挖掘機的 駕駛室左側內板 如圖 9 所示 是的幾何簡化為一個實驗實驗室死亡 同時保 持該小組的主要特征 在實驗進行過程中小松使用表 2 所示的條件 一個成形 極限圖 FLD 研制了用于繪圖品質采用穹頂鋼和視覺測試應變測量系統(tǒng) 并 在圖 10 所示 在實驗中使用三壓邊力分別是 10 30 50 噸 以確定其效果 每個模擬實驗條件進行了增量在 ERC NSM 使用 PAM Stemp 設計用紙 第 6 頁 共 23 頁 圖 9 挖掘機的駕駛室 左側內板 表 2 機艙內 的工藝條件調查 圖 10 在機艙內調查所使用的繪圖優(yōu)質鋼成形極限圖 在 10 噸的條件下發(fā)生起皺的實驗部分 如圖 11 所示 在 30 噸條件下發(fā) 生皺紋被淘汰 如圖 12 所示 對這些實驗結果進行了 PAM Stemp 模擬預測 如圖 13 所示 30 噸壓力的測量小組以確定材料畫中的模式 這些測量結果進 行了比較與預測材料繪制在圖 14 研究 效果是非常良好 只有 10 毫米 最大 的錯誤 一個輕微的頸部 觀察小組的 30 噸 如圖 13 所示 在 50 噸時 面 板上會出現明顯的骨折起皺 圖 11 皺褶實驗室機艙內板 壓邊力 10 噸 設計用紙 第 7 頁 共 23 頁 圖 12 壓邊力 30 噸機艙內的實驗室和頸縮變形階段 一 實驗毛坯 二 實驗小組 形成了 60 三 實驗小組 完全形成 四 實驗小組 縮頸細節(jié) 圖 13 預測和在實驗室客艙內消除皺紋 a 預期的幾何形狀 壓邊力 10 噸 二 預測的幾何形狀 壓邊力 30 噸 圖 14 在實驗室內艙預測與實測比較所得出的結果 壓邊力 30 噸 應變測量系統(tǒng)測量了每個小組的結果 其結果如圖 15 所示 從每個小組有 限元模擬的預測在圖 16 所示 這些預測和測量吻合有關的應變分布 不同的壓 邊力對結果的影響不大 雖然趨勢是代表 壓邊力的影響往往在模擬的壓力更 多的本地化的方式相比 測量 然而 這些預測表明 PAM Stemp 正確預測 設計用紙 第 8 頁 共 23 頁 了頸縮和斷裂在 30 和 50 噸時發(fā)生 關于摩擦應變分布的影響進行了研究 如圖 17 模擬圖所示 圖 15 機艙內的實驗室試驗應變測量 一 測量應變 壓邊力 10 噸 面板皺 二 測量應變 壓邊力 30 噸 面板頸 三 測量應變 壓邊力 50 噸 面板裂縫 圖 16 機艙內的實驗室應變有限元預測 a 預期的壓力 壓邊力 10 噸 二 預測的壓力 壓邊力 30 噸 三 預測的壓力 壓邊力 50 噸 圖 17 實驗室內預測效應摩擦機艙內 壓邊力 30 噸 a 預期的壓力 0 06 二 預測應變 0 10 它們的比較結果摘要列于表 3 中 此表顯示 模擬預測了在實驗條件下每 一株測量系統(tǒng)實驗觀測結果 這表明 PAM Stemp 可以用來評估成形模具設 計相關的問題 表 3 客艙內的研究結果摘要 4 壓邊力控制 應用 這次調查的目的是確定各種高性能材料在半球狀 圓頂平底 深拉杯深沖 性能 見圖 18 并探討不同時間的變壓邊力上進行了拉伸試驗 以確定這些 設計用紙 第 9 頁 共 23 頁 材料進行分析和模擬輸入到流動應力和各向異性特征 見圖 19 和表 5 在被 調查的材料包括 AKDQ 鋼 高強度鋼 烘烤硬鋼 鋁 6111 見表 4 圖 18 巨形杯模具的幾何形狀 表 4 用于材料研究的圓頂杯 圖 19 鋁 6111 AKDQ 強度高 烤硬鋼的拉伸試驗結果 一 拉伸試樣裂隙 二 應力 應變曲線 表 5 鋁 6111 AKDQ 烤硬鋼的高強度拉伸試驗數據 設計用紙 第 10 頁 共 23 頁 值得注意的是流動應力和 AKDQ 烤硬鋼曲線非常類似 但是在 5 的時候 伸長率減少類似烤硬 雖然高強度鋼和鋁 6111 的伸長率很相似 但是其 N 值 比鋁 6111 的值大兩倍 此外 AKDQ 的 R 值遠遠大于 1 而烤硬接近 1 鋁 6111 遠小于 1 在這次調查中的壓邊力用型材時間變量中包含常數 線性減少 脈動 見 圖 20 為 AKDQ 鋼的實驗條件進行了模擬使用的 PAM Stemp 增量代碼 斷裂 皺紋的例子 和良好的實驗室杯圖 21 所示以及對模擬圖像皺杯 圖 20 用于研究剖面圓頂杯的壓邊力時間 一 固定壓邊力 二 斜壓邊力 三 脈動壓邊力 設計用紙 第 11 頁 共 23 頁 圖 21 模擬實驗和圓頂杯 一 實驗好杯 b 實驗裂隙杯 三 實驗皺杯 四 模擬皺杯 對深沖性能進行了實驗研究限制使用固定壓邊力 這項研究的結果顯示在 表 6 此表顯示 AKDQ 的沖壓性能最大 而鋁的最小而烤硬 高強度鋼的性能 中等 對 AKDQ 的連續(xù)應變分布 脈動壓邊力進行了比較實驗圖 22 模擬圖 23 這兩個模擬和實驗的結果發(fā)現 斜坡的壓邊力軌跡對于提高應變分布情況 是最好的 不僅減少了骨折的可能性降低峰值高達 5 而且還降低應變地區(qū) 的增加 這種應變分布的改善 提高產品的剛度和強度 減少回彈和殘余應力 提高產品質量和工藝的魯棒性 表 6 恒定壓邊力限制的頂燈杯的沖壓性能 圖 22 時間變量對 AKDQ 鋼圓頂杯壓邊力變化的實驗 圖 23 時間變量對 AKDQ 鋼圓頂杯壓邊力變化的模擬實驗 脈動壓邊力在調查的頻率范圍內 未發(fā)現有對應變分布的影響 這可能是 由于這一事實的脈動頻率進行了測試只有 1 赫茲 從其他研究人員以前的實驗 可知 適當的頻率范圍是從 5 到 25 赫茲 AKDQ 從模擬和實驗載荷行程曲線 比較圖 24 所示 良好的協(xié)議被發(fā)現的情況下 0 08 這表明 有限元模擬可 以用來評估成形性 可以通過使用壓邊力控制技術獲得改善 設計用紙 第 12 頁 共 23 頁 圖 24 KDQ 穹頂鋼杯的比較實驗與模擬負載沖程曲線 5 結論和未來工作 在本文中 我們評價一個復雜的沖壓件的改進設計過程中 涉及消除了軟 模具相結合的產品和工藝驗證使用單步和增量有限元模擬 此外 改進工藝 提出了壓邊力控制實施以提高產品質量和工藝的魯棒性組成 三個獨立的調查分析 總結其在設計過程的各個階段 首先 產品設計階 段進行了調查與實驗室和一個步驟有限元程序 FAST FORM3D 和評估的能力 在 產品設計成形性問題所涉及的工業(yè)驗證 FAST FORM3D 在預測中矩形工業(yè)儀表 盤和蓋形狀最佳空白成功 在儀器的覆蓋情況下 審判和錯誤實驗多小時可能 被淘汰使用 FAST FORM3D 和更好的毛坯形狀可能已經開發(fā)出來 其次 模具設計階段進行了調查實驗室和增量代碼的 PAM Stemp 系統(tǒng)的 工業(yè)驗證和評估的能力 形成與模具設計有關的問題 這項調查表明 PAM 的 郵票可以預測應變分布 起皺 頸縮和斷裂 至少一個遠景以及應變各種條件 下的實驗測量系統(tǒng) 最后 工藝設計階段的調查 對質量可與壓邊力控制技術的實現實現改善 的實驗研究 在此調查 半球狀 圓頂平底高峰株 杯子的拉伸值都被減少了 5 從而減少了皺折的可能性 并降低了應變區(qū)強度 這種應變分布的改善 提高產品的剛度和強度 減少回彈和殘余應力 提高產品質量和工藝的穩(wěn)定性 可以預計 深沖性能將會在不斷優(yōu)化的壓邊力中逐漸增強 此外 在實驗測量 和數值模擬預測中發(fā)現負載行程曲線 表明有限元模擬可以用來評估成形性 可控制壓邊力技術 使用得到改善 1 模具在工業(yè)生產中的地位 模具是大批量生產同形產品的工具 是工業(yè)生產的主要工藝裝備 采用模具生產零部件 具有生產效率高 質量好 成本低 節(jié)約能源和原 設計用紙 第 13 頁 共 23 頁 材料等一系列優(yōu)點 用模具生產制件所具備的高精度 高復雜程度 高一致性 高生產率和低消耗 是其他加工制造方法所不能比擬的 已成為當代工業(yè)生產 的重要手段和工藝發(fā)展方向 現代經濟的基礎工業(yè) 現代工業(yè)品的發(fā)展和技術 水平的提高 很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平 因此模具工業(yè)對國民經 濟和社會發(fā)展將起越來越大的作用 1989 年 3 月國務院頒布的 關于當前產業(yè) 政策要點的決定 中 把模具列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位 生產和基 本建設序列的第二位 僅次于大型發(fā)電設備及相應的輸變電設備 確立模具工 業(yè)在國民經濟中的重要地位 1997 年以來 又相繼把模具及其加工技術和設備 列入了 當前國家重點鼓勵發(fā)展的產業(yè) 產品和技術目錄 和 鼓勵外商投資 產業(yè)目錄 經國務院批準 從 1997 年到 2000 年 對 80 多家國有專業(yè)模具廠 實行增值稅返還 70 的優(yōu)惠政策 以扶植模具工業(yè)的發(fā)展 所有這些 都充分 體現了國務院和國家有關部門對發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持 目前全世界模具 年產值約為 600 億美元 日 美等工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)產值已超過機床工 業(yè) 從 1997 年開始 我國模具工業(yè)產值也超過了機床工業(yè)產值 據統(tǒng)計 在家電 玩具等輕工行業(yè) 近 90 的零件是綜筷具生產的 在飛 機 汽車 農機和無線電行業(yè) 這個比例也超過 60 例如飛機制造業(yè) 某型 戰(zhàn)斗機模具使用量超過三萬套 其中主機八千套 發(fā)動機二千套 輔機二萬套 從產值看 80 年代以來 美 日等工業(yè)發(fā)達國家模具行業(yè)的產值已超過機床行 業(yè) 并又有繼續(xù)增長的趨勢 據國際生產技術協(xié)會預測 到 2000 年 產品盡件 粗加工的 75 精加工的 50 將由模具完成 金屬 塑料 陶瓷 橡膠 建材 等工業(yè)制品大部分將由模具完成 50 以上的金屬板材 80 以上的塑料都特 通過模具轉化成制品 2 模具的歷史發(fā)展 模具的出現可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造 但其大規(guī)模使用卻 是隨著現代工業(yè)的掘起而發(fā)展起來的 19 世紀 隨著軍火工業(yè) 槍炮的彈殼 鐘表工業(yè) 無線電工業(yè)的發(fā)展 沖 模得到廣泛使用 二次大戰(zhàn)后 隨著世界經濟的飛速發(fā)展 它又成了大量生產 設計用紙 第 14 頁 共 23 頁 家用電器 汽車 電子儀器 照相機 鐘表等零件的最佳方式 從世界范圍看 當時美國的沖壓技術走在前列 許多模具先進技術 如簡易模具 高效率模 具 高壽命模具和沖壓自動化技術 大多起源于美國 而瑞士的精沖 德國的 冷擠壓技術 蘇聯對塑性加工的研究也處于世界先進行列 50 年代 模具行業(yè) 工作重點是根據訂戶的要求 制作能滿足產品要求的模具 模具設計多憑經驗 參考已有圖紙和感性認識 對所設計模具零件的機能缺乏真切了解 從 1955 年 到 1965 年 是壓力加工的探索和開發(fā)時代 對模具主要零部件的機能和受力 狀態(tài)進行了數學分橋 并把這些知識不斷應用于現場實際 使得沖壓技術在各 方面有飛躍的發(fā)展 其結果是歸納出模具設計原則 并使得壓力機械 沖壓材 料 加工方法 梅具結構 模具材料 模具制造方法 自動化裝置等領域面貌 一新 并向實用化的方向推進 從而使沖壓加工從儀能生產優(yōu)良產品的第一階 段 進入 70 年代向高速化 啟動化 精密化 安全化發(fā)展的第二階段 在這個 過程中不斷涌現各種高效率 商壽命 高精度助多功能自動校具 其代表是多 達別多個工位的級進模和十幾個工位的多工位傳遞模 在此基礎上又發(fā)展出既 有連續(xù)沖壓工位又有多滑塊成形工位的壓力機 彎曲機 在此期間 日本站到 了世界最前列 其模具加工精度進入了微米級 模具壽命 合金工具鋼制造 的模具達到了幾千萬次 硬質合金鋼制造的模具達到了幾億次 p 每分鐘沖壓次 數 小型壓力機通常為 200 至 300 次 最高為 1200 次至 1500 次 在此期間 為了適應產品更新快 用期短 如汽車改型 玩具翻新等 的需要 各種經濟型 模具 如鋅落合金模具 聚氨酯橡膠模具 鋼皮沖模等也得到了很大發(fā)展 從 70 年代中期至今可以說是計算機輔助設計 輔助制造技術不斷發(fā)展的時 代 隨著模具加工精度與復雜性不斷提高 生產周期不斷加快 模具業(yè)對設備 和人員素質的要求也不斷提高 依靠普通加工設備 憑經驗和手藝越來越不能 滿足模具生產的需要 90 年代以來 機械技術和電子技術緊密結合 發(fā)展了 NC 機床 如數控線切割機床 數控電火花機床 數控銑床 數控坐標磨床等 而 采用電子計算機自動編程 控制的 CNC 機床提高了數控機床的使用效率和范圍 近年來又發(fā)展出由一臺計算機以分時的方式直接管理和控制一群數控機床的 NNC 系統(tǒng) 隨著計算機技術的發(fā)展 計算機也逐步進入模具生產的各個領域 包括設 計 制造 管理等 國際生產研究協(xié)會預測 到 2000 年 作為設計和制造之間 聯系手段的圖紙將失去其主要作用 模具自動設計的最根本點是必須確立模具 零件標準及設計標準 要擺脫過去以人的思考判斷和實際經驗為中心所組成的 設計方法 就必須把過去的經驗和思考方法 進行系列化 數值化 數式化 作為設計準則儲存到計算機中 因為模具構成元件也干差萬別 要搞出一個能 適應各種零件的設計軟件幾乎不可能 但是有些產品的零件形狀變化不大 模 具結構有一定的規(guī)律 放可總結歸納 為自動設計提供軟件 如日本某公司的 設計用紙 第 15 頁 共 23 頁 CDM 系統(tǒng)用于級進模設計與制造 其中包括零件圖形輸入 毛坯展開 條料排 樣 確定模板尺寸和標準 繪制裝配圖和零件圖 輸出 NC 程序 為數控加工中 心和線切割編程 等 所用時間由手工的 20 工時減少到 35 小時 從 80 年代 初日本就將三維的 CAD CAM 系統(tǒng)用于汽車覆蓋件模具 目前 在實體件的掃描 輸入 圖線和數據輸入 幾何造形 顯示 繪圖 標注以及對數據的自動編程 產生效控機床控制系統(tǒng)的后置處理文件等方面已達到較高水平 計算機仿真 CAE 技術也取得了一定成果 在高層次上 CAD CAM CAE 集成的 即數據是 統(tǒng)一的 可以互相直接傳輸信息 實現網絡化 目前 國外僅有少數廠家能夠 做到 3 我國模具工業(yè)現狀及發(fā)展趨勢 由于歷史原因形成的封閉式 大而全 的企業(yè)特征 我國大部分企業(yè)均設 有模具車間 處于本廠的配套地位 自 70 年代末才有了模具工業(yè)化和生產專業(yè) 化這個概念 生產效率不高 經濟效益較差 模具行業(yè)的生產小而散亂 跨行 設計用紙 第 16 頁 共 23 頁 業(yè) 投資密集 專業(yè)化 商品化和技術管理水平都比較低 據不完全統(tǒng)計 全國現有模具專業(yè)生產廠 產品廠配套的模具車間 分廠 近 17000 家 約 60 萬從業(yè)人員 年模具總產值達 200 億元人民幣 但是 我國 模具工業(yè)現有能力只能滿足需求量的 60 左右 還不能適應國民經濟發(fā)展的需 要 目前 國內需要的大型 精密 復雜和長壽命的模具還主要依靠進口 據 海關統(tǒng)計 1997 年進口模具價值 6 3 億美元 這還不包括隨設備一起進口的模 具 1997 年出口模具僅為 7800 萬美元 目前我國模具工業(yè)的技術水平和制造 能力 是我國國民經濟建設中的薄弱環(huán)節(jié)和制約經濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸 3 1 模具工業(yè)產品結構的現狀 按照中國模具工業(yè)協(xié)會的劃分 我國模具基本分為 10 大類 其中 沖壓模和 塑料成型模兩大類占主要部分 按產值計算 目前我國沖壓模占 50 左右 塑 料成形模約占 20 拉絲模 工具 約占 10 而世界上發(fā)達工業(yè)國家和地區(qū) 的塑料成形模比例一般占全部模具產值的 40 以上 我國沖壓模大多為簡單模 單工序模和符合模等 精沖模 精密多工位級進 模還為數不多 模具平均壽命不足 100 萬次 模具最高壽命達到 1 億次以上 精度達到 3 5um 有 50 個以上的級進工位 與國際上最高模具壽命 6 億次 平均模具壽命 5000 萬次相比 處于 80 年代中期國際先進水平 我國的塑料成形模具設計 制作技術起步較晚 整體水平還較低 目前單型 腔 簡單型腔的模具達 70 以上 仍占主導地位 一模多腔精密復雜的塑料注 射模 多色塑料注射模已經能初步設計和制造 模具平均壽命約為 80 萬次左右 主要差距是模具零件變形大 溢邊毛刺大 表面質量差 模具型腔沖蝕和腐蝕 嚴重 模具排氣不暢和型腔易損等 注射模精度已達到 5um 以下 最高壽命已 突破 2000 萬次 型腔數量已超過 100 腔 達到了 80 年代中期至 90 年代初期的 國際先進水平 設計用紙 第 17 頁 共 23 頁 3 2 模具工業(yè)技術結構現狀 我國模具工業(yè)目前技術水平參差不齊 懸殊較大 從總體上來講 與發(fā)達工 業(yè)國家及港臺地區(qū)先進水平相比 還有較大的差距 在采用 CAD CAM CAE CAPP 等技術設計與制造模具方面 無論是應用的廣泛 性 還是技術水平上都存在很大的差距 在應用 CAD 技術設計模具方面 僅有 約 10 的模具在設計中采用了 CAD 距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走 在應 用 CAE 進行模具方案設計和分析計算方面 也才剛剛起步 大多還處于試用和 動畫游戲階段 在應用 CAM 技術制造模具方面 一是缺乏先進適用的制造裝備 二是現有的工藝設備 包括近 10 多年來引進的先進設備 或因計算機制式 IBM 微機及其兼容機 HP 工作站等 不同 或因字節(jié)差異 運算速度差異 抗電磁干擾能力差異等 聯網率較低 只有 5 左右的模具制造設備近年來才開 展這項工作 在應用 CAPP 技術進行工藝規(guī)劃方面 基本上處于空白狀態(tài) 需要 進行大量的標準化基礎工作 在模具共性工藝技術 如模具快速成型技術 拋 光技術 電鑄成型技術 表面處理技術等方面的 CAD CAM 技術應用在我國才剛 起步 計算機輔助技術的軟件開發(fā) 尚處于較低水平 需要知識和經驗的積累 我國大部分模具廠 車間的模具加工設備陳舊 在役期長 精度差 效率低 至今仍在使用普通的鍛 車 銑 刨 鉆 磨設備加工模具 熱處理加工仍在 使用鹽浴 箱式爐 操作憑工人的經驗 設備簡陋 能耗高 設備更新速度緩 慢 技術改造 技術進步力度不大 雖然近年來也引進了不少先進的模具加工 設備 但過于分散 或不配套 利用率一般僅有 25 左右 設備的一些先進功 能也未能得到充分發(fā)揮 缺乏技術素質較高的模具設計 制造工藝技術人員和技術工人 尤其缺乏 知識面寬 知識結構層次高的復合型人才 中國模具行業(yè)中的技術人員 只占 從業(yè)人員的 8 12 左右 且技術人員和技術工人的總體技術水平也較低 1980 年以前從業(yè)的技術人員和技術工人知識老化 知識結構不能適應現在的需要 而 80 年代以后從業(yè)的人員 專業(yè)知識 經驗匱乏 動手能力差 不安心 不愿 學技術 近年來人才外流不僅造成人才數量與素質水平下降 而且人才結構也 出現了新的斷層 青黃不接 使得模具設計 制造的技術水平難以提高 3 3 模具工業(yè)配套材料 標準件結構現狀 近 10 多年來 特別是 八五 以來 國家有關部委已多次組織有關材料研究 所 大專院校和鋼鐵企業(yè) 研究和開發(fā)模具專用系列鋼種 模具專用硬質合金 及其他模具加工的專用工具 輔助材料等 并有所推廣 但因材料的質量不夠 穩(wěn)定 缺乏必要的試驗條件和試驗數據 規(guī)格品種較少 大型模具和特種模具 設計用紙 第 18 頁 共 23 頁 所需的鋼材及規(guī)格還有缺口 在鋼材供應上 解決用戶的零星用量與鋼廠的批 量生產的供需矛盾 尚未得到有效的解決 另外 國外模具鋼材近年來相繼在 國內建立了銷售網點 但因渠道不暢 技術服務支撐薄弱及價格偏高 外匯結 算制度等因素的影響 目前推廣應用不多 模具加工的輔助材料和專用技術近年來雖有所推廣應用 但未形成成熟的生 產技術 大多仍還處于試驗摸索階段 如模具表面涂層技術 模具表面熱處理 技術 模具導向副潤滑技術 模具型腔傳感技術及潤滑技術 模具去應力技術 模具抗疲勞及防腐技術等尚未完全形成生產力 走向商品化 一些關鍵 重要 的技術也還缺少知識產權的保護 我國的模具標準件生產 80 年代初才形成小規(guī)模生產 模具標準化程度及 標準件的使用覆蓋面約占 20 從市場上能配到的也只有約 30 個品種 且僅限 于中小規(guī)格 標準凸凹模 熱流道元件等剛剛開始供應 模架及零件生產供應 渠道不暢 精度和質量也較差 3 4 模具工業(yè)產業(yè)組織結構現狀 我國的模具工業(yè)相對較落后 至今仍不能稱其為一個獨立的行業(yè) 我國目前 的模具生產企業(yè)可劃分為四大類 專業(yè)模具廠 專業(yè)生產外供模具 產品廠的 模具分廠或車間 以供給本產品廠所需的模具為主要任務 三資企業(yè)的模具分 廠 其組織模式與專業(yè)模具廠相類似 以小而專為主 鄉(xiāng)鎮(zhèn)模具企業(yè) 與專業(yè) 模具廠相類似 其中以第一類數量最多 模具產量約占總產量的 70 以上 我 國的模具行業(yè)管理體制分散 目前有 19 個大行業(yè)部門制造和使用模具 沒有統(tǒng) 一管理的部門 僅靠中國模具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)籌規(guī)劃 集中攻關 跨行業(yè) 跨部門 管理困難很多 模具適宜于中小型企業(yè)組織生產 而我國技術改造投資向大中型企業(yè)傾斜時 中小型模具企業(yè)的投資得不到保證 包括產品廠的模具車間 分廠在內 技術 改造后不能很快收回其投資 甚至負債累累 影響發(fā)展 雖然大多數產品廠的模具車間 分廠技術力量強 設備條件較好 生產的模 具水平也較高 但設備利用率低 我國模具價格長期以來同其價值不協(xié)調 造成模具行業(yè) 自身經濟效益小 社會效益大 的現象 干模具的不如干模具標準件的 干標準件的不如干模 具帶件生產的 干帶件生產的不如用模具加工產品的 之類不正常現象存在 設計用紙 第 19 頁 共 23 頁 4 模具的發(fā)展趨勢 4 1 模具 CAD CAE CAM 正向集成化 三維化 智能化和網絡化方向發(fā)展 1 模具軟件功能集成化 模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全 同時各功能模塊采用 同一數據模型 以實現信息的綜合管理與共享 從而支持模具設計 制造 裝 配 檢驗 測試及生產管理的全過程 達到實現最佳效益的目的 如英國 Delcam 公司的系列化軟件就包括了曲面 實體幾何造型 復雜形體工程制圖 工業(yè)設計高級渲染 塑料模設計專家系統(tǒng) 復雜形體 CAM 藝術造型及雕刻自 動編程系統(tǒng) 逆向工程系統(tǒng)及復雜形體在線測量系統(tǒng)等 集成化程度較高的軟 件還包括 Pro ENGINEER UG 和 CATIA 等 國內有上海交通大學金屬塑性成型 有限元分析系統(tǒng)和沖裁模 CAD CAM 系統(tǒng) 北京北航海爾軟件有限公司的 CAXA 系 列軟件 吉林金網格模具工程研究中心的沖壓模 CAD CAE CAM 系統(tǒng)等 2 模具設計 分析及制造的三維化 傳統(tǒng)的二維模具結構設計已越來越不適應現代化生產和集成化技術要求 模 具設計 分析 制造的三維化 無紙化要求新一代模具軟件以立體的 直觀的 感覺來設計模具 所采用的三維數字化模型能方便地用于產品結構的 CAE 分析 模具可制造性評價和數控加工 成形過程模擬及信息的管理與共享 如 Pro ENGINEER UG 和 CATIA 等軟件具備參數化 基于特征 全相關等特點 從 而使模具并行工程成為可能 另外 Cimatran 公司的 Moldexpert Delcam 公 司的 Ps mold 及日立造船的 Space E mold 均是 3D 專業(yè)注塑模設計軟件 可進 行交互式 3D 型腔 型芯設計 模架配置及典型結構設計 澳大利亞 Moldflow 公司的三維真實感流動模擬軟件 MoldflowAdvisers 已經受到用戶廣泛的好評和 應用 國內有華中理工大學研制的同類軟件 HSC3D4 5F 及鄭州工業(yè)大學的 Z mold 軟件 面向制造 基于知識的智能化功能是衡量模具軟件先進性和實用性 的重要標志之一 如 Cimatron 公司的注塑模專家軟件能根據脫模方向自動產生 分型線和分型面 生成與制品相對應的型芯和型腔 實現模架零件的全相關 自動產生材料明細表和供 NC 加工的鉆孔表格 并能進行智能化加工參數設定 加工結果校驗等 3 模具軟件應用的網絡化趨勢 隨著模具在企業(yè)競爭 合作 生產和管理等方面的全球化 國際化 以及計 算機軟硬件技術的迅速發(fā)展 網絡使得在模具行業(yè)應用虛擬設計 敏捷制造技 設計用紙 第 20 頁 共 23 頁 術既有必要 也有可能 美國在其 21 世紀制造企業(yè)戰(zhàn)略 中指出 到 2006 年要實現汽車工業(yè)敏捷生產 虛擬工程方案 使汽車開發(fā)周期從 40 個月縮短到 4 個月 4 2 模具檢測 加工設備向精密 高效和多功能方向發(fā)展 1 模具檢測設備的日益精密 高效 精密 復雜 大型模具的發(fā)展 對檢測設備的要求越來越高 現在精密模具 的精度已達 2 3 m 目前國內廠家使用較多的有意大利 美國 日本等國的 高精度三坐標測量機 并具有數字化掃描功能 如東風汽車模具廠不僅擁有意 大利產 3250mm 3250mm 三坐標測量機 還擁有數碼攝影光學掃描儀 率先在國 內采用數碼攝影 光學掃描作為空間三維信息的獲得手段 從而實現了從測量 實物 建立數學模型 輸出工程圖紙 模具制造全過程 成功實現了逆向工程 技術的開發(fā)和應用 這方面的設備還包括 英國雷尼紹公司第二代高速掃描儀 CYCLON SERIES2 可實現激光測頭和接觸式測頭優(yōu)勢互補 激光掃描精度為 0 05mm 接觸式測頭掃描精度達 0 02mm 另外德國 GOM 公司的 ATOS 便攜式掃 描儀 日本羅蘭公司的 PIX 30 PIX 4 臺式掃描儀和英國泰勒 霍普森公司 TALYSCAN150 多傳感三維掃描儀分別具有高速化 廉價化和功能復合化等特點 2 數控電火花加工機床 日本沙迪克公司采用直線電機伺服驅動的 AQ325L AQ550LLS WEDM 具有驅動 反應快 傳動及定位精度高 熱變形小等優(yōu)點 瑞士夏米爾公司的 NCEDM 具有 P E3 自適應控制 PCE 能量控制及自動編程專家系統(tǒng) 另外有些 EDM 還采用了 混粉加工工藝 微精加工脈沖電源及模糊控制 FC 等技術 3 高速銑削機床 HSM 銑削加工是型腔模具加工的重要手段 而高速銑削具有工件溫升低 切削力 小 加工平穩(wěn) 加工質量好 加工效率高 為普通銑削加工的 5 10 倍 及可加 工硬材料 60HRC 等諸多優(yōu)點 因而在模具加工中日益受到重視 瑞士克朗公 司 UCP710 型五軸聯動加工中心 其機床定位精度可達 8 m 自制的具有矢量 閉環(huán)控制電主軸 最大轉速為 42000r min 意大利 RAMBAUDI 公司的高速銑床 其加工范圍達 2500mm 5000mm 1800mm 轉速達 20500r min 切削進給速度達 20m min HSM 一般主要用于大 中型模具加工 如汽車覆蓋件模具 壓鑄模 大型塑料等曲面加工 其曲面加工精度可達 0 01mm 設計用紙 第 21 頁 共 23 頁 4 3 快速經濟制模技術 縮短產品開發(fā)周期是贏得市場競爭的有效手段之一 與傳統(tǒng)模具加工技術相 比 快速經濟制模技術具有制模周期短 成本較低的特點 精度和壽命又能滿 足生產需求 是綜合經濟效益比較顯著的模具制造技術 具體主要有以下一些 技術 1 快速原型制造技術 RPM 它包括激光立體光刻技術 SLA 疊層輪廓制 造技術 LOM 激光粉末選區(qū)燒結成形技術 SLS 熔融沉積成形技術 FDM 和三維印刷成形技術 3D P 等 2 表面成形制模技術 它是指利用噴涂 電鑄和化學腐蝕等新的工藝方法 形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術 3 澆鑄成形制模技術 主要有鉍錫合金制模技術 鋅基合金制模技術 樹 脂復合成形模具技術及硅橡膠制模技術等 4 冷擠壓及超塑成形制模技術 5 無模多點成形技術 6 KEVRON 鋼帶沖裁落料制模技術 7 模具毛坯快速制造技術 主要有干砂實型鑄造 負壓實型鑄造 樹脂砂實型 鑄造及失蠟精鑄等技術 8 其他方面技術 如采用氮氣彈簧壓邊 卸料 快速換模技術 沖壓單元 組合技術 刃口堆焊技術及實型鑄造沖模刃口鑲塊技術等 4 4 模具材料及表面處理技術發(fā)展迅速 模具工業(yè)要上水平 材料應用是關鍵 因選材和用材不當 致使模具過早失 效 大約占失效模具的 45 以上 在模具材料方面 常用冷作模具鋼有 CrWMn Cr12 Cr12MoV 和 W6Mo5Cr4V2 火焰淬火鋼 如日本的 AUX2 SX105V 7CrSiMnMoV 等 常用新型熱作模具鋼有美國 H13 瑞典 QRO80M QRO90SUPREME 等 常用塑料模具用鋼有預硬鋼 如美國 P20 時效硬 化型鋼 如美國 P21 日本 NAK55 等 熱處理硬化型鋼 如美國 D2 日本 PD613 PD555 瑞典一勝白 136 等 粉末模具鋼 如日本 KAD18 和 KAS440 等 覆蓋件拉延模常用 HT300 QT60 2 Mo Cr Mo V 鑄鐵等 大型模架用 HT250 多工位精密沖模常采用鋼結硬質合金及硬質合金 YG20 等 在模具表面處理方面 其主要趨勢是 由滲入單一元素向多元素共滲 復合滲 如 TD 法 發(fā)展 由一般 擴散向 CVD PVD PCVD 離子滲入 離子注入等方向發(fā)展 可采用的鍍膜有 TiC TiN TiCN TiAlN CrN Cr7C3 W2C 等 同時熱處理手段由大氣熱處理 向真空熱處理發(fā)展 另外 目前對激光強化 輝光離子氮化技術及電鍍 刷鍍 防腐強化等技術也日益受到重視 設計用紙 第 22 頁 共 23 頁 4 5 模具工業(yè)新工藝 新理念和新模式逐步得到了認同 在成形工藝方面 主要有沖壓模具功能復合化 超塑性成形 塑性精密成形 技術 塑料模氣體輔助注射技術及熱流道技術 高壓注射成形技術等 另一方 面 隨著先進制造技術的不斷發(fā)展和模具行業(yè)整體水平的提高 在模具行業(yè)出 現了一些新的設計 生產 管理理念與模式 具體主要有 適應模具單件生產 特點的柔性制造技術 創(chuàng)造最佳管理和效益的團隊精神 精益生產 提高快速 應變能力的并行工程 虛擬制造及全球敏捷制造 網絡制造等新的生產哲理 廣泛采用標準件通用件的分工協(xié)作生產模式 適應可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保要求的綠 色設計與制造等