汽车模具先进制造技术现状与行业发展趋势

虞耀君 马明亮 丁志华

(①九江学院机械与材料工程学院,江西九江 332005;②九江学院教务处,江西九江,332005)

目前,我国模具总产值已跃居世界第三,仅次于日本和美国,其中汽车、摩托车、家电行业是模具最大的市场,占整个模具市场份额的80%以上[1]。国家统计局数据显示,2007年,中国模具市场容量已超过700亿元,预计“十一五”末期,中国模具业市场份额将达1400亿元。

随着我国模具行业产品细分化、专业化的趋势,汽车模具行业迅速发展起来。具有一定规模的国内汽车车身模具制造企业有l00多家,其中产值超过1亿元的就有20家。国内大型数控机床数量已经超过800台,与德国、美国、日本的大型数控机床数量相当。

但是,我国离模具强国的距离还较远。“十二五”期间,我国应抓住重点企业和重点产品进行突破,汽车覆盖件模具就是突破口之一。在汽车覆盖件模具中,加大中高档轿车模具的投入力度,下功夫突破某些关键技术尤其重要。本文据此进行了分析。

1 汽车模具先进制造技术现状分析

1.1 高速、高精度加工

目前高速高精度加工已被国际先进企业普遍采用,国内也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的不单纯是为了提高加工效率,更重要的是通过高速实现小步距、低残留的高精度加工。

汽车模具型面的加工属于高度复杂的自由曲面加工,能不能实现高速加工,主要是取决于数控机床曲面加工的动态精度,而不是取决于一般机床产品样本中所说的静态精度。一台适用于汽车模具的高速数控铣,必须同时具备高刚度、高精度、高转速、优良的动态性能、高速下的连续工作时间等综合性能[2]。遗憾的是,国内机床复杂曲面加工的动态精度还没有一个统一的标准可供参考。

高精度加工的目标就是最大程度地减少钳修。比如,上下模刃口间隙直接加工到位;冲孔凸凹模直接安装无需调试;拉延模曲面有很高的光顺性以及无接刀痕迹;凸棱的较小粗糙度值和凹角无干涉等。

1.2 粗加工高速化

传统的粗加工一般通过深切削、低转速、低进给一次完成加工。数控机床在低转速、低进给条件下的加工扭力很大,而总功率却很小,机床效率发挥不出来。为提高加工效率,现在粗加工的发展趋势是中转速、中吃深、高进给、多层加工完成。虽然加工的层数增加了,但由于机床功率实现了最大化,一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工艺方法,特别适应于粗、精一体化加工机床,不失为一种值得推广借鉴的新技术。

1.3 镶块铸件化与高效加工

镶块的加工在模具总加工量中所占比重较大,因此有效地缩短这部分工时意义重大。最好的加工办法是少切削和无切削,目前发展的重点就是镶块的铸件化和通过合理设计来最大程度地减少加工面[3]。

1.4 汽车模具的CAD/CAM技术

在模具CAD/CAM系统中,产品的几何模型是其最基本的核心数据,并作为整个设计和计算分析中最原始的依据,通过模具CAD/CAM系统的计算、分析和设计得到大量信息,运用数据库和网络技术将数据存储并直接送到生产环节的各个方面,从而实现设计制造一体化。与传统的制造方法相比,采用CAD/CAM模具生产,可以缩短模具制造周期以满足产品更新频繁的需求,同时大为提高模具精度。

1.5 汽车模具的快速成形技术

快速成形技术(Rapid Prototyping,简称RP)是一项集计算机辅助设计、精密机械、数控技术和材料学为一体的新兴技术,它采用离散堆积原理,将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。以RP技术为支撑的快速模具制造技术(Rapid Tooling,简称RT),也正是为了缩短新产品开发周期,早日向市场推出适销对路的产品而发展起来的新型模具制造技术。采用RT技术制模,制作周期为传统模具制造的1/10～1/3,生产成本仅为1/5～1/3,同时工艺简单,精度和寿命能满足功能需要,综合效益良好,是一种快捷、方便、实用的模具制造技术,特别适用于新产品开发、工艺和功能验证以及多品种小批量产品生产[4-5]。

1.6 汽车模具的电刷镀和喷焊快速修复

采用电刷镀及喷焊等方法可以现场快速修复各类汽车、摩托车模具,其中对于汽车地板革成形模具,采用刷镀工艺可获得与基体结合良好的修复镀层,镀层表面硬度达60～62 HRC,完全满足使用要求。对于汽车半轴摆动辗压模具,采用喷焊修复工艺可得到硬度60～65 HRC的模具表面修复喷焊层,经过2年连续使用仍表面光亮,未出现变形和裂纹等缺陷[6]。

1.7 汽车模具的离子渗氮新技术

1999年,卢森堡Ib.Georges J发明了活性屏离子渗氮技术。其原理是将高压电源的负极接在真空室内金属屏上,被处理的工件置于金属屏内,当金属屏接通高压电源后,低压反应室内的气体被电离,在电场的作用下,被激活的气体离子轰击金属屏使金属屏升温;同时,在离子轰击下不断有铁或铁的氮化物微粒被溅射出来,以微粒的形式沉积到工件表面,微粒中的氮向工件内部扩散,达到渗氮的目的[7]。

在活性屏离子渗氮过程中,金属屏同时起到两个作用:一是通过辐射将工件加热到渗氮处理所需的温度;二是向工件表面提供铁或铁的氮化物微粒。

活性屏离子渗氮新技术的特点是:在渗氮过程中,工件处于悬浮状态,离子轰击金属屏而不是工件本身。与常规离子渗氮相比,该技术可以处理不同形状的工件,并能消除边缘效应以及空心阴极效应,还能方便地测量工件的温度等。

通过离子渗氮技术在模具表面形成一层比基体材料硬度和强韧性更高的耐疲劳渗氮层,可以在保持模具表面减少热疲劳裂纹的萌生与扩展前提下,充分发挥离子渗氮提高模具抗热变形与热磨损的能力,从而使模具寿命大为延长。

1.8 钳工制造的只装不配少修

消灭钳工是国外一些模具企业提出的理想口号,它集中地代表了模具制造技术的发展方向;通过CAD技术的提高而实现全数字化制造和少人无人化加工;通过CAM技术的提高而实现装配、研合、推磨等钳工作业的高效;通过CAE技术的提高而实现模具调试一次成功。

2 汽车模具行业的发展趋势分析

(1)精益生产、智能制造、快速成型。

(2)虚拟仿真技术,把设计、加工、装配、成型等工序统一反映在虚拟环境当中。

(3)CAD/CAE/CAM向智能化、三维化和协同作业方向发展。具体表现为:模具设计、分析及制造三维化;模具软件智能化;模具软件应用网络化趋势。

(4)模具加工、检测设备向高精度、高效和多功能方向发展。具体表现为:高速、多轴、高精度的模具加工设备;模具检测设备的日益精密、高效;现场化的模具检测技术;快速经济的制模技术。

(5)模具材料及表面处理技术发展迅速。具体表现为:模具钢材料系列化、新品研发;模具表面处理新技术推广应用,如硬化膜沉积技术、镜面抛光技术等。

(6)模具、零件日趋大型化、精密化、复合化。具体表现为:多功能的复合模具;注射模推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术以提高制件的生产效率和质量,同时大幅度节约原材料;高精度模具加工精度要求在1 μm以内;超精加工工艺。

(7)企业管理与协同作业要求越来越严格。模具需求量不断增加、更新速度加快、质量要求越来越高,交货周期缩短,这些都给企业管理提出了更高要求。因此,需要引进世界先进制模技术和设计软件;强调质量、协同作业、降低成本;强调人的因素、重视人才[8]。

3 汽车模具行业未来供给及市场需求预测

总的来说,中国技术含量低的模具已供过于求,其市场利润空间狭小,而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要,精密、复杂的冲模以及轿车覆盖件模等高档模具仍有较大发展空间。中国汽车模具行业今后的发展方向应该注重产品结构的调整和定位。

目前,国内汽车冲模行业年生产能力只有80～90亿元,而中国汽车市场的模具需求量已达到200多亿元。中国汽车工业的高速发展给模具工业发展提供了巨大机遇。

当前汽车覆盖件模具每年市场容量约人民币60亿元,主要包含两部分需求:一是新车型,二是改型车。一款全新车型需汽车覆盖件模具350～400副,价值约1.2亿元。按2010年国产新车型42款计,折合50.4亿元;一款改型车平均约有25%的汽车覆盖件模具需要更换,更换的模具价值约0.3亿元,按2010年约87款改型车计,折合26.1亿元。由于汽车行业的快速增长,预计汽车覆盖件模具行业市场需求增速将达每年20%,2010年汽车覆盖件模具的市场容量将超过95亿元。

4 结语

中国模具市场特别是汽车模具市场的发展潜力巨大,现已成长为具备相当规模行业,但是距离模具强国还有较大的差距。中国技术含量低的模具已供过于求,市场利润空间狭小;而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要,精密、复杂的冲模以及轿车覆盖件模等高档模具仍有很大发展空间。本文简要介绍了汽车模具的制造技术,包括高速高精度加工、粗加工高速化、镶块铸件化、CAD/CAM技术、快速成型技术、电刷镀和喷焊快速修复、离子渗氮新技术等。在此基础上对中国汽车模具的未来发展趋势和市场需求进行了预测。中国汽车模具行业今后的发展方向应该注重产品结构的调整和定位,进一步提升模具的制造技术水平,占领结构复杂、精度好、技术先进的高档模具市场。

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[4]刘全心.快速制造工艺路线及其在汽车模具中的应用[J].机电工程技术,2008(6):33-35.

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[7]叶德海.汽车模具的离子渗氮技术[J].汽车与配件,2008(2):47-48.

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