1、模具设计相关专业毕业论文之文献综述模具设计文献综述1.前 言模具是工业生产中的重要工艺装备，是国民经济各部门发展的重要基础，是衡量一个国家生产力发展水平的重要标志之一，模具已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。随着改革开放和国民经济的高速发展，推动了模具技术和模具工业的新发展，在仪器仪表、家用电器、交通、通讯等各行业中，75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成形，绝大部分塑料制品也由模具成形1。模具设计水平的高低、模具制造能力强弱以及模具质量的优劣，直接影响各种产品的质量、经济效益的增长及整体工业水平的提高，现代工业产品的品种发展和生产效益的提高，在很大程度上取决于模具的发
2、展和技术经济水平。模具工业已成为高新技术产业的一个重要组成部分，现代模具是高技术背景下的工艺密集型工业。模具技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。同时，模具产业带动作用很强。现在很多地方开始重视模具行业的发展了，他们认识到当地的产业优势如果要发展，不发展相应的模具产业就没有后劲。模具是效益放大器，模具是供给制品产业的，可以使相关工业的效益比自身增加约一百倍，因此它的带动作用就大。模具的发展，不光是带动了自己行业的发展，而且向全国各地方提供模具，实际上是支持了全国相关行业的发展。模具技术涉及新技术、新工艺、新材料、新设备的开发与推广应用，是一门技术综合性强的精密基
3、础工艺装备技术，是冶金、材料、理化、计量、摩擦与润滑、机电一体化、计算机等多门学科以及铸、锻、热处理、机加工、检测等诸多工种共同打造的系统工程2。用模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度是其他任何加工制造方法所不及的。由此可见，模具制造业已成为与高新技术产业互为依托的产业，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一3。冲压是利用安装在冲压设备上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法4。由于冲压加工具有许多突出的优点，因此在工业生产中，尤其是大批量生产中得到广泛应用。从精细的电子元件、仪表指针到汽车的覆盖件
4、、高压容器封头以及航空航天器的蒙皮、机身等均需冲压加工。随着工业产品的不断发展和生产技术水平不断提高，不少过去用铸造、锻造、切削加工方法制造的零件，已被质量轻、刚度好的冲压件所代替5。我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具。我国冲压模具产品质量水平低主要表现在精度、表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上；生产工艺水平低则主要表现在加工工艺、加工装备等方面6。 2.模具与模具工业 2.1模具模具是现代制造业产品零件成形加工用的成形工具或称
5、成形工艺装备。即：在合理的成形加工工艺参数、工艺条件下，采用模具与成形机床，以成形加工制造业产品零件的生产装备。其成形加工过程，可视为使金属、非金属零件精密成形的方式、方法，具有以下特点：(1)加工效率高。(2)节约原材料(相对切削加工)。(3)加工完成的零件形状、尺寸的相似性和互换性好。(4)由于模具设计与制造费用中的材料费、标准件购配费之和，一般为模具生产费用总额的20%30%。故模具技术附加值高，增值高，模具是为制造业企业创造利润的技术型社会产品。(5)由于模具须针对制造业产品零件的形状、尺寸与尺寸精度和使用性能要求进行专门设计与制造，故模具又称定制型技术产品。因此，模具不仅已成为现代制
6、造业产品生产不可或缺的技术装备，而且已成为许多产品的核心工艺技术装备。2.2模具工业随着现代制造业的发展，模具于20世纪2030年代，特别是美国于30年代制订完成第一部模具零部件标准后，才实行专业化生产。模具专业、产业化生产，经历了作坊式和工业化生产两个阶段，直至20世纪80年代初，随着计算机工业和数控机床的广泛应用，特别是模具标准化程度与水平的提高，模具生产才进入现代化生产时代，各工业国家才形成现代模具工业体系。随着我国现代制造业的发展，在学习先进工业国家建设模具工业的基础上，经过20余年的努力与进步，于20世纪90年代，在制订、完善模具技术标准体系，并实行标准件专业化生产的条件下，创建了2
7、0余个集群式模具生产基地，从而形成了生产的模具类别齐全，拥有近两万个模具生产及与之相关的企业的模具工业体系。其中，有近20%的模具生产企业，已实现了现代化模具生产方式。模具工业的优势主要体现在以下几个方面：(1)现代制造业的形成与发展，是建立模具工业体系的依据与动力。根据模具工业的产品属性和模具制造工艺及其所采用的装备，模具工业也是制造业的组成部分，是为制造业服务，为制造业提供模具的基础型工业。(2)提高模具标准化程度与水平，使模具单件生产方式实行更化改制，实现专业化量产体制，是建设现代化模具工业体系的重要内容。(3)模具工业是节约、合理分配社会资源；是为制造业创造技术附加值、为社会创造财富的
8、工业。其销售额已超过机床工业，已成为国民经济的组成部分。(4)现代制造业包括：机械制造业(机床、农机、纺机、矿山和建筑等)；汽车制造业；兵器业；铁道机车制造业；航空(天)制造业；船舶制造业；电器制造业；电子与IT器材制造业；家电制造业；建筑材料制造业等10类，都需大量精密、高质量、高性能模具。因此，统计分析制造业的产业结构和企业分布状态，研究制造业产品结构及其制件类型和质量要求，明确其对模具数量、类型与质量要求，以调整模具产业结构与规模，提高模具工业现代化建设的水平。3.模具技术现状3.1模具制造工艺目前，模具制造方法包括直接成型和堆积涂层，但以去除部分材料的剥蚀方法为主，其中又区分为以电加工
9、为主的特种加工，和使用最多的机械切削加工。模具的传统机械加工，大多采用普通切削速度仿型铣、数控铣或者电火花加工方法进行粗加工和半精加工，然后通过曲线磨削、电火花加工以及人工完成精加工。在机械切削加工方法上，随着刀具技术的进步使得刀具的切削速度提高，模具加工的切削线速度可以达到3001200n/min。先进的、日益成熟的高速切削加工(HSM)技术，在国外模具制造中已经获得广泛应用。由于切削速度和机床主轴转速达到普通加工切削速度和主轴转速的510倍，缩短了加工时间和降低加工成本；另一方面，随着切削速度的大幅度提高并超越某一极限值，切削力和切削温度逐步减小。被加工工件几乎没有发热温升，加工中发生切削
10、自激振动的可能性大大减小，有利于提高加工精度和表面质量。在高速切削加工中心机床当中，五轴联动数控铣床所占的百分比逐年上升，成为模具加工技术一个明显的发展趋势。而我国模具工业起步较晚，目前采用的基本加工方法，是普通切削速度下的数控铣削、磨削和电火花加工并重，并且大量采用人工修整来完成最后的加工。现在，数控铣削的切削速度有较大的提高，机床主轴的最高转速大多上升到400010000n/min，同HSM(机床主轴大于10000n/min)切削速度的差距逐步缩小。有少数资金充足、技术较先进的模具企业，已经引进HSM机床设备，以期尽快掌握这项先进加工技术。但从总体来看，装备水平仍比国外企业落后许多，特别是
11、设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等方面原因，引进设备不配套、刀具不配套，或者计算机辅助制造(CAM)计算机辅助设计(CAD)软硬件系统不配套。装备水平低，设备利用率低的问题长期得不到较好的解决，从而带来我国模具企业钳工比例过高等问题。同时，由于工装设备不完善、先进的智能化的NC加工技术得不到普及和推广，制约着我国模具加工的精度和模具开发周期。此外，快速成型，快速制模技术在我国得到重视和发展，许多研究机构致力于这方面的研究开发。清华大学、华中理工大学、西安交通大学等单位都自主研究开发了快速成型技术与设备，取得了一大批具有国际、国内先进水平的科研成果，但目前
12、大都难以在企业中推广和应用。3.2模具材料因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的45%以上。在整个模具价格构成中，材料所占比重不大，一般在20%30%，因此，选用优质钢材和应用的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说，要采用电渣重熔工艺，努力提高钢的纯净度、等向性、致密度和均匀性及研制更高性能或有特殊性能的模具钢，如采用粉末冶金工艺制造的粉末高速钢等。粉末高速钢解决了原来高速钢冶炼过程中产生的一次碳化物粗大和偏析，从而影响材质的问题。其碳化物微细，组织均匀，没有材料方向性；因此，它具有韧性高、磨削工艺性好、耐磨性高、长年使用尺寸稳定等特点，特别对形状复杂的冲件
13、及高速冲压的模具，其优越性更加突出，是一种很有发展前途的钢材。模具钢品种规格多样化、产品精细化、制品化，尽量缩短供货时间亦是重要发展趋势。热处理和表面处理是能否充分发挥模具钢材性能的关键环节。模具热处理的主要趋势是：由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗(如TD法)发展；由一般扩散向CVD、PVD、PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展；可采用的镀膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C等，同时热处理手段由大气热处理向真空热处理发展。另外，目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀(刷镀)防腐强化等技术也日益受到重视。3.3模具CADCAE/CAM一体化模具CAD/CAE
14、/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。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。目前，在西方发达国家已进入了CAE实用化阶段，我国也已有一批从事CAE技术的研究和应用的科技人才，自主开发的CAD/CAE/CAM系统有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统；华中理工大学开发的注塑模HSC系统及CAE软件；上海交大模具CAD国家工程中心开发的冷冲模CAD系统等，能够为企业提供产品设计、三维造型与NC编程、逆向工程、三坐标测量、模具设计与分析、技术培训以及模具CAD/CAE/CAM
15、技术开发的全方位技术支持，为进一步普及模具CAD/CAE/CAM技术创造了良好条件。虽然CAD/CAE/CAM技术已在塑料模、汽车覆盖模、压铸模主要生产厂家得到了应用，但在全行业还存在着较大空白，一些国有企业的模具生产部门因缺乏资金，许多作坊式的模具生产小厂缺乏必要的技术人才，先进的计算机模拟(CAE)技术没能在模具开发中真正得到广泛应用，大多国内的模具厂家还主要停留在传统的以经验知识为主的“试错法”来开发模具产品，这样必然需要投入大量的人力、物力，增加了开发成本和延长了开发周期，降低了产品的市场竞争力。4.模具技术的发展趋势发展模具工业的关键是制造模具的技术和相关人才以及模具材料。模具技术的
16、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。模具越来越向着人型化、高精度化、多功能复合模具化等方向发展。在国内，许多模具企业十分重视技术的发展，加大了技术研发的投资力度，将技术进步视为食业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大学也开展了模具技术的研究和开发。4.1新一代模具CADCAECAM软件技术 目前，英、美、德等国及我国一些高等院校和科研院所开发的模具软件，具有新一代模具CAD/CAE/CAM软件的智能化、集成化、模具可制造性评价等特点。新一代模具软件应建立在从模具设计实践中归纳总结出的大量知识上。这些知识经过了系统化和科学化的整理。以特定的形式存储
17、在工程知识库中并能方便地被模具所调用。在智能化软件的支持下，模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿；而是在先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富知识和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性。(1)模具软件功能集成化。模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。模具CAD/CAE/CAM 技术与GT、CE（Concurrent Engineering）、CAE、CAPP（Computer Aided Process Planning）
18、、PDM（Product Data Management）等技术密切相连，组成一个有机的整体，建立一个统一的全局模具产品数据模型，在模具开发、模具设计中，提供全部的信息，使信息共享、交换处理和反馈，它综合了计算机技术，系统集成技术，并行技术和管理技术，最终将发展成为 CIMS（Computer Integrated Manufacture System，计算机集成制造系统）7。(2)模具软件智能化 模具CAD/CAE/CAM技术中的智能化是指由模具CAD/CAE/CAM软件系统和人类专家共同组成的人机一体化系统，它能再模具生产过程中进行分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，有效地实现了人与模
19、具设计系统的有机融合及人的智能的充分发挥。近年来，人工智能在模具 CAD/CAE/CAM 系统中的应用主要集中在知识工程的引入和模具设计专家系统开发上8。目前，在模具的设计和制造过程中，在很多环节上仍然依靠模具设计人员的经验。如模具设计方案的选择、工艺流程和参数的选择、模具结构的优化等，模具CAD/CAE/CAM 设计系统只是完成一些简单建模和数值计算，缺乏灵活性和可靠性。这就要求模具设计系统必须利用KBE（Knowledge-Based Engineering）技术进行深入的改造，从分发挥、利用知识库和专家系统设计出高质量的模具。在模具行业已有成功案例，如华中科技大学模具技术国家重点实验室在
20、国产注射成型模拟软件HSCAE6.10 中成功地引入了人工智能技术。(3)模具软件应用的网络化趋势网络化敏捷制造与模具CAD/CAE/CAM 技术的结合是当今模具制造业中的主流方向之一9。网络化模具制造指的是：面对模具市场机遇，针对模具市场需要，利用以因特网为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会模具制造资源，快速地组合成一种超越空间概念的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体网络联盟模具制造企业，以便快速推出高质量、低成本的模具产品。随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，模具软件应用的网络化的发展趋势是使CAD/CAE/CAM技术跨地区
21、、跨企业、跨院所在整个行业中推广，实现技术资源的重新整合，使虚拟设计、敏捷制造技术成为可能。美国在其21世纪制造企业战略中指出，2006年实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。4.2模具检测、加工设备精密化模具向着精密、复杂、大型的方向发展，对检测设备的要求越来越高。目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。实现了从测量实物建立数学模型输出工程图纸模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。(1)数控电火花加工机床日本沙迪克公司采用直线电机伺服驱动的AQ325L、AQ550USWEDM具有驱动反应快、传
22、动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的NCEDM具有PE3自适应控制、PCE能量控制及自动编程专家系统。另外有些EDM还采用了混粉加工工艺、微精加工脉冲电源及模糊控制(FC)等技术。(2)高速铣削机床(HSM)铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高(为普通铣削加工的510倍)及可加工硬材料(60HRC)等诸多优点。因而在模具加工中日益受到重视。HSM主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模等曲面加工。(3)模具自动加工系统的研制和发展随着各种新技术的迅速发展，国外已出现了模具自动加工系统，这也是我国
23、长远发展的目标。模具自动加工系统应有如下特征：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。4.3快速经济制模技术的广泛应用缩短产品开发周期是赢得市场竞争的有效手段之一。与传统模具加工技术相比，快速经济制模技术具有制模周期短、成本较低的特点，精度和寿命又能满足生产需求，是综合经济效益比较显著的模具制造技术。快速原型制造(RPM)技术是伴随着计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的，是基于新颖的离散/堆积(即材料累加)成形思想，根据零件CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体(模型)制造的一项全新高科技技术。它包括激光
24、立体光刻技术(SLA)；叠层轮廓制造技术(LOM)；激光粉末选区烧结成形技术(SLS)；熔融沉积成形技术(FDM)和三维印刷成形技术(3DP)等。因此，快速原型制造(RPM)技术是集精密机械制造、计算机技术、NC技术、激光成型技术和材料科学于一体的新技术，是当前最先进的零件及模具成型方法之一。RPM技术可直接或间接用于模具制造，具有技术先进、成本较低、设计制造周期短、精度适中等特点。从模具的概念设计到制造完成仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右。现在是多品种、少批量生产的时代，到下一个世纪，这种生产方式占工业生产的比例将达75%以上。一方面是制品使用周期短，品种更新快，另一方面制
25、品的花样变化频繁，均要求模具的生产周期越快越好。因此，开发快速经济模具越来越引起人们的重视。例如，研制各种超塑性材料(环氧、聚脂等)制造(或其中填充金属粉末、玻璃纤维等)的简易模具、中、低熔点合金模具、喷涂成型模具、快速电铸模、陶瓷型精铸模、陶瓷型吸塑模、叠层模及快速原型制造模具等快速经济模具将进一步发展10。快换模架、快换凸模等也将日益发展。另外，采用计算机控制和机械手操作的快速换模装置、快速试模技术也会得到发展和提高。4.4模具表面加工智能化模具表面的精加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。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，我国目前仍以手工研磨抛光为主，不仅
26、效率低(约占整个模具制造周期的1/3)，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。因此，研究抛光的自动化、智能化是模具抛光的发展趋势。日本已研制了数控研磨机，可实现三维曲面模具研磨抛光的自动化、智能化。另外，由于模具型腔形状复杂，任何一种研磨抛光方法都有一定局限性。应发展特种研磨与抛光，如挤压衍磨、电化学抛光、超声波抛光以及复合抛光工艺与装备，以提高模具表面质量。5.模具标准化由于冲压生产的高效率以及冲压产品良好的综合力学性能，在现代工业产品中越来越多的冲压件取代机械加工零件已是大势所趋。要很好地满足日趋增长的冲压产品的需要，必须有高效批量的冲模生产方式和手段与之相适应，
27、这就需要冲模工业打破传统的生产制造模式，其关键是大力提倡和发展冲模标准化。模具标准化制造及模具标准件的发展，已成为衡量一个国家工业化水平和创新能力的重要标志。使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。为此，首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产，提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件规格品种，发展和完善联销网，保证供货迅速。 5.1冲模标准制定原则制定冲模标准时，必须使制定出的标准能全面有效地控制、保证和提高模具设计和制造质量，最大限度地节约原材料，提高材料利用率。其制定原则主要包括以下几个方面：（1）保证模具产品标准的
28、通用性。（2）基于国家标准的模具标准尺寸。冲模的零部件的主要尺寸和尺寸系列须采用国家标准标准尺寸。各类产品采用作为技术参数的数值要有利于 各部门产品间的协调。（3）采纳或等效采纳国际通用模具标准。（4）参照或采纳国际先进标准。我国模具标准化技术委员会在制定冲模模架的通用零件以及它们的技术条件等国家标准时，除了全面采纳ISO/TC29/SC8公布的通用零件标准外，在技术指标及参数等方面参照和部分采纳了德国的DIN标准和哈斯科企业标准、美国DME公司标准、日本JIS标准和双叶电子工业公司标准11。 如冲模模架及其技术条件标准中的两项精度指标；上下模座的导柱、导套安装孔的轴心线与基面的垂直度等。(5
29、)执行和采用国家基础标准。 5.2模具标准化的意义(1)节省设计时间，降低设计工作量。由于模具结构及制造精度要求与产品形状及生产批量相一致，因此有的模具可设计成简单模，而有些模具结构却相当复杂，如汽车覆盖件模具与级进模等，有时一副模具的零件数可达一百多个，设计与制造周期很长。模具实现标准化后，设计时只需要对工作部分进行重新设计，而其他部分直接选用标准件即可，由此便可大量简化模具 的设计过程，模具图的绘制也变得简单快速了。这样不仅节省了设计时间和设计工作量、节约设计费用和办公费用，而且还会减少设计过程中的一些失误，并且有利于模具图纸和设计资料的管理。(2)节约制造成本，减少模具加工时间。模具实现
30、标准化后，模具各零部件可以按系列进行批量加工，在模具生产量大的情况下，还可以采用工装进行模具加工，和单件加工相比，既节省了材料和工时，对模具的加工质量和装配精度也有很大的提高，同事可以节约装配工时，降低装配工人的劳动强度，在对模具零件进行热处理时，可集中处理，降低开炉次数，节省大量能源。另外，由于增加了外购模具标准件，从而大幅度减少了模具制造工作量，达到了缩短模具加工时间的目的。(3)保证设计、制造质量缩短模具生产周期。模具设计、制造的标准化可稳定和提高模具设计质量并保证制造过程中必须达到的质量规范，从而保证工业产品零件的加工质量，使工业产品零件的不合格率减少到最低程度。在不采用模具标准化、系
31、列化时，一般中、小型模具从设计、制造、装配到试模大约需要56个月的时间，大型模具要到达1012个月甚至更长，这很难跟上时代的发展及市场的竞争。如果实现模具的标准化及系列化，可大大缩短模具的生产周期。一般中、小型模具可缩短40%50%，大型模具也能缩短30%40%12。(4)有利于实现模具CAD/CAM。模具标准化和模具CAD/CAM技术，二者相互依赖，相互促进和发展。模具技术标准时实现模具CAD/CAM的基础，可以说没有模具标准化就不可能建立起有效的模具CAD/CAM系统。综上所述，专业化制造是国产模具迅速提高技术水平和获得良好发展的有效方法。在国际制造业分工越来越细，专业水准越来越高的大背景
32、之下，我们再也不能持续低水平重复和无序竞争的现状了，即使我们不能在短期内改变所有的模具加工落后状况，至少我们可以选择其中的某一部分把它做精、做专、做大、做强。参考文献1李力等塑料成型模具设计与制造(第2版)M北京：国防工业出版社,20092张正修，张镇模具产业的现状与发展态势J.五金科技，2005(8)：l21，273李发致编著模具先进制造技术M.北京：机械工业出版社,20034 徐政坤.冲压模具与设备M. 北京：机械工业出版社，20045 余银柱、赵跃文.冲压工艺与模具设计M.北京：北京大学出版社,20056 Liu Shengguo.The Current Situation and Development of Stamping Die Technology in China.JVo.l 23No. 1Feb20077 蔡长韬，许明恒，刘晨. 基于Web 的数控磨床CAD/CAPP/CAM 技术J. 机械设计，2004，21（11）：
