中国汽车模具技术发展综述

作者：上海工程技术大学 蒋妙范

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 衡量一个国家汽车工业的综合竞争实力，要从汽车自主开发、制造的水平及能力等方面综合考虑。对当前中国汽车模具技术现状进行分析，找出发展的具体方向，对提高中国汽车工业整体水平十分重要。 汽车工业迅猛的发展，使中国在2003年汽车的产量突破440万辆，成为世界汽车生产的第四大国，并迅速向第三大国的目标进军。但衡量一个国家汽车工业的综合竞争实力，不能光从汽车生产的数量来看，更要从汽车自主开发、制造的水平及能力等方面综合考虑。汽车生产中90％以上的零部件都要依靠模具成形，可以说，汽车模具技术是汽车制造业重要的工艺基础，是与世界汽车制造行业竞争的根本条件。目前中国汽车模具技术水平和能力虽然经过十几年发展，进步很快，但在世界汽车制造业中仍处于中低水平。对当前中国汽车模具技术现状进行分析，找出发展的具体方向，对提高中国汽车工业整体水平十分重要。 汽车模具技术发展滞后 中国汽车模具技术水平和制造能力与世界发达国家相比，在设计、管理、制造、软件和硬件等全方位存在很大的差距，如： 1． 中国汽车模具CAD技术实际运用相当普遍，CAM技术引进大量数控加工设备也能进行。关键是在模具制造运用有限之模拟分析软件为代表的CAE技术，国外应用已有30年历史，而在中国汽车模具行业应用中，即不普遍又不深化，大多还是凭经验来完成。要把CAD技术、CAE技术和CAM技术有机结合，全面协调运用更是困难重重。 2． 中国汽车模具材料与汽车生产数量发展的速度相比是不相适应的。汽车模具材料的品种、质量、尺寸、性能和规格难以满足中国和世界汽车生产厂商的需要。 3． 常规和传统热处理工艺是造成中国汽车模具技术长期难以提高的主要原因，以至汽车模具的材料表面硬度、材料硬化层深度、表面金相组织统一和稳定性、硬度层分布的稳定性和残余应力分布等状况难以达到理想的要求。 4． 目前中国还大量使用汽车模具传统的制造技术，存在三大缺点，一是精度差，二是效率低（加工周期长），三是劳动力成本高。 汽车模具技术发展方向 2003年，中国模具总产值超过450亿元人民币，各类模具进口近13.7亿美元，而目前国内自产模具用于汽车生产的不足30%（在汽车工业比较发达的国家，模具用于汽车生产的占50%-60%），绝大多数的中高档汽车模具依赖进口，尤其是轿车外覆盖件模具80％靠进口。汽车模具技术发展的滞后严重影响了中国汽车工业的综合竞争实力，需要全方位的发展和提高，这任务十分艰巨，需要中国汽车模具行业付出长期艰辛的劳动。目前有如下几方面工作要做： 全面使用汽车模具CAD/CAE/CAM技术管理生产运行 汽车模具设计和制造的核心技术是冲压工艺技术（工序设计成型面设计、修冲刃口设计等）的CAE模具。把CAE技术应用于冲压工艺设计的塑性变形理论、板料技术上，试模工作量可减少50%以上，模具质量会大大提高。目前CAE商业软件在世界上大力发展和应用（见表一）。 CAE技术对板料成型分析都非常专业和实用，可以大大提高模具制造质量，缩短调试周期，一次成功率（95%以上的准确率）会大大提高。对于全面实行无图化生产，实行数字加工和全数控加工有很大意义。国内如华中科技大学模具技术国家重点实验室开发了板料冲压成形与模具设计快速分析软件 Fast AMP。 Cimatron E 5.1 的MouldDesign是基于三维实体参数的解决方案，实现了三维模具设计的自动化，能自动完成所有的单个零件、已装配产品、标准件的设计和装配；完善了五轴铣削加工的功能，其中包括五轴联动铣削、侧刃铣削、深腔铣削等；并增加了刀具夹头干涉检查功能，即使刀具在较短、切削速率较高的情况下也能完成加工的任务。因此全面实行汽车模具的 CAD/CAE/CAM有机结合和应用，会使中国汽车模具技术飞速发展。 全面提高汽车模具材料 模具材料的性能与热处理工艺将直接决定了模具的寿命，模具寿命和使用效果将影响到制造业的生产成本与产品升级。现代汽车制造对模具钢的抛光程度、加工后热处理稳定性、使用寿命等要求极高。目前模具制造用的冷作模具钢、热作通用型模具钢、塑料模具钢主要应用情况如下： 冷作模具钢 中国冷作模具钢用于生产冲压模具材料有Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V等。在Cr12MoV中铝钒含量低，综合性能差（耐磨性和韧性）易形成网状碳化物。碳化物偏析较严重，使用中容易崩刀和开裂，热处理要求高，模具成型加工有一定难度。美国、日本、法国、瑞典等国家开发高质量的D2冷作模具合金钢，这冷作模具钢系列有：SHD11（D2）、XW～42（D2）、FT32（D）以及A2、01、W1等钢种，而这些高质量钢种基本覆盖了所有冷作模具钢用材。 热作通用型模具钢 热作通用型模具钢只用于生产压铸模（铝合金、锌合金、镁合金）的热压铸模材料。中国作为热作通用型模具钢材只有两个钢号，热适应性差。而国外除了有六个通用型钢种外，还发展了DR090系的YHD3、H26等，瑞典还开发抗回火稳定性和韧性QR0905钢，日本开发适应钢的高温力学性能的DH12钢，适用于做大批量生产的铝合金压铸模、锌合金压铸模和镁合金压铸模等，使用热作通用型模具钢材料的压铸模的质量和寿命大大提高。 塑料模具钢 中国塑料模具钢标准钢只有一个钢号（其他属于不定型材料），而美国则有七个钢号，形成完整用钢系列。日本塑料模具钢已占模具钢产量首位，主要品种有非合金塑料模具钢，预硬型、镜面型、耐腐蚀型、无磁型、高温玻璃型等不同需求的塑料模具钢。 提高汽车模具热处理水平 国外已采用如下表面处理和强化技术的工艺，值得中国的学习和推广运用。 多元素共渗处理 中国传统用单一元素渗入处理，而国外转向多元素共渗、复合渗(如TD法)热处理，由一般的扩散向CVD、PVD、PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展。 激光表面处理 用激光进行表面重熔和表面合金化，可获得高性能的表面硬度层，使使用寿命提高10倍左右。激光熔凝处理是利用高能量密度的激光对金属表面熔触和激冷处理，使金属表层形成一层液态金属的激冷组织，可抑制结晶过程而形成非晶态，故也称为激光熔化――非晶态处理，又称激光上釉。 稀土元素表面强化和化学镀 用稀土碳共渗，用稀土碳氮共渗，稀土硼共渗，稀土硼铝共渗进行表面强化处理，可使处理时间缩短1/3以上，渗透提高30%左右，可改变钢的表层结构、物理化学和机械性能。用通过化学试剂将溶液中的Ni、P、B等还原析出金属的表面上从而在金属表面获得Ni-P、Ni-B等合金镀层，以提高金属抗拭性能、耐腐蚀性的工艺性，又被称为自催化还原电镀，无电镀。 纳米表面处理 在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉材料，而形成纳米复合镀层。纳米表面处理是以低非平衡材料为基础，通过特定加工，对固体表面进行强化式赋予表面新功能的一项技术，可使模具在高温下抗氧化性能和镀层的耐腐蚀性提高，耐磨性和硬度、强度、韧性、热障、抗疲劳等方面有显著改善，是提高汽车模具质量的一种重要有效方法。 提高汽车模具制造的技术 目前在模具成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。在模具加工先进技术方面主要有： 数字化高速高精度加工 随着数字化制造技术和数字化自动加工发展，国外汽车模具实现了流水线的粗加工，半精加工和精加工联合作业，为了提高精度和生产效率，高速切削（8000-10000r/min的加工）已成为模具加工的必须工艺。目前，精密模具已普遍达到了1.0-3.0μm的精度，加工表面粗糙度Ra＝0.l-0.2μm。 在数字化高速高精度加工时，注意采用耐用、重心低的机床结构，铸件为龙门高刚度结构，多轴联动，各运动轴要有相等的转动惯量；可采用对称滚珠丝杆和精密直线导轨，采用空气静压轴承的高速电动主轴，用光栅尺作为测量系统，确保高动态下的精度；高精度的对刀系统和坚固同心夹具和刀具（陶瓷刀具等），自动测量刀具和工作行程并自动补偿，彻底消除人为误差和操作误差，并带有全封闭的防护装置；高速准确的驱动和控制系统，直线电机，主轴采用陶瓷轴承。 电火花加工、激光电焊和三维腔精密成形 电火花加工，用高速旋转的筒单管状电极作二维、三维加工，效率快精度高，如：Agie progress 2线切割机床综合了找正、编辑非加工时间的优化等因素，一次切割就可以使工件达到Ra=0.8μm的表面光洁度，节约一半的时间和成本；在绝大多数的切割高度时使用标准电极丝都可以达到350-500mm2/min的切割速度；采用R模块时的表面粗糙度可达0.2μm；使用动态拐角控制，在超过400mm2/min的加工速度下获得精确的拐角和半径。 激光电焊不会引起金相组织变化和性能改变，不会产生模具翘曲、变形和开裂。三维型精密加工综合三个主要工艺，深层刻蚀，电铸和复制技术，提高模具型腔表面的硬度和耐磨性。 提高模具一次制造成功率 随着模具加工的程序化，机床加工的中心化，少人无人加工，可以最大限度降低人力的成本和人为错误，并可以实现24小时连续生产，提高劳动生产率，提高机械加工的水平，重要表现就是钳工尽可能做到只装不配和少修，提高模具一次制造成功率。国外模具企业提出消灭钳工的口号，从某种意义上来说是个方向，这是应用CAE技术，实现模具一次调试成功的根本原因，可以将汽车模具制造提高到一个新的水平。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)