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中国铸造模具的现状与发展
作者:一汽铸造有限公司 张瑞卿 付辉 姚杰    来源:雅式工业专网
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铸造模具/压铸模具展厅
压铸模具, ...
本文在对国内外铸造模具企业进行对比后,着重研讨了铸造模具的设计、制造技术和铸造模具用材。文章最后部分展望了发展前景,指出中国铸造模具的发展空间还相当大,将有更多的模具企业走上专而精的道路。

“十五”期间中国铸造巿场呈现良好趋势,2005年全国铸件总量达到1800万吨左右,球墨铸件在总产量中的比重提高到20%-25%,即320万-400万吨;随着轿车产量的增加,有色铸造件产量接近200万吨;今后国际巿场需求也将保持高速增长态势,全球对中国铸件的年需求量约为4000万吨左右,其中球墨铸铁和有色合金铸件需求量增长迅速,铸造模具产值将超过百亿元人民币。

一、国内外铸造模具企业比较

全国铸造模具生产企业,大体可以分成以下几类:第一类为铸造模具专业厂(包括合资和独资企业),这些企业设备先进,技术优良,是铸造模具行业的主力;第二类是铸造专业厂的模具车间;第三类是近年来发展迅速的私营和民营模具厂,这类企业规模不大,数量众多,各有分工,协同作战,分布在江浙、广东一带,其中有些厂已经具备了一定的实力;第四类是兼做铸造模具的其他一些模具厂。总之,铸造模具生产企业呈多元化,并向高水平发展,这也是中国经济发展带来的必然趋势。

国外发达国家的模具厂大体分为独立的模具厂和隶属于一些大的集团公司的模具厂,一般规模都不大,但专业化程度高,技术水平高,生产效率极高。

国外模具企业一般不超过100人,多数在50人以下。在人员结构上,设计、质量控制、营销人员超过30%,管理人员在5%以下。年人均产值超过100万元人民币,最高能达到200多万元人民币。国内模具企业中一些私营、合资企业人员结构和国外差不多,但一些国企的人员结构还不尽合理,在年人均产值上差距还很大,多数在10~20万元人民币,少数能达到40万元人民币。

国外模具企业对人员素质要求较高,技术人员一专多能,一般能独立完成从工艺到工装的设计;操作人员具备多种操作技能;营销人员对模具的了解和掌握很深。国内模具企业分工较细,缺乏综合素质较高的人员。

国外模具企业CAD/CAM/CAE技术的应用比较广泛,逆向工程、快速原型制造铸造模具使用也比较多。国内模具企业中一些骨干厂家在这方面和国外差距已经不大,有些已经达到国外水平,但一些中小型模具企业与国外的差距还是很大。不过在模具材料方面,随着国外技术的引进和中国自身研发能力的提高,差距在逐渐缩小。

在模具的价格和制造周期上,国外模具价格一般是国内模具的5~10倍,制造周期是2~3倍(一般把模具的调试时间也算在制造周期之内),在这两方面应该说国内模具企业还是具有一定竞争优势的。

二、铸造模具的设计与制造技术

中国虽然是铸造大国,但远非铸造强国,中国铸造工艺水平、铸件质量、技术经济指标等较之先进国家还有很大差距。铸造工艺方法以砂型铸造为主,其中手工、半机械化造型仍占很大比例,但近年来中国压铸工业发展迅速,每年保持7%~10%的增长速度。中国的汽车工业也正在成长过程中,为了减轻汽车重量,轿车的铝、镁轻金属用量将进一步增长,这就对压铸件提出了更高的质量要求。中国铸造工艺装备同先进国家相比还有一定差距。20世纪90年代以前,铸造模具的设计使用计算机的很少,制造也主要以普通万能设备为主。进入90年代,巨大的巿场需求,特别是汽车、摩托车业的快速发展,极大地推进了中国铸造模具业的发展。同时随着合资和独资企业的介入,国外先进的模具设备和制造技术的引进,促使国产铸造模具设计和制造技术水平逐步提高,一些企业已经具备设计和制造大型精密模具的能力,如一汽铸造有限公司铸造模具厂设计制造的一套3400t压铸机用的压铸模具,总重达33.5t,是目前国产压铸模中最大的模具。

20世纪90年代以来,铸造模具业在设计和制造方面的主要变化有:

(1)模具企业的生产技术水平提高,高新技术在模具的设计和制造中的应用,已成为快速制造优质模具的有力保证。CAD/CAM/CAE的应用,显示了用信息技术带动和提升模具工业的优越性,CAD/CAM/CAE已成为模具企业普遍应用的技术。CAD/CAM一体化技术已在铸造模具业中广泛使用,目前二维设计使用的软件主要是AutoCAD,三维设计使用的软件比较多,主要有Pro/E、UG、Cimatron等。

目前一汽铸造模具厂的3D设计已达到95%以上,在三维设计后使用三维虚拟装配检测技术对装配干涉进行检查,保证了模具设计质量,确保了设计和工艺的合理性。三维数据经过CAM软件编辑,NC代码直接传输到数控设备上进行模具加工。数控机床的普遍应用,保证了模具零件的加工精度和质量,大大提高了模具的准确率和生产效率。CAE技术也在逐步运用到实际设计、生产中,运用CAE技术模拟金属的充填过程、分析冷却过程、预测成形过程中可能发生的缺陷以及产品开发前期的凝固模拟,大大优化了工艺设计,缩短了试验时间。一汽铸造有限公司铸造模具厂在一些大型复杂模具,如发动机缸体、缸盖、变速箱壳体模具的设计中已经开始应用CAE技术对流场、温度场进行模拟分析,工艺成品率得到极大提高。

(2)铣削加工是型腔模具加工的重要手段。高速加工(High Speed Machining,简称HSM)是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特徵的加工技术,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5~10倍)及可加工硬材料(可达60HRC)等诸多优点,因而在模具加工中日益受到重视。高速加工技术引入模具工业,提高了模具精度,大大缩短了模具制造时间。研究表明,对于一般复杂程度的模具,HSM加工时间可减少30%以上。

目前,模具企业为了缩短制模周期、提高巿场竞争力,采用高速切削加工技术越来越多。HSM一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模具等曲面加工,其曲面加工精度可达0.01mm。在生产中采用数控高速铣削技术,可大大缩短制模时间。经高速铣削精加工后的模具型面,仅需略加抛光便可使用,节省了大量修磨、抛光时间。

增加数控高速铣床,是模具企业设备投资的重点之一。

(3)电火花加工在铸造模具制造中是不可缺少的工艺方法。电火花加工对于淬火后的深、小型腔的加工仍是有效的方案。日本沙迪克公司的直线电动机伺服驱动的数控电火花成型机床具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的电火花成型机具有的P-E3自适应控制系统、PCE能量控制系统及自动编程专家系统,在铸造模具制造中有其不可替代的作用。

(4)精密、复杂、大型模具的发展,对检测设备的要求越来越高。现在精密模具的精度已达2~3μm,铸造模具的精度要求也达到10~20μm。目前国内厂家使用较多的检测设备有意大利、美国、德国等具有数字化扫描功能的三坐标测量机。如一汽铸造有限公司铸造模具设备厂拥有德国生产的1600mm×1200mm三坐标测量机,具有数字化扫描功能,可以实现从测量实物到建立数学模型,输出NC代码,最终实现模具制造的全过程,成功地实现逆向工程技术在模具制造中的开发和应用。这方面的设备还包括:英国雷尼绍公司的高速扫描仪(CYCLON SERIES2),该扫描仪可实现激光测头和接触式测头优势互补,激光扫描精度为0.05mm,接触式测头扫描精度达0.02mm。

利用逆向工程制作模具,具有制作周期短、精度高、一致性好及价格低等许多优点。

(5)快速原型制造铸造模具已进入实用阶段,LOM、SLS等方法应用的可靠性和技术指标已经达到国外同类产品水平。

(6)模具毛坯快速制造技术。主要有干砂实型铸造、负压实型铸造、树脂砂实型铸造等技术。

(7)用户要求模具交付期越来越短、模具价格越来越低。为了保证按期交货,有效地管理和控制成本已成为模具企业生存和发展的主要因素。采用先进的管理信息系统,实现集成化管理,对于模具企业,特别是规模较大的模具企业,已是一项极待解决的任务。如一汽铸造模具厂基本上实现了计算机网络管理,从生产计划、工艺制定,到质检、库存、统计、核算等,普遍使用了计算机管理系统,厂内各部门可通过计算机网络共享信息。

利用信息技术等高新技术改造模具企业的传统生产已成为必然。

三、铸造模具用材料

铸造模具用材料可分别选用木材、可加工塑料、铝合金、铸铁、钢材等。

木模目前仍广泛应用于手工造型或单件小批量生产中,但随着环境保护要求和木材加工性能差的限制,取而代之的将是实型铸造。实型铸造以泡沫塑料板材为材料,裁减粘贴成模样,然后浇注而成铸件,该方法较之用木模,周期短、费用低。

塑料模的应用呈上升趋势,尤其是可加工塑料的应用日益广泛。

铝合金模由于重量轻尺寸精度较高,因此应用较广泛。但近来应用有减少趋势,部分已被塑料模和铸铁模所取代。

铸铁模是大批量铸造生产的首选,并被大量使用。它具有强度高、硬度高、加工性好、成本低、使用寿命长等优点。近几年来,由于铸造水平的提高,已有越来越多的模样、模底板、型板框等采用强度和耐磨性更高的球铁或高强度合金灰铸铁制作,而耐热疲劳性能更好的蠕墨铸铁也被用于制作热芯盒材料。

钢材以往在砂型铸造模具上主要用于制作标准件及结构件,较少用于制作铸造模具本体,因为碳钢使用寿命并不高于球铁或低合金灰铸铁,而合金钢又十分昂贵。随着模具加工技术的提高及对铸模尺寸稳定性要求的提高,一些模具钢、铬钼合金钢,如H13钢,也开始用于制作热芯盒和铸模本体。在压铸模具中衬模材料早期主要采用3Cr2W8V,近年来较多地采用H13、瑞典的8407、DIVER等热作模具钢。压铸模具其他部分材料有碳钢、工具钢,也有一些铸铁。

模具型腔材料的重大改进,新的钢种也会有所进展。压铸模具由于其工作状态的苛刻性,对于材料有较高的要求,世界上发达国家都采用优质H13钢,国外模具钢厂直接以优质H13钢模块供应用户,不但方便用户,缩短用户的模块备料周期,更重要的是能确保模块的质量。由于国产H13模块材质得不到保证,影响了模具企业的生产,进口的H13钢价格远远高于国产钢材,为了降低模具制造成本,极待开发国产优质压铸模具用钢。一汽铸造模具厂与吉林大学合作开发的新型高寿命压铸模具用钢,已初见成效。

四、中国铸造模具的发展前景

从长期发展来看,中国经济保持持续增长,今后铸造模具总体需求还会增长。中国模具近年来以平均17%的速度增长,高于中国GDP的平均增值一倍多。铸造模具也可以保持同步的发展,因此铸造模具还有很大的发展空间。

铸造模具企业要转换机制,发展专业化生产,增强巿场意识,促进铸造模具业的产业结构调整。过去,在计划经济条件下,大型企业内部设有模具分厂(车间),制造能力和技术力量较强,占了国内模具产值的相当比例,除少量标准件外购外,大部分工作量均由模具分厂去完成,致使专业化、标准化程度低。加之受企业管理体制的约束,模具制造周期长,不能适应巿场要求。进入WTO后,中国铸造模具业也在逐步融入世界贸易一体化中。通过彻底的改革将计划经济的影响消除,为此,模具的商品化程度也将大幅度提高,国企股份制改造的步伐将加快,私营和个体企业的发展,使模具工业的企业结构发生较大变化。模具行业社会化大合作和专业化将加强,这是抵御加入世界贸易组织冲击的有效措施。传统的企业内的模具车间将有一部分通过改制成为独立核算的新经济实体,而大部分将被逐步淘汰,更多模具企业将走上专业化的道路,在本身专长的产品上保持优势,走专而精的道路,这样才能在竞争中得以生存和发展。过去那些没有专长项目、包括所有类型的模具企业,造成设备、人才、资金等分散,这些企业将逐步在相对优势的项目上做强,得到发展,而将非专长的项目淘汰。模具的标准化也将进一步推行,模具的标准零件生产企业也将会得到快速的发展。

模具是技术密集型和劳动密集型结合的产业,中国有优秀的人才,模具钳工技术水平高,劳动力成本低。进入WTO后,中国的投资环境得到更大的改善,外商投资可以享受到国民待遇,不再会有外汇平衡、外销配额的问题,所以中国的模具行业将会有更多的中外合资和外方独资模具企业。同时,由于日本、新加坡和中国台湾等国家和地区的制造业生产点外移呈不可逆转之势,更加开放的中国内地自然成为首选,模具企业势必跟进。

由于中国模具生产成本大大低于国外,随着模具制造技术的完善和质量的提高,不仅可以减少模具的进口,而且有可能逐步开拓出口巿场,向国外出口更多的模具。

中国加入WTO后,模具进口在短期内将继续保持增长势头,模具出口将会有很大发展。相对东南亚及中东等国家,中国模具在技术、质量及价格上占有优势,出口前景看好。而外资企业进入中国,其模具的返销及出口也将成为中国模具出口的重要组成部分。

提高铸造模具设计和制造水平,主要包括:广泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技术;工艺和工装设计一体化;提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计和制造水平;大力发展快速制模和快速成形技术(RPM);发展高速加工技术、发展高速测量技术和逆向工程(RP);采用优质铸模材料,提高表面处理技术;提高铸造模具标准化水平和扩大标准件的使用范围。

积极推进行业管理,构筑行业管理协调网络,建立公平、合理的铸造模具价格体系。进一步规范模具巿场,规范的巿场经济对质量的要求更为严格,质量就是巿场。

现代制模的质量依赖于物化因素,再现能力强,整体水平容易控制。现代制模采用并行方式进行,设计和制造基于共同的数学模型,可以在模具总体工艺方案指导下通过公共数据库并行通信,相互协调,共享信息,以减少重复劳动,缩短加工周期。

总之,中国的铸造模具企业要发展,就必须转换机制,发展专业化生产,增强巿场意识,促进铸造模具业的产业结构调整;积极推进行业管理,建立行业管理协调网络;加强技术人才的培养,强化一专多能;广泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技术,提高铸造模具设计和制造水平;大力发展快速制模和快速成形技术、高速加工技术、高速测量技术和逆向工程等新技术、新工艺、新材料;提高铸造模具标准化水平和扩大标准件的使用范围。模具企业必须不断提高自身的技术水平和管理能力,才能在国内模具巿场有立足之地,才能逐步开拓国外模具巿场。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/13/2007)
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