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汽车研发关键技术--快速模具制造及其应用
作者:瑞鼎机电科技公司 王运赣 文成 张琳
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摘要:模具是制约汽车开发与生产的瓶颈,新型快速模具不但能显著缩短制作周期、降低成本,还能提高制件的品质与生产效率,其中最适合汽车研发的是硅橡胶模。本文介绍了快速模具的类型、应用状况,以及制作大型、复杂、精密硅橡胶模的关键技术。
关键词:汽车;模具;快速成形;快速制造;硅橡胶

1 快速模具制造及其应用的重要性

随着社会的进步与经济的发展,市场竞争愈来愈剧烈,迫使制造业在不断改善产品的性能与品质的前提下,最大限度地缩短新产品的开发周期、降低成本,以便快速响应用户最新的需求。这种趋势在汽车、摩托车、电子产品、家电产品、玩具等制造业显得尤其突出。例如,电子产品的开发周期已降至不到一年,在玩具制造业,常常是第一季度开发,第三季度大批量生产,第四季度销售。著名的HP(惠普)公司80%以上的利润来源于年龄不满2 年的产品。所以,快速、高效地开发新产品是竞争取胜的一个关键因素。实现新产品的快速、高效开发涉及多种领域的先进技术,例如,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)、新材料,以及产品与相应工艺装备的快速成形、制造等,其中特别是有关模具的设计与制作技术。

汽车是最复杂、最有影响的一种消费品,由于用户与竞争者的压力,迫使汽车工业必须优化其产品开发过程,迅速地提高产品的品质并将其推向市场,还要最大限度地满足用户的要求。10 年前,开发一辆新汽车的时间大约为60 个月,而现在仅18 个月。众所周知,汽车的开发、生产离不开模具,尤其是铸造、锻压、注塑等工艺所需的模具。试制原型件常常需要模具,汽车的生产更需要模具。然而,模具的开发、制作时间与成本,又往往是整个汽车开发时间与成本的主要部分,既费时又费钱。通常,25%的汽车开发时间与大部分的成本用于原型与模具的制作。例如,一付大型、复杂的模具的开发一般需要6 个月以上的时间与几十万至几百万元以上的费用,一付小型、中等复杂的模具的开发一般也需3 个月以上的时间与几万元至几十万元以上的的费用。根据美国汽车工业统计,其平均67%以上的投资与模具有关。在我国,由于试制新车的能力比较差,因此,在试制阶段不得不高价从国外进口试制件,以进口装饰件为例,60 种(每种15 件)就需300 多万元。

因此,模具是制约汽车开发与生产的瓶颈,要缩短汽车的开发与生产周期、降低成本,必须首先缩短模具的开发与生产周期,降低模具的成本,使模具更结实、耐用。

通常,模具由锻造钢坯或铝坯经传统机械加工而成,砂型铸造模型虽然可用木材制作,但仍需机械加工。由于模具上常常有一些复杂的特征与自由表面,精度与光洁度要求比较高,所以加工周期长,成本高。

应该指出的是,由于计算机数控(CNC)加工机床、加工中心、柔性系统,以及高速切削等先进技术的发展,能使模具加工的周期缩短,但是至今为止,每道工序的工艺并无重大改变,仍然存在调整时间长、复杂刀具轨迹的自动生成困难、成本高等大问题。当产品的生产批量较小时,模具的制作工时与成本分摊在每件产品上的数额更大,上述问题尤为突出。传统机加工模具的另一个问题是,这种模具的柔性比较差,一旦设计有些改变,原有模具难于修改,几乎不得不重新制作。所以,必须寻求快速模具制造的新方法。

2 快速模具制造的新概念

在现代先进制造技术中,有一项称为Rapid Prototyping & Manufacturing(快速成形与快速制造,简称RP&M)的支柱技术,应用这种技术能快速制作工件,并使其材质特性接近或几乎与期望的产品特性相符。

其中,Rapid Prototyping (快速成形,简称RP)指的是一种新工艺,它能根据工件的CAD 三维模型, 快速制作工件的实体原型,而无需任何附加的传统模具或机械加工; Rapid Manufacturing(快速制造,简称 RM) 主要指的是Rapid Tooling (快速模具制造,简称RT)——用快速成形工艺及相应的后续加工来快速制作模具。RT 是不同于传统机加工模具的一种新方法、新工艺,也不是过去的“简易模”,它涉及以下两方面的功能:

1) 快速开发用于传统制造工艺的模具,如快速制作注塑模与铸造模型。
2) 减少用模具成形工件所需的时间,缩短成形的循环周期,提高模具的生产效率,改善工件的品质。

当然,并非各种RT方法都具有第二种功能。

快速模具制造(RT)与快速成形(RP)有密切的关系。RT 方法的出现与发展,在很大程度上取决于RP 技术与新材料的发展,采用RP 技术能直接或间接快速制作模具,而RT 技术又能促进、扩大RP 的推广应用。

虽然,RT 工艺仍处于开发阶段,还不十分成熟、完善,但是,它已经能和传统的CNC 机加工相竟争,并因此促进各自的发展。最新的进展表明,已经能用一些替代技术制作大批量生产用模具,它们在缩短产品的开发周期、降低成本、提高生产率与改善产品品质等方面,都很有成效。

3 快速模具制造及其应用的现状

近年来,在快速成形技术与新材料(特别是高分子材料)的推动下,快速模具制造技术取得了重大的突破。据不完全统计,在国外,商品化并相当广泛应用的快速模具制造方法已有20 几种(如图1~图3 所示),按照模具所能成形的工件数量,模具可分为:试制用模具、正式批量生产模具,以及介于两者之间的过渡模具(Bridge tooling) 。应用的领域不仅遍及汽车、家电、玩具等许多制造行业,而且还深入到医疗领域。


图1 商品化的快速试制用模


图2 商品化的快速过渡模


图3 商品化的快速批量生产模

国外的制造业十分重视快速模具制造,其应用的50%以上在汽车与消费品的制造业,已用于小批量(几百件)、中批量(几千件)与大批量(几万件以上)的生产,模具的尺寸精度可达0.025~0.127mm,硬度可达HRC 25~70,寿命可达10,000~500,000,因此不仅能与H-13 模具钢比美,而且还能比传统模具提高生产率35%~40%。例如:

1) 在Ford 公司的开发部,装备了各种各样的快速成形机,他们用RT 技术制作了注塑模、冲模、中空成形模、铸模与压铸模等,能在6 天内完成从母模至快速压机模的制作,例如对于成形旋转叶片的压机模,模具费用节省75%~80%,模具寿命达到750 000 件。

2) Toyota 公司的实践表明, 对于右侧镜壳体,采用RP 技术后,由于不必制作原型的模具,节省模具费200 000 美元;对于门把手,用快速成形母模,可节省模具费用300 000 美元;仅仅FDM 快速成形机就为汽车试制节省了2 百万美元。

3) Volkswagen AG 公司的实践表明,对于气缸头、曲轴箱、缸头盖与涡轮充电器壳体的铸造而言,与传统方法制作模具与铸件相比,为获得5 个工件,RP/RT 可缩短时间80%~89%。

4) FIAT 公司的实践表明,RT 至少缩短制作时间47%,降低成本55%~65%。

5) 在韩国的汽车工业的4 家公司中,拥有8 台快速成形机,它们主要用于汽车内、外装饰件的设计与成形,以及发动机零件的铸造。例如在Hyundai 公司,20%用于成形模具的母模,35%用于装配试验。

他们的快速模具用于真空铸造、中空成形与离心铸造。Kir 公司用真空铸造与熔模铸造成形金属件,以便对样车进行测试。对于发动机支架,他们将SLA 快速成形件替代蜡模,然后进行熔模铸造,全过程仅需14 天,比传统制作方法缩短9 天(即缩短时间40%)。对于后组合灯支架,用SLA 快速成形件作真空铸造的母模,能节省65%的成本与75%的时间。

在我国,近几年来,快速成形机的研发与生产有很大的发展,一些汽车制造公司也购置了多种形式的快速成形机,但是多数仅用于制作原型,快速模具制造还是一种鲜为人知的技术,应用十分有限。据初步统计,目前我国具有快速模具制造能力的主要单位有20 几家,其中,绝大多数单位制作的快速模与国外商品化快速模相比,有以下明显差距:

1) 品种不到10 种,远远少于国外已商品化的20 几种,特别是尚未开展高档快速模的研发、生产。
2) 由于能制作的快速模的品种有限,因此,对于具体的客户要求而言,往往缺乏灵活性与适应性。
3) 不具备大型、复杂、精密快速模具的生产能力。

4 大型、复杂、精密硅橡胶模—快速成形汽车塑料试制件的关键

软模(soft tooling)是一种常用的试制模具,也可用于制作快速过渡模或快速批量生产模,其中,最常见的是硅橡胶模,它的优点是:

(1) 制作周期短

通常,根据工件的CAD 文件,能在几天内提供硅橡胶软模,以及用软模成形的聚氨酯塑料件。与传统金属模注塑原型工件相比,用硅橡胶模真空浇注聚氨酯原型,能缩短开发周期高达90%。用快速成形的母模通过硅橡胶模制作铸造用聚氨酯芯盒,与制作传统的金属芯盒相比,只需1/5 的时间。

(2) 成本低

与CNC 机加工的金属模相比,软模的制作费用低得多,一般只有金属模的几分之一。

(3) 弹性好,工件易于脱模

在传统的金属模中,通常需要设置脱模斜度,以便使工件成形后顺利脱模。用硅橡胶模成形工件时,由于模具有足够的弹性,使得往往不必添加脱模斜度,工件就能脱模,从而可大大简化模具的设计。

(4) 复印性能好

硅橡胶有优良的复印性能,可良好地再现母模上的细小特征,基本不会损失尺寸精度。

(5) 能用于在室温下浇注高性能的聚氨酯塑料件。

由于双组分热固性聚氨酯的新进展,已经能替代工程塑料。此外,浇注成形的聚氨酯工件的表面光洁度也很好,还有能获得高透明度工件的聚氨酯树脂,在真空浇注机(vacuum casting machine)中,用硅橡胶模可以浇注出高性能的聚氨酯塑料制品。

制作大型、复杂、精密的硅橡胶模,并用其成形汽车塑料试制件的关键在于:

(1) 尽可能减少硅橡胶材料的用量,降低制作成本

制作中型、大型硅橡胶模需要几十公斤至几百公斤的硅橡胶,一般硅橡胶的价格约200 元/公斤,因此,硅橡胶材料费高达几千元至几万元,显然,这是成本的最主要部分。

(2) 提高硅橡胶模的加热效率

用硅橡胶模浇注聚氨酯塑料件时,一般要求模具温度达到70°C 左右,因此须预先加热硅橡胶模,然而,由于硅橡胶的导热性很差,加热效率非常低,对于中型、大型硅橡胶模常常需要加热几小时,甚至近十小时,而且难于使整个模具的温度均匀,导致相当低的生产效率与塑料件较大的翘曲变形。

(3) 恰当选择聚氨酯的牌号,使浇注的塑料件的性能接近工件所需材料的性能

汽车上需要的工件常常是ABS 等类别的高性能工程塑料件,因此,必须使所选的双组份聚氨酯的性能与其相接近,特别是强度、硬度与弹性,并且应有良好的流动性,以及足够的可操作时间。

(4) 正确设计浇注工艺与选择硅橡胶、聚氨酯的性能,使之能成形形状复杂的精细件

汽车塑料件上常常有精细、复杂的小特征,硅橡胶模的相应部分易损坏,并且浇注双组份材料时不易充满,所以必须采用恰当的浇注方向与浇道设计,以及高撕裂强度的硅橡胶和高流动性的双组份材料。

如果不能妥善地处理上述关键问题,根本无法经济、快速地生产合格的塑料件。

瑞鼎机电科技有限公司聚积了一批来自国内外的高级技术人员,他们长期从事快速成形、快速模具制造的研发与生产,积累了丰富的经验。公司拥有面积近一千平方米的快速模具制造车间,装备了国内最大、最先进的德国MKV II-XL 型真空浇注机,在充分吸取国外先进技术的基础上,通过长期的试验、研究,从材料改性与模具结构设计等方面着手,创造了一套独特的工艺方法,因此,为汽车、家电等行业提供了许多大型、复杂、精密的快速模具及其制件(如图4~图7),例如汽车保险杠、水箱面罩、车门内饰板、仪表板、车灯灯罩、音响系统面板、手机壳等零件的高精度母模、硅橡胶模,以及小批量塑料试制件,能在相当短的时间内,满足客户试制新产品的要求,从而使过去不得不进口的试制件改由瑞鼎机电科技有限公司供应,并可显著地降低成本。


图4 瑞鼎公司制作的水箱面罩
的母模、硅橡胶模与塑料件


图5 瑞鼎公司制作的保险杠的母模、
硅橡胶模与塑料件


图6 瑞鼎公司用硅橡胶模成形的车门内饰板 图7 瑞鼎公司用硅橡胶模成形的精细件

叁考文献
1 王运赣.快速成形技术.武汉:华中理工大学出版社,1999
2 王运赣.快速模具制作及其应用.武汉:华中科技大学出版社,2003
3 Peter D Hilton ,Paul F Jacobs. Rapid Tooling: Technologies and Industrial Application. New York: Marcel Dekker ,Inc.,2000(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/10/2005)
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佳工网友 于8/12/2005 9:56:00 AM评论说:
现在国内有生产这种模具的厂家吗?如何和他们联系?


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