模具標準化工作主要包括模具技術標準的制訂和執行、模具標準件的生產和應用以及有關標準的宣傳、貫徹和推廣等工作。我國模具標準化工作起步較晚,加之宣傳、貫徹和推廣工作力度小,因此模具標準化落后于生產,更落后于世界上許多工業發達的國家。據國際模協秘書長羅百輝介紹,國外模具發達國家,如日本、美國、德國等,模具標準化工作已有近100年的歷史,模具標準的制訂、模具標準件的生產與供應,已形成了完善的體系。而我國模具標準化工作只是從“全國模具標準化技術委員會”成立以后的1983年才開始的。目前我國已有約2萬家模具生產單位,模具生產有了很大發展,但與工業生產要求相比,尚很不適應,其中一個重要原因就是模具標準化程度和水平不高。
“模具是工業生產的基礎工藝裝備”,是金屬與非金屬壓力成型、塑性成型加工工藝系統的專用工藝裝備(工裝)。據國際模協秘書長羅百輝介紹,模具應用廣泛,電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比擬的。模具產業是國家高新技術產業的重要組成部分,是國家振興裝備制造業的指導方向之一。模具實現工業化、商品化和標準化生產,是制造業生產技術進步和水平的標志,是制造業現代化的工藝基礎?,F代模具設計與制造技術,涉及機械工程、信息與電子工程、冶金與材料工程、工程管理等學科專業領域。
羅百輝表示,由于歷史原因形成的封閉式、“大而全”、“小而全”的企業特征,我國大部分企業均設有模具車間,處于本廠的配套地位,自70年代末才有了模具工業化和生產專業化這個概念。模具工業主要加工設備分散在各部門主要產品廠內的工模具車間,所生產的模具基本自產自用。
據國際模協秘書長羅百輝介紹,產品廠的模具加工設備占全國模具加工設備的75%,其模具裝備水平較好,技術力量較強,生產潛力較大,但主要為本廠產品服務,與市場聯系較少,經營機制不靈活,不能發揮人力物力的潛力。模具專業廠全國只有二百家左右,商品模具只占總數的20%左右,模具標準件的商品率也不到20%。由于受舊管理體制的影響較深,缺乏統籌規劃和組織協調,存在著“中而全”,“小而全”的結構缺陷,生產效率不高,經濟效益較差。
按照中國模具工業協會的劃分,我國模具基本分為10大類,其中,沖壓模和塑料成型模兩大類占主要部分。按產值計算,目前我國沖壓模占50%左右,塑料成形模約占20%,拉絲模(工具)約占10%,而世界上發達工業國家和地區的塑料成形模比例一般占全部模具產值的40%以上。
我國沖壓模大多為簡單模、單工序模和符合模等,精沖模,精密多工位級進模還為數不多,模具平均壽命不足100萬次,模具最高壽命達到1億次以上,精度達到3~5um,有50個以上的級進工位,與國際上最高模具壽命6億次,平均模具壽命5000萬次相比,處于80年代中期國際先進水平。
我國的塑料成形模具設計,制作技術起步較晚,整體水平還較低。目前單型腔,簡單型腔的模具達70%以上,仍占主導地位。一模多腔精密復雜的塑料注射模,多色塑料注射模已經能初步設計和制造。模具平均壽命約為80萬次左右,主要差距是模具零件變形大、溢邊毛刺大、表面質量差、模具型腔沖蝕和腐蝕嚴重、模具排氣不暢和型腔易損等,注射模精度已達到5um以下,最高壽命已突破2000萬次,型腔數量已超過100腔,達到了80年代中期至90年代初期的國際先進水平。
我國模具工業目前技術水平參差不齊,懸殊較大。從總體上來講,與發達工業國家及港臺地區先進水平相比,還有一定差距。在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技術設計與制造模具方面,無論是應用的廣泛性,還是技術水平上都存在很大的差距。在應用CAD技術設計模具方面,僅有約10%的模具在設計中采用了CAD,距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走;在應用CAE進行模具方案設計和分析計算方面,也才剛剛起步,大多還處于試用和動畫游戲階段;在應用CAM技術制造模具方面,一是缺乏先進適用的制造裝備,二是現有的工藝設備(包括近10多年來引進的先進設備)或因計算機制式(IBM微機及其兼容機、HP工作站等)不同,或因字節差異、運算速度差異、抗電磁干擾能力差異等,聯網率較低,只有5%左右的模具制造設備近年來才開展這項工作;在應用CAPP技術進行工藝規劃方面,基本上處于空白狀態,需要進行大量的標準化基礎工作;在模具共性工藝技術,如模具快速成型技術、拋光技術、電鑄成型技術、表面處理技術等方面的CAD/CAM技術應用在我國才剛起步。計算機輔助技術的軟件開發,尚處于較低水平,需要知識和經驗的積累。我國大部分模具廠、車間的模具業務設備陳舊,在役期長、精度差、效率低,至今仍在使用普通的鍛、車、銑、刨、鉆、磨設備加工模具,熱處理加工仍在使用鹽浴、箱式爐,操作憑工人的經驗,設備簡陋,能耗高。設備更新速度緩慢,技術改造,技術進步力度不大。雖然近年來也引進了不少先進的模具業務設備,但過于分散,或不配套,利用率一般僅有25%左右,設備的一些先進功能也未能得到充分發揮。
我國早期缺乏技術素質較高的模具設計、制造工藝技術人員和技術工人,尤其缺乏知識面寬、知識結構層次高的復合型人才。模具行業中的技術人員,只占從業人員的8%~12%左右,且技術人員和技術工人的總體技術水平也較低。1980年以前從業的技術人員和技術工人知識老化,知識結構不能適應現在的需要;而80年代以后從業的人員,專業知識、經驗匱乏,動手能力差,不安心,不愿學技術。近年來人才外流不僅造才數量與素質水平下降,而且人才結構也出現了新的斷層,青黃不接,使得模具設計、制造的技術水平難以提高。
近10多年來,特別是“八五”以來,國家有關部委已多次組織有關材料研究所、大專院校和鋼鐵企業,研究和開發模具專用系列鋼種、模具專用硬質合金及其他模具業務的專用工具、輔助材料等,并有所推廣。但因材料的質量不夠穩定,缺乏必要的試驗條件和試驗數據,規格品種較少,大型模具和特種模具所需的鋼材及規格還有缺口。在鋼材供應上,解決用戶的零星用量與鋼廠的批量生產的供需矛盾,尚未得到有效的解決。另外,國外模具鋼材近年來相繼在國內建立了銷售網點,但因渠道不暢、技術服務支撐薄弱及價格偏高、外匯結算制度等因素的影響,目前推廣應用不多。
模具業務的輔助材料和專用技術近年來雖有所推廣應用,但未形成成熟的生產技術,大多仍還處于試驗摸索階段,如模具表面涂層技術、模具表面熱處理技術、模具導向副潤滑技術、模具型腔傳感技術及潤滑技術、模具去應力技術、模具抗疲勞及防腐技術等尚未完全形成生產力,走向商品化。一些關鍵、重要的技術也還缺少知識產權的保護。
我國的模具標準件生產,80年代初才形成小規模生產,模具標準化程度及標準件的使用覆蓋面約占20%,從市場上能配到的也只有約30個品種,且僅限于中小規格。標準凸凹模、熱流道元件等剛剛開始供應,模具及零件生產供應渠道不暢,精度和質量也較差。
我國的模具工業相對較落后,近年來已形成一個獨立的產業鏈。據國際模協秘書長羅百輝介紹,我國目前的模具生產企業可劃分為四大類:專業模具廠,專業生產外供模具;產品廠的模具分廠或車間,以供給本產品廠所需的模具為主要任務;三資企業的模具分廠,其組織模式與專業模具廠相類似,以小而專為主;鄉鎮模具企業,與專業模具廠相類似。其中以第一類數量最多,模具產量約占總產量的70%以上。我國的模具行業管理體制分散。目前有19個大行業部門制造和使用模具,沒有統一管理的部門。僅靠中國模具工業協會統籌規劃,集中攻關,跨行業,跨部門管理困難很多。
模具適宜于中小型企業組織生產,而我國技術改造投資向大中型企業傾斜時,中小型模具企業的投資得不到保證。包括產品廠的模具車間、分廠在內,技術改造后不能很快收回其投資,甚至負債累累,影響發展。雖然大多數產品廠的模具車間、分廠技術力量強,設備條件較好,生產的模具水平也較高,但設備利用率低。
我國模具價格長期以來同其價值不協調,造成模具行業“自身經濟效益小,社會效益大”的現象。“干模具的不如干模具標準件的,干標準件的不如干模具帶件生產的。干帶件生產的不如用模具業務產品的”之類不正?,F象存在,極大地挫傷了模具企業(包括模具車間和分廠)職工的積極性。這也是模具行業留不住人才,青年技術人員和青年工人不愿學技術的原因之一。
我國模具技術升級提升方向
1、模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三維化、智能化和網絡化方向發展
(1)模具軟件功能集成化
模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全,同時各功能模塊采用同一數據模型,以實現信息的綜合管理與共享,從而支持模具設計、制造、裝配、檢驗、測試及生產管理的全過程,達到實現最佳效益的目的。如英國Delcam公司的系列化軟件就包括了曲面/實體幾何造型、復雜形體工程制圖、工業設計高級渲染、塑料模設計專家系統、復雜形體CAM、藝術造型及雕刻自動編程系統、逆向工程系統及復雜形體在線測量系統等。集成化程度較高的軟件還包括:Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。國內有上海交通大學金屬塑性成型有限元分析系統和沖裁模CAD/CAM系統;北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件;吉林金網格模具工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統等。
(2)模具設計、分析及制造的三維化
傳統的二維模具結構設計已越來越不適應現代化生產和集成化技術要求。模具設計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設計模具,所采用的三維數字化模型能方便地用于產品結構的CAE分析、模具可制造性評價和數控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享。如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等軟件具備參數化、基于特征、全相關等特點,從而使模具并行工程成為可能。另外,Cimatran公司的Moldexpert,Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D專業注塑模設計軟件,可進行交互式3D型腔、型芯設計及典型結構設計。澳大利亞Moldflow公司的三維真實感流動模擬軟件MoldflowAdvisers已經受到用戶廣泛的好評和應用。國內有華中理工大學研制的同類軟件HSC3D
(3)模具軟件應用的網絡化趨勢
隨著模具在企業競爭、合作、生產和管理等方面的全球化、國際化,以及計算機軟硬件技術的迅速發展,網絡使得在模具行業應用虛擬設計、敏捷制造技術既有必要,也有可能。美國在其《21世紀制造企業戰略》中指出,到2006年要實現汽車工業敏捷生產/虛擬工程方案,使汽車開發周期從40個月縮短到4個月。
2、模具檢測、加工設備向精密、高效和多功能方向發展
(1)模具檢測設備的日益精密、高效
精密、復雜、大型模具的發展,對檢測設備的要求越來越高?,F在精密模具的精度已達2~3μm,目前國內廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國的高精度三坐標測量機,并具有數字化掃描功能。如東風汽車模具廠不僅擁有意大利產
(2)數控電火花加工機床
日本沙迪克公司采用直線電機伺服驅動的AQ
(3)高速銑削機床(HSM)
銑削加工是型腔模具業務的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩、加工質量好、加工效率高(為普通銑削加工的5~10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等諸多優點。因而在模具業務中日益受到重視。瑞士克朗公司UCP710型五軸聯動加工中心,其機床定位精度可達8μm,自制的具有矢量閉環控制電主軸,最大轉速為42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速銑床,其加工范圍達