冲压模具技术国内外发展现状 

冲压模具技术国内外发展现状

——计算机技术与冲压模具

摘要：文章首先简述了国内外模具工业的发展现状及趋势；然后具体结合计算机技术在冲压模具上的应用一点简述了国内外冲压模具技术的发展现状以及将来的发展趋势。 关键词：冲压模具 计算机技术应用

引言

冲压技术是一种具有悠久历史的加工方法和生产制造技术。根据文献记载和考古文物证明，我国古代的冲压加工技术走在世界之前，对人类早期文明社会的进步发挥了重要的作用，作出重要贡献[1]。

利用冲压机械和冲压模具进行的现代冲压加工技术，已有近二百年的发展历史。1839年英国成立了Schubler公司，这是早期颇具规模的、现今也是世界上最先进的冲压公司之一[2] 从学科角度上看，到本世纪10年代，冲压加工技术已经从一种从属于机械加工或压力加工艺的地位，发展成为了一门具有自己理论基础的应用技术科学[3]。俄罗斯（从前苏联时期开始）就有各类冲压技术学校。日本也有冲压工学之说。中国也有冲工艺学、薄板成形理论方面的教材及专著。可以认为这一学科现已形成了比较完整的知识结构系统。

冲压技术中冲压模具是制造业的重要基础工艺装备。用模具生产制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材，使模具工业在制造业中的地位越来越重要。国外将模具比喻为“金钥匙”、“金属加工帝王”、“进入富裕社会的原动力”[4]等等。国内也将模具工业称为“永不衰亡的工业”、“点铁成金的行业”、“无与伦比的效益放大器”[5] 等等。现在，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。没有高水平的模具就没有高水平的产品已成为共识。就工程制造而言，进入80、90年代，由于世界各国经济的高速发展和国民生活水准的大大提高，人们对汽车、家用电器、住宅等的需求与日俱增，促进了冲压技术的快速发展，同时也就对模具技术提出了更高的要求。且由于电子计算机技术的广泛而有效的应用，不仅促进了冲压技术的理论深入发展，而且使冲压机械、模具及操作的自动化程度等，都达到了一个更高的阶段。由此我们不难看出，计算机技术在当今模具设计制造中起着尤为关键的作用。现今，冲压加工技术已发展成为了一种先进制造技术。当然，冲压技术(分为分离加工和成形加工两大类)无论从理论上或实践上仍会不断向前发展。

1、国内外模具工业的发展与现状

国外，特别是欧美和日韩等发达地区的模具工业起步较早，拥有比较先进的生产管理技术及经验，值得我们国内模具行业学习和借鉴。在欧美，许多模具企业将高新技术应用于模具的设计和制造，主要体现在[6]：（1）充分发挥了信息技术带动和提升模具工业的优越性；（2）高速切削、五轴高速加工技术基本普及，大大缩减制模周期，提高企业的市场竞争力；

（3）快速成形技术和快速制模技术得到普遍应用； （4）从事模具行业的人员精简，一专多能，一人多职，精益生产； （5）模具产品专业化，市场定位准确；（6）采用先进的管理信息系统，实现集成化管理；（7）工艺管理先进、标准化程度高。日本模具加工的未来发展方向主要表现为无人手修模、无放电加工、加工时间缩短、 五轴加工等方面。

中国虽然在很早以前就制造模具和使用模具，但一直未形成产业。由于长期以来模具制造一直作为保证企业产品生产的手段被视为生产后方。因此一直发展缓慢[7]

。1984年成立了中国模具工业协会，1987年模具首次被列入机电产品目录，当时全国共有生产模具的厂点约6 000家。总产值约30亿元。随着中国改革开放的日益深入，市场经济进程的加快，模具及其标准件、配套件作为产品，制造生产的企业大量出现，模具产业得到快速发展。在市场竞争中，企业的模具生产技术提高很快，规模不断发展，提高很快。20世纪90年代以来，中国在汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD／CAM技术。国家科

委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范点，由华中理工大学作为技术依托单位，开发了汽车车身与覆盖件模具CAD／CAM软件系统，在模具和设计制造中得到了实际应用，取得显著效益。现在，吉林大学和湖南大学也成功地开发出了汽车覆盖件模具的CAD／CAE系统，并达到了较高水平，在生产中得到应用，收到了良好的效果。

2、国内外冲压模具技术和材料应用的现状与发展趋势

模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备，具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点，被广泛应用于汽车、机械、航天、航空、轻工、电子、电器、仪表等行业。然而，与国际先进水平相比，中国的模具行业的差距不仅表现在精度差距大、交货周期长等方面，模具寿命也只有国际先进水平的50％左右，大型、精密、技术含量高的轿车覆盖件冲压模具和精密冲裁模具，每年都需要花费大量资金进口。

2.1 计算机技术与冲压模具行业

随着计算机技术的发展和普及，冲压模具也基本实现了计算机化，其中有代表性的是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)。在计算机辅助设计方面。如今的国内冲压模具企业大部分甩掉了传统的绘图板，摒弃了落后的手工绘图方式。使用最多的是由美国Autodesk公司出品的AutoCAD软件，有些企业还在AutoCAD平台上进行了二次开发(加深圳某台资公司在AutoCAD R13基础上进行专项开发，形成了由十二块模板组成的系列冲压模具)，形成了具有自己特色的、针对性非常强的冲压模CAD软件；也有许多企业使用国产的AutoCAD产品(如开目CAD、CAXA等等)。在实际中，充分运用计算机技术发展模具设计、制造将会给企业带来莫大益处。用户对压力机速度、精度、换模效率等方面不断提高的要求，促进了模具的发展。如汽车行业中，外形车身和发动机是汽车的两个关键部件，汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具，其技术密集，体现当代模具技术水平，是车身制造技术的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三之二的时间、成为汽车换型的主要制约因素。目前，世界上汽车的改型换代一般约需48个月，而美国仅需30个月，这车要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM技术和三维实体汽年覆盖件模具结构设计软件。另外，网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体、实现了异地设计和异地制造。同时，虚拟制造等IT技术的应用，也都在不断推动模具工业的发展。文献[8]中作者认为：在模具设计中标准件和简化符号的运用是提高模具设计效率的重要手段。CAD系统开发的重要内容之一是标准件库的建立。为此作者利用CAD技术开发了冲压模具二维三维标准件图库。利用图库可以高效准确地生成几千个不同类型不同规格模具标准件的二维图符和三维实体图其二维图符功能将给模具的设计工作带来极大的便利提高绘图效率三维实体建模功能不仅有助于模具设计人员直观的观察模具结构还可以将生成的零件三维实体转换到其它的三维CAD / CAM软件中生成数控加工的NC代码用于数控加工同时也方便现代企业内部的数据管理与传输。文献[9]中，作者针对冲压模具设计中使用大量标准件的特点，在CATIA V5基础上，使用参数化设计方法对标准件建模，建立了标准件库，有效提高了冲压模具设计的效率。文献[10]中：作者以冲压模具设计系统的开发为目的，详细介绍了利用Pro/E提供的开发工具Pro/ Toolkit,在Visual CH 6．0上进行编译。从系统菜单、用户对话框的开发、参数化程序的设计，实现了弹出对话框方式的冲压模具标准件的参数化驱动，进一步扩展了Pro／E二次开发的功能。开发的系统由冲压模具设计、冲压过程模拟、冲压模加工模拟几个模块组成，为设计者提供设计理论和知识的支持。应用开发的冲压模具设计标准系统，可以规范模具设计标准，缩短模具设计周期，提高模具设计质量。文献[11]中，作者利用UG／NX进行了盒形件的三维建模及复合冲压模设计，完成了一种带倒装拉深、整形和侧孔冲压结构的复合冲压模具。缩短了模具的设计和制造周期。该模具可使拉深、底面四角整形、冲底面四个四方孔、翻边、冲侧孔五道工序集于一套模具，使操作方便。节省工时，提高劳动生产率。文献[12-13]中，作者认为：模块化设计技术可以缩短产品的设计与制造周

期，是快速响应设计的核心。作者从冲压模具的模块化设计方法出发，分析了冲压模具的结构和设计特点，论述了基于模块化的冲压模具功能零部件的规划、基于模块化的冲压模具设计过程。最后给出了冲压模具CAD系统的功能结构，并对其具体功能进行了描述。冲压模具CAD系统应用模块化技术可以优化模具的设计与制造，提高模具设计的标准化水平及快速响应能力。

从上述文献中我们不难得出计算机技术在我国模具设计生产过程中已经起到了很大的作用而且已经有了一定的发展。但是，我们仍然不能忽视，即使冲压模具的CAD/CAE/CAM技术有一定的发展，但是我们的技术开发手段与发达的工业国家比较起来仍然是比较落后、且技术的普及率并不高，应用仍然不够广泛。仅有约10%的模具在设计中使用了CAD技术，距“抛开绘画板”仍有很漫长的一段路要走；在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面，也才刚刚起步，在应用CAM技术制造模具方面，由于缺乏先进使用的制造设备和工艺设备，只有5%左右的模具制造设备被应用于这项工作，显然，中国的模具设计仍然有很长的一段路要走。

2.2 先进加工技术装备与冲压模具行业

我国冲压模具产品的质量和生产工艺水平，总体上比国际先进水平低许多，而模具生产周期却要比国际先进水平长许多。产品质量水平低主要表现在精度`影响。国内的许多模具企业通过引进先进的加工装备，硬件上与国际水平的差距正在快速缩小：上海的汽车模具企业，近年来通过大量购置先进的五轴高速加工机床、大型龙门加工中心和五轴联动数控高速铣床、数控车或复合加工机床、先进的大型测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。

2.3 发展趋势[15-17]

2.3.1 继续全力全面推广CAD/CAM/CAE技术

CAD/CAM/CAE技术的应用时磨具制造技术发展的动力。随着电脑软件的开发与应用， 普及CAD/CAM/CAE技术的条件已经成熟，各企业将加大这些技术的培训与技术服务力度；进一步扩大CAE技术的应用范围。世界较先进的丰田汽车模具制造厂在这方面为我们提供了比较成功的实验，它的模具从设计到加工完全依赖高科技，将实体设计加上数控编程，取代了人工实型制作和机床操作；精细模面设计和精细数控编程大大减少了钳修；高精度加工取消了模具的研合、修配。现在数控编程人员已经超过了现场操作人员，数控编程的工时费用，超过了机床操作工人，数控编程的工时费用，超过了机床工时费用的50%，这种高精度和无人化加工，使模具的质量有了极大的提高，生产周期大大缩短。 2.3.2 模具检测设备向精密、高效和多功能方向发展

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经达到2-3um。目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国家的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。如东风汽车模具厂不仅拥有意大利三坐标测量机，还拥有数码摄影光学扫描仪，率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段，从而实现了从测量实物——建立数学模型——输出工程图纸——模具制造的整个过程，使得逆向工程技术的开发和应用有了很大成功。

2.3.3 一体化加工中心是目前正在发展的新技术

在丰田模具制造厂，今年已投入使用了一个粗精加工一体化、高速、高精度、五面加工 中心。它的优点是集各种机床优点之大成，除底面加工外，一次装、卡，粗、精、高功率、高精度、高速等面面俱到，加工效率很高。且目前已出现的无人化生产形式主要指柔性加工和冲压加工中心。比如日本TOYOTA公司的柔性冲压加工系统（FMS）是通过数控使一组冲压设备实现自动调节加工

[18]

；我国90年代诞生了一台以冲床为主的板料折弯柔性单元（FMS）。

一体化无疑是一种十分理想的技术，代表着数控加工技术发展的方向。日本的AIDA公司70年代就开始了冲压加工中心研制，但进展似乎很慢，说明了难度很大，所需投入更是巨大。 2.3.4 模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到认同

在成型工艺方面，主要有冲压模具功能复合化，模具加工系统自动化等。另外一个方面，随着先进制造技术的不断发展和整体制造水平的不断提高，在模具行业出现了一些新的设计、 生产、管理理念和模式，主要有：适应模具单件生产特点的柔性制造技术；创造最佳管理和效率的团队精神；提高快速应变能力的并行工程，虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理；广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等[19]。

3、结论

当今，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，我国将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多地采用由模具工业提供的产品。尤其近年来我国汽车工业的超高速发展，给模具行业带来了无限商机。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，模具制造企业正广泛应用现代先进制造技术来提升竞争实力，来满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。我们必须继续全力全面推广CAD/CAM/CAE技术、使模具检测设备向精密、高效和多功能方向发展、努力发展一体化加工中心新技术以及大力推广模具工业新工艺、新理念和新模式。这样才能使得我过模具事业屹立于世界之林。

参考文献

[1] 李维先．我国锻压技术初探[J]．锻压技术.1984．No．4. [2] L．Schubler．Fifty years of Change．SMI．April 1977.

[3] 卢险峰．国内外冲压及摸具技术新进展—兼留学访日见闻．(南昌大学)高教改革1996 No．4，119～120 [4] Liu C et al.Analsis of stress and strain in slab rollling using an elastic—plastic finite element

method． Mech Engg.Vol.25(1988)，55-62. [5] 张荣清．模具设计与制造[M]．高等教育出版社，2008，(3)．

[6] 金敦水．冲压模具间隙分析及模具结构设计[M]．煤矿机械，2010，(05)． [7] 三大特点概述我国当前冲压模具技术发展状况-中国压铸网。

[8] 万良辉 韩立业. 基于AUTOCAD 的二维和三维冲压模具标准件库的开发[J].模具技 术,21001-4934(2004)05-0003-04

[9] 李奇涵,李衡.基于CATIA V5的冲压模具参数化设计和应用[J]制造业信息化,1002— 2333(2010)01—0066—0. [10] 纪莲清,谢欢.基于Pro／E二次开发的冲压模具参数化设计系统

[J], 锻压技术, 1 000-

3940(2007)03—0123—04 [11] 范希营,郭永环.基于UG／NX的盒形件的三维建模及复合冲压模设计[J]. 模具技术

81053-2008

[12] Lee Young-Seon;Lee Jung-Hwan;Choi Jong-Ung;IshiKawa T Experimental and analytical evaluation for elastic deformation behaviors of cold forging tool[J] .2002(01)

[13] Lee Young-seon;Lee Jung-Hwan;Ishikawa T Analysis of the elastic characteristics at forging die for the cold forged dimensional accuracy[J] .2002(09).

[14] 郑清春，郭津津，吕惠娟，董黎敏. 基于模块化的冲压模具CAD系统开发[J].设计与研究.

1001—2265(2008)04—0012—03

[15] 陈旭娟.浅析冲压模具制造现状及发展趋势[J].内蒙古科技与经济.107-6921(2005) 17- 01 15-02。

[16] 中国模具工业协会．2007年中国模具产业发展情况及2008年形势预测[J].金属加工. 2008(8).

[17] 王佞，李春仡.浅谈模具工业现状及发展趋势[J].工程科学.2010(8). [18] 武晓红.日本冲压模具的技术特点[J].模具技术.2000(1).

[19] McCormack Conor;Monaghan John A finite element analysis of cold-forging dies using two-and three dimensional models[J].2001(1-3).