汽車模具先進制造技術現狀與行業發展趨勢

虞耀君 馬明亮 丁志華

(①九江學院機械與材料工程學院,江西九江 332005;②九江學院教務處,江西九江,332005)

目前,我國模具總產值已躍居世界第三,僅次于日本和美國,其中汽車、摩托車、家電行業是模具最大的市場,占整個模具市場份額的80%以上[1]。國家統計局數據顯示,2007年,中國模具市場容量已超過700億元,預計“十一五”末期,中國模具業市場份額將達1400億元。

隨著我國模具行業產品細分化、專業化的趨勢,汽車模具行業迅速發展起來。具有一定規模的國內汽車車身模具制造企業有l00多家,其中產值超過1億元的就有20家。國內大型數控機床數量已經超過800臺,與德國、美國、日本的大型數控機床數量相當。

但是,我國離模具強國的距離還較遠。“十二五”期間,我國應抓住重點企業和重點產品進行突破,汽車覆蓋件模具就是突破口之一。在汽車覆蓋件模具中,加大中高檔轎車模具的投入力度,下功夫突破某些關鍵技術尤其重要。本文據此進行了分析。

1 汽車模具先進制造技術現狀分析

1.1 高速、高精度加工

目前高速高精度加工已被國際先進企業普遍采用,國內也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的不單純是為了提高加工效率,更重要的是通過高速實現小步距、低殘留的高精度加工。

汽車模具型面的加工屬于高度復雜的自由曲面加工,能不能實現高速加工,主要是取決于數控機床曲面加工的動態精度,而不是取決于一般機床產品樣本中所說的靜態精度。一臺適用于汽車模具的高速數控銑,必須同時具備高剛度、高精度、高轉速、優良的動態性能、高速下的連續工作時間等綜合性能[2]。遺憾的是,國內機床復雜曲面加工的動態精度還沒有一個統一的標準可供參考。

高精度加工的目標就是最大程度地減少鉗修。比如,上下模刃口間隙直接加工到位;沖孔凸凹模直接安裝無需調試;拉延模曲面有很高的光順性以及無接刀痕跡;凸棱的較小粗糙度值和凹角無干涉等。

1.2 粗加工高速化

傳統的粗加工一般通過深切削、低轉速、低進給一次完成加工。數控機床在低轉速、低進給條件下的加工扭力很大,而總功率卻很小,機床效率發揮不出來。為提高加工效率,現在粗加工的發展趨勢是中轉速、中吃深、高進給、多層加工完成。雖然加工的層數增加了,但由于機床功率實現了最大化,一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工藝方法,特別適應于粗、精一體化加工機床,不失為一種值得推廣借鑒的新技術。

1.3 鑲塊鑄件化與高效加工

鑲塊的加工在模具總加工量中所占比重較大,因此有效地縮短這部分工時意義重大。最好的加工辦法是少切削和無切削,目前發展的重點就是鑲塊的鑄件化和通過合理設計來最大程度地減少加工面[3]。

1.4 汽車模具的CAD/CAM技術

在模具CAD/CAM系統中,產品的幾何模型是其最基本的核心數據,并作為整個設計和計算分析中最原始的依據,通過模具CAD/CAM系統的計算、分析和設計得到大量信息,運用數據庫和網絡技術將數據存儲并直接送到生產環節的各個方面,從而實現設計制造一體化。與傳統的制造方法相比,采用CAD/CAM模具生產,可以縮短模具制造周期以滿足產品更新頻繁的需求,同時大為提高模具精度。

1.5 汽車模具的快速成形技術

快速成形技術(Rapid Prototyping,簡稱RP)是一項集計算機輔助設計、精密機械、數控技術和材料學為一體的新興技術,它采用離散堆積原理,將所設計物體的CAD模型轉化成實物樣件。以RP技術為支撐的快速模具制造技術(Rapid Tooling,簡稱RT),也正是為了縮短新產品開發周期,早日向市場推出適銷對路的產品而發展起來的新型模具制造技術。采用RT技術制模,制作周期為傳統模具制造的1/10～1/3,生產成本僅為1/5～1/3,同時工藝簡單,精度和壽命能滿足功能需要,綜合效益良好,是一種快捷、方便、實用的模具制造技術,特別適用于新產品開發、工藝和功能驗證以及多品種小批量產品生產[4-5]。

1.6 汽車模具的電刷鍍和噴焊快速修復

采用電刷鍍及噴焊等方法可以現場快速修復各類汽車、摩托車模具,其中對于汽車地板革成形模具,采用刷鍍工藝可獲得與基體結合良好的修復鍍層,鍍層表面硬度達60～62 HRC,完全滿足使用要求。對于汽車半軸擺動輾壓模具,采用噴焊修復工藝可得到硬度60～65 HRC的模具表面修復噴焊層,經過2年連續使用仍表面光亮,未出現變形和裂紋等缺陷[6]。

1.7 汽車模具的離子滲氮新技術

1999年,盧森堡Ib.Georges J發明了活性屏離子滲氮技術。其原理是將高壓電源的負極接在真空室內金屬屏上,被處理的工件置于金屬屏內,當金屬屏接通高壓電源后,低壓反應室內的氣體被電離,在電場的作用下,被激活的氣體離子轟擊金屬屏使金屬屏升溫;同時,在離子轟擊下不斷有鐵或鐵的氮化物微粒被濺射出來,以微粒的形式沉積到工件表面,微粒中的氮向工件內部擴散,達到滲氮的目的[7]。

在活性屏離子滲氮過程中,金屬屏同時起到兩個作用:一是通過輻射將工件加熱到滲氮處理所需的溫度;二是向工件表面提供鐵或鐵的氮化物微粒。

活性屏離子滲氮新技術的特點是:在滲氮過程中,工件處于懸浮狀態,離子轟擊金屬屏而不是工件本身。與常規離子滲氮相比,該技術可以處理不同形狀的工件,并能消除邊緣效應以及空心陰極效應,還能方便地測量工件的溫度等。

通過離子滲氮技術在模具表面形成一層比基體材料硬度和強韌性更高的耐疲勞滲氮層,可以在保持模具表面減少熱疲勞裂紋的萌生與擴展前提下,充分發揮離子滲氮提高模具抗熱變形與熱磨損的能力,從而使模具壽命大為延長。

1.8 鉗工制造的只裝不配少修

消滅鉗工是國外一些模具企業提出的理想口號,它集中地代表了模具制造技術的發展方向;通過CAD技術的提高而實現全數字化制造和少人無人化加工;通過CAM技術的提高而實現裝配、研合、推磨等鉗工作業的高效;通過CAE技術的提高而實現模具調試一次成功。

2 汽車模具行業的發展趨勢分析

(1)精益生產、智能制造、快速成型。

(2)虛擬仿真技術,把設計、加工、裝配、成型等工序統一反映在虛擬環境當中。

(3)CAD/CAE/CAM向智能化、三維化和協同作業方向發展。具體表現為:模具設計、分析及制造三維化;模具軟件智能化;模具軟件應用網絡化趨勢。

(4)模具加工、檢測設備向高精度、高效和多功能方向發展。具體表現為:高速、多軸、高精度的模具加工設備;模具檢測設備的日益精密、高效;現場化的模具檢測技術;快速經濟的制模技術。

(5)模具材料及表面處理技術發展迅速。具體表現為:模具鋼材料系列化、新品研發;模具表面處理新技術推廣應用,如硬化膜沉積技術、鏡面拋光技術等。

(6)模具、零件日趨大型化、精密化、復合化。具體表現為:多功能的復合模具;注射模推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型和高壓注射成型技術以提高制件的生產效率和質量,同時大幅度節約原材料;高精度模具加工精度要求在1 μm以內;超精加工工藝。

(7)企業管理與協同作業要求越來越嚴格。模具需求量不斷增加、更新速度加快、質量要求越來越高,交貨周期縮短,這些都給企業管理提出了更高要求。因此,需要引進世界先進制模技術和設計軟件;強調質量、協同作業、降低成本;強調人的因素、重視人才[8]。

3 汽車模具行業未來供給及市場需求預測

總的來說,中國技術含量低的模具已供過于求,其市場利潤空間狹小,而技術含量較高的中、高檔模具還遠不能適應經濟發展的需要,精密、復雜的沖模以及轎車覆蓋件模等高檔模具仍有較大發展空間。中國汽車模具行業今后的發展方向應該注重產品結構的調整和定位。

目前,國內汽車沖模行業年生產能力只有80～90億元,而中國汽車市場的模具需求量已達到200多億元。中國汽車工業的高速發展給模具工業發展提供了巨大機遇。

當前汽車覆蓋件模具每年市場容量約人民幣60億元,主要包含兩部分需求:一是新車型,二是改型車。一款全新車型需汽車覆蓋件模具350～400副,價值約1.2億元。按2010年國產新車型42款計,折合50.4億元;一款改型車平均約有25%的汽車覆蓋件模具需要更換,更換的模具價值約0.3億元,按2010年約87款改型車計,折合26.1億元。由于汽車行業的快速增長,預計汽車覆蓋件模具行業市場需求增速將達每年20%,2010年汽車覆蓋件模具的市場容量將超過95億元。

4 結語

中國模具市場特別是汽車模具市場的發展潛力巨大,現已成長為具備相當規模行業,但是距離模具強國還有較大的差距。中國技術含量低的模具已供過于求,市場利潤空間狹小;而技術含量較高的中、高檔模具還遠不能適應經濟發展的需要,精密、復雜的沖模以及轎車覆蓋件模等高檔模具仍有很大發展空間。本文簡要介紹了汽車模具的制造技術,包括高速高精度加工、粗加工高速化、鑲塊鑄件化、CAD/CAM技術、快速成型技術、電刷鍍和噴焊快速修復、離子滲氮新技術等。在此基礎上對中國汽車模具的未來發展趨勢和市場需求進行了預測。中國汽車模具行業今后的發展方向應該注重產品結構的調整和定位,進一步提升模具的制造技術水平,占領結構復雜、精度好、技術先進的高檔模具市場。

[1]王晨.鋁合金汽車制件的沖壓工藝及模具設計[J].模具制造,2009(2):1-4.

[2]Jinqiao Zheng,Yilin Wang and Zhigang Li.KBE-based stamping process paths generated for automobile panels[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,31(1):7-8.

[3]E.Kh.ShaKhpazov,I.G.Rodionova,O.N.Baklamova,et al.Increasing the corrosion resistance of low-alloy and sarbon steels for automobile construction by cptimizing the metallurical technology[J].Metallurgist,2006,50(1):1-2.

[4]劉全心.快速制造工藝路線及其在汽車模具中的應用[J].機電工程技術,2008(6):33-35.

[5]A.I.Zaitsev,I.G.Rodionova,N.A.Karamysheva,et al.Optimizing the technology for making automobile sheet 08Yu based on the physicochemical principles of ladle metallurgy[J].Metallurgist,2007,51(7):7-8.

[6]趙瑋霖,等.汽車模具的電刷鍍和噴焊快速修復[J].模具工業,2007(2):64-66.

[7]葉德海.汽車模具的離子滲氮技術[J].汽車與配件,2008(2):47-48.

[8]馮海林.鋁合金控制臂鍛件鍛造工藝和模具設計[J].熱加工工藝,2009(9):133-134.