汽车研发关键技术--快速模具制造及其应用

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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

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图2 商品化的快速过渡模

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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HRC25～70，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。