模具专业毕业设计开题报告--模具行业现状及其发展趋势

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模具行业现状及其发展趋势1.国内模具行业的现状模具工业是国民经济的基础工业，被称为“工业之母”。模具是一种高附加值和技术密集型产品，其生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。世界模具市场总体上供不应求,市场需求量维持在每年600亿至650亿美元,同时,我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年,我国模具产业总产值保持13%的年增长率(据不完全统计,2004年国内模具进口总值达到600多亿,同时,有近200个亿的出口),到2005年模具产值已达650亿元,模具及模具标准件出口2005已达到2亿美元左右。单就汽车产业而言,一个型号的汽车所需模具达几千副,价值上亿元,而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2003年我国汽车产销量均突破400万辆,2004年产销量各突破500万辆,轿车产量将达到260万辆。另外,电子和通讯产品对模具的需求也非常大,在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。目前,电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中,60%-80%的零部件,都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。日前,据第十一届中国国际模具技术和设备展览会主办方之一的中国模具工业协会透露,我国模具行业的生产企业和职工总数在世界上的排名已跃居第一,生产销量排名世界第三。有关资料显示,在我国,模具直到1987年才正式成为一个行业,与世界发达工业国家的模具业相比,我国模具业的起步要晚几十年,但近20年的努力发展取得了长足的进步。现在,我国模具生产厂点约有3万多家,从业人数80多万人。“十五”期间,模具年平均增长速度达到20%左右,2005年模具销售额达650亿元,同比增长20%;模具出口7.4亿美元,比2004年的4.9亿美元增长约50%,均居世界前列。在模具工业的总产值中,冲压模具约占50%,塑料模具约占33%,压铸模具约占6%,其它各类模具约11%。但是,由于创新能力弱,行业关键技术难以突破,使得我国模具行业长期以来面临着“低端竞争、高端进口”的尴尬局面。据了解,在我国目前的模具企业中,产值过亿的企业只有20多家,中型企业几十家,其余都是小型企业,多数只有几十名职工,百十万元产值,很多企业依然采用传统的作坊式的管理方式。技术水平落后,生产效率低,这使得我国几乎所有的模具企业都只能生产中低档的模具产品,而高中档产品只能大量进口。10 鉴于模具作为包括机床工具、汽车制造、食品包装等在内的机械行业中机械基础件产业,以及电工电器、电子及信息行业的支持产业,在发展先进生产力当中,处于非常关键并服务全行业的地位,其发展对产业配套能力的提升和促进产业聚集优势的形成将起到重要作用。改革开放以来,中国模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化。除了国有专业模具厂外,其他所有制形式的模具厂家,包括集体企业、合资企业、独资企业和私营企业,都得到了快速发展,集体和私营的模具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。目前,国内已能生产精度达2微米的精密多工位级进模,工位数最多已达160个,寿命1～2亿次。在大型塑料模具方面,现在已能生产48英寸电视的塑壳模具、6.5Kg大容量洗衣机的塑料模具,以及汽车保险杠、整体仪表板等模具。在精密塑料模具方面,国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。在大型精密复杂压铸模方面,国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。在汽车模具方面,现已能制造新轿车的部分覆盖件模具。其他类型的模具,例如，子线轮胎活络模具铝金和塑料门窗异型材挤出模等也都达到了较高的水平,并可替代进口模具。在中国,人们已经越来越认识到模具在制造中的重要基础地位,认识到模具技术水平的高低,已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企业十分重视技术发展,加大了用于技术进步的投资力度,将技术进步视为企业发展的重要动力。此外,许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。目前,从事模具技术研究的机构和院校已达30余家,从事模具技术教育的培训的院校已超过50余家。其中,获得国家重点资助建设的有华中科技大学模具技术国家重点实验室,上海交通大学CAD国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州大学橡塑模具国家工程研究中心等。经过多年的努力,在模具CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步，在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。2.国外模具行业的发展态势1．高新技术在欧美模具企业得到广泛应用,欧美许多模具企业的生产技术水平,在国际上是一流的。将高新技术应用于模具的设计与制造,已成为快速制造优质模具的有力保证。国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代末，当时美国、日本、德国、加拿大等发达国家开始对冲模CAD进行研究。进入70年代，出现了面向中小企业的CAD/CAM的商品软件，如日本机械工程实验室成功研制的冲裁级进模CAD系统，美国DIECOMP10 公司成功地研制出计算机辅助设计级进模的PDDC系统。但仅限于二维图形的简单冲裁级进模，其主要功能如条料排样、凹模布置、工艺计算和NC编程等。80年代,弯曲级进模CAD/CAM系统开始出现，美国、日本等工业发达国家的模具生产绝大多数采用了CAD/CAM技术。为了能够适应复杂模具的设计，富士通系统采用了自动设计和交互设计相结合的方法，在该系统中除毛坯展开、弯曲回弹计算和工步排序为自动处理外，其余均需要设计人员的参与。这些系统均备实体造型和曲面造型的强大功能，能够设计制造汽车零部件的模具。进入90年代后，国外CAD/CAM技术向着更高的阶梯迈进。CAE技术在欧美已经逐渐成熟，在注射模设计中应用CAE分析软件,模拟塑料的冲模过程,分析冷却过程,预测成型过程中可能发生的缺陷。在冲模设计中应用CAE软件,模拟金属变形过程,分析应力应变的分布,预测破裂、起皱和回弹等缺陷。2.为了缩短制模周期、提高市场竞争力,普遍采用高速切削加工术。高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特的加工技术,其加工效率比传统的切削工艺要高几倍,甚至十几倍。欧美模具企业在生产中广泛应用数控高速铣,三轴联动的比较多,也有一些是五轴联动的,转数一般在1.5万～3万r/min。采用高速削技术,可大大缩短制模时间。经高速铣削精加工后的模具型面,仅略加抛光便可使用,节省了大量修磨、抛光的时间。欧美模具企业十分重视技术进步和设备更新，设备折旧期限一般为4～5年。增加数控速铣床,是模具企业设备投资的重点之一。3.快速成型技术与快速制模技术获得普遍应用。由于市场竞争日益激烈,产品更新换代不断加快,快速成型和快速制模技术应运而生,迅速获得普遍应用。在欧洲模具展上,快速成型技术和快速制模技占据了十分突出的位置,有SLA、SLS、FDM和LOM等各种类型的速成型设备,也有专门提供原型制造服务的机构和公司。模具企业,有不少是将快速成型技术和快速制模技术结合起来应用于模具制,即利用快速原型技术制造产品零件的原型，再基于原型快速地制出模具。许多塑料模厂家利用快速原型浇制硅橡胶模具,用于少量制塑料件,非常适合于产品的试制。3.中国和世界先进技术的差距中国模具生产总量虽然已位居世界第三,但设计制造水平在总体上要比德、美、日、法、意等工业发达国家落后许多,也比英国、加拿大、西班牙、葡萄牙、韩国、新加坡等落后。其差距主要表现在下列六方面。国内自配率不足80%,其中中低档模具供过于求,中高档模具自配率不足60%。模具是制造业的重要工艺基础,在我国,模具制造属于专用设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具,但长期未形成产业。直到20世纪810 0年代后期,中国模具工业才驶入发展的快车道。近年,不仅国有模具企业有了很大发展,三资企业、乡镇(个体)模具企业的发展也相当迅速。企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构都不够合理。中国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间(分厂),专业模具厂也大多数是“大而全”、“小而全”的组织形式。国外模具企业大多是“小而专”、“小而精”。中国模具自产自配比例高达50%以上,国外70%以上是商品模具。国内模具总量中属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例只有30%左右,国外在50%以上。2003年模具进出口之比为4:1,进出口相抵后的净进口为10.3亿美元,净进口量最大的国家。模具产品水平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。产品水平低主要表现在精度、型腔表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上;工艺水平低主要表现在设计、加工、工艺装备等方面。开发能力弱,经济效益欠佳。中国模具企业技术人员比例较低,水平也较低,不重视产品开发,在市场中常处于被动地位。国内每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右,而模具工业发达国家大多是15～20万美元,有的甚至达到25～30万美元。由此而来的是中国模具企业经济效益差,大都微利,国有企业总体亏损,缺乏后劲。模具标准化水平和模具标准件使用覆盖率低。国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上,国内模具标准件使用覆盖率只有45%左右。与国际先进水平相比,模具企业的管理落后更甚于技术。管理落后易被忽视,国内大多数模具企业还沿用过去作坊式粗放经营管理模式,真正实现现代化企业管理的还不多。造成上述差距的原因很多,除了长期以来未将模具重视之外,还有下列几个主要原因:第一,体制不顺,基础薄弱。“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用,私营企业近年来发展较快,国企改革也在进行之中,但总体来看,体制和机制尚不适应市场经济,再加上国内模具工业基础薄弱,因此,行业发展还不尽如人意,特别是总体水平和高新技术方面。第二,人才严重不足,科研开发及技术攻关方面投入太少。模具行业是技术密集、资金密集的产业,随着时代进步和技术发展,能掌握和运用新技术的人才异常短缺,高级模具钳工及企业管理人才也非常紧缺。由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视,因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少,民营企业贷款困难也影响许多企业的技术改造,致使科技进步不大。第三,工艺装备水平低,且配套性不好,利用率低。虽然国内许多企业采用了先进的加工设备,但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多,特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因,引进设备不配套,10 设备与附配件不配套现象十分普遍,设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低,带来中国模具企业钳工比例过高等问题。第四,专业化、标准化、商品化的程度低、协作差。由于长期以来受“大而全”“小而全”影响,许多模具企业观念落后,模具企业专业化生产水平低,专业化分工不细,商品化程度也低。目前国内每年生产的模具,商品模具只占45%左右,其余为自产自用。模具企业之间协作不好,难以完成较大规模的模具成套任务,与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低,标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响,对模具制造周期影响尤甚。第五,模具材料及模具相关技术落后。模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本,国产模具钢与国外进口钢相比,无论是质量还是品种规格,都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差,也直接影响模具水平的提高。综上所述,虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展,但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如,精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低,CAD/CAE/CAM技术的普及率不高,许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距,这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求,因而需要大量从国外进口。4.我国模具行业发展前景巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。汽车、摩托车行业的模具需求将占国内模具市场的一半左右。2004年,国内汽车年产量为400万辆,保有量为3000万辆。汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长,特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。例如,到2005年汽车行业需要各种塑料件36万吨,而目前的生产能力仅为20多万吨,因此发展空间十分广阔。家用电器,如彩电、冰箱、洗衣机、空调等,在国内的市场很大。目前,我国的彩电的年产量已超过4000万台,电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过了1500万台。家用电器行业的发展对模具的需求量也将会很大。其他发展较快的行业,如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求,都将对中国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。据分析,未来我国模具的10大发展趋势是:1.模具日趋大型化。2.模具的精度将越来越高。10年前精密模具的精度一般为5微米,现已达到2-3微米,1微米精度的模具也将上市。3.多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型零件外,还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务,对钢材的性能要求越来越高。10 4.热流道模具在塑料模具中的比重也将逐渐提高。5.随着塑料成型工艺的不断改进与发展,气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模具也将随之发展。6.标准件的应用将日益广泛。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期,还能提高模具的质量和降低模具制造成本。7.快速经济模具的前景十分广阔。8.随着车辆和电机等产品向轻量化发展,压铸模的比例将不断提高。同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。9.以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快,塑料模具的比例将不断增大。由于机械零件的复杂程度和精度的不断提高,对塑料模具的要求也越来越高。模具技术含量将不断提高。5.CAE在模具设计中的应用CAE：(ComputerAidedEngineering)即计算机辅助工程技术，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现模具优化的主要支持模块。就塑料模具计算机辅助工程技术而言，它主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。随着计算机技术的快速发展，对各种塑料成型过程的模拟成为塑料加工业研究的热点。对于模具CAE来讲，目前局限于数值模拟方法，对未来模具的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷。MF软件是由一家专门从事塑料计算机辅助工程分析(CAE)的软件和咨询公司(MOLDFLO~)开发的。MOLDFLO~软件可以模拟整个注射过程以及这一过程对注射成型产品的影响。它主要包括流动模拟模块(MF~Flow)、冷却模拟模块(MF/Cool)、保压分析模块(MFIPack)、翘曲分析模块(MFl9Crrap)、MF/SHRINK模腔尺寸确定、MF/STRESS结构应力分析、MF/O~M注塑机参数优化、MF/GAS气体辅助注射分析、MF/FIBER塑件纤维取向分析等模块，通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。最新版本可以自动建立和运行一系列的分析，分析结束后，分析结构将自动生成。一.CAE技术的发展过程1.在20世纪60～70年代处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。10 2.20世纪70～80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软机的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用以及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。3.20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展。目前，CAE软件系统的一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算或进行结构动力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求则重新修改造型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。二.CAE技术对模具结构的分析模具设计已经不仅仅停留在对外观和结构的设计上，它已经扩展到对模具结构分析的领域。对已经设计出的模具，运用CAE软件（尤其是有限元软件）对其进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。通过分析检验前面的模具结构设计是否合理，分析出结构不合理的原因和位置，然后在CAD软件中进行相应的修改，接着再在CAE软件中进行各种性能检测，最终确定满足要求的模具结构。基于有限元分析软件的应用，关键是网格的划分、模拟计算方法和成形接触处理等。此外，提供给软件进行CAE分析的数据也尤为重要，生产条件、设备性能、产品要求、材料特性等都将给模具的CAE分析的准确性带来影响。1.强度和刚度分析强度和刚度是模具设计中最重要的一项性能要求。运用CAE技术，通过对模具施加约束和载荷等外部条件来模拟模具的真实应用情况，分析模具的强度和刚度是否达到规定要求。模具CAE技术经过短暂的时间已经用在注塑模、压铸模、锻模、挤压模、冲压模等模具的优化，并在实际中指导生产。在工程实际中，一般应用ANSYS、ALGOR、DEFORM等进行分析计算。2.抗冲击试验模拟CAE技术能够用于分析随时间变化的载荷如交变载荷、爆炸与冲击载荷、随机载荷和其它瞬态力等对结构的影响。如CAE技术对瞬态分析、模态分析、谐波响应分析、响应谱分析和随机振动进行分析，为分析产品在特殊与恶劣的环境和工作条件下的物理响应、可靠性与耐用性等提供了完整的评估与解决方案。3.跌落试验模拟CAE技术也可以用于分析结构由于碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移、振动响应、产品的结构强度、联接设计，刚度性质、抗冲击性能、防爆性能及整个系统工作稳定性和完整性做出定量评估。10 4.散热能力分析现在的CAE技术可以模拟模具中的温度分布，通过模拟大功率电子元件产生的能量以及通过传导、对流和辐射散发出的热量来确定模具的热分布，然后再对各种材质模具的散热能力进行初步分析。5.疲劳和蠕变分析在模具设计中，对于那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模具，或处于低温或者高温条件工作的模具产品，进行初步的疲劳分析和蠕变分析是非常必要的，这种分析不需要考虑外部的每一个条件，但是这种分析的结果具有很大的参考价值，如果出现不合理的情况，就可以重新进行设计，避免后面不必要的设计和分析。例如：ANSYS专用的疲劳分析软件模块FE-SAFE就可以实现各种材料模式下进行高低温环境和长期载荷作用下的变形和失效问题的研究。三.CAE技术和模具成形仿真模具成形是一个非常复杂的过程，有非常多的影响因素，因此对于复杂结构的模具就需要进行成形仿真，检验前面所设计的模具在成形时的强度和刚度是否达到要求，只有满足了成形要求，初步设计工作才最终完成。1.冷冲压成形冷冲压模具主要用于金属和非金属材料的冷态成形。通过仿真，CAE技术可以检测成形过程中模具材料的强度水平是否达到要求，热处理是否发挥了模具的强韧性等。2.热作成形热作模具用于高温条件下的金属或非金属成形，模具是在高温下承受交变应力和冲击力，工作成形温度往往较高，对于金属模具还要经受高温氧化及烧损，在强烈的水冷条件下经受冷热变化引起的热冲击作用。热作模具作为热加工的成形工具，被广泛的应用于各类压铸模、挤压模、注塑模、热压模和锻模中。四.CAE技术在模具设计中的发展方向模具CAE技术在传统的应用基础上还要不断的适应新的环境和新的挑战，寻求新的发展。1.逐步提高CAE系统的智能化程度。人工智能是计算机的几大功能之一，将人工智能引入CAE系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，从而达到设计自动化的目的。目前提高智能化程度的路径有两条：一是继续研究专家系统技术的应用；二是开展KBE（基于知识工程）技术的研究，主要是开发基于KBE的专用工具，如UGII中的KF（KnowledgeFusion）。2.研究模具的运动仿真技术，即冲模的冲压过程与注射模的运动仿真。因为冲模与注射模的结构复杂，在冲压与注射过程中，一些模具零件的运动难免产生干涉现象，特别是10 级进模还可能存在条料运动与模具运动的干涉，而在设计中这些现象难以发现，故只有采用仿真技术在计算机上显示其运动状态，即时改正错误的设计，以避免生产中出现问题。3.协同创新设计将成为模具设计的主要方向，制造业垂直整合的模式使得世界范围内的产品销售、产品设计、产品生产和模具制造分工更明确。模具企业间通过Internet网络进行异地协同设计和制造。根据企业自身的信息化程度和企业间合作的层次不同，采用的技术手段和方案有很大不同。4.模具CAE技术应用的ASP模式，将成为发展方向。由于当今模具行业已经成为高新技术最密集的行业，任何企业都不可能拥有全部最新出现的技术，因此将出现CAE技术应用的ASP模式，即产生各种专门技术的应用服务单位，为模具行业的各个企业提供技术服务，应用服务包括逆向设计、快速原型制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等诸多方面。5.基于网络的模具CAE集成化系统将深入发展。现代CAE系统已经实现了从单机到局域网的转变，目前正在与企业的Intranet整合。在企业行为国际化的大潮下，在Intranet的大环境下建立CAE系统不久将成为现实。模具CAE系统的高智能化程度也会大大提高。在智能化软件的支持下，而今的模具CAE技术不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是再先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富只是和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性。随着科技的不断进步，制造业正向数字化、全球化、网络化的方向发展，产品的生命周期越来越短，新产品的上市速度越来越快。模具是制造业的基本工艺设备，模具设计的、制造的效率对产品的开发效率有决定性影响。因此在模具设计的过程中，利用先进的CAD/CAE技术进行模具设计省事、省力，而且最为重要的是保证了成型后制品的准确性，减少了试模的次数，缩短了模具的设计及生产的周期。参考文献[1]李松江。模具制造技术和发展趋势。模具制造,2006年第7期[2]洪慎章。现代模具技术的现状及发展趋势。航空制造技术,2006年第6期[3]李海平。国内模具工业的现状及研发趋势。科技资讯,2006,NO.25[4]孔德音。模具制造学[M]。北京:机械工业出版社,1998[5]邱建新，李发根等。模具工业发展趋势综述[J]。CAD／CAM与制造业信息化2003，(12)[6]10 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