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汽車制造專業(yè)論文|汽車研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)--快速模具制造及其應(yīng)用
摘要：模具是制約汽車開發(fā)與生產(chǎn)的瓶頸，新型快速模具不但能顯著縮短制作周期、降低成本，還能提高制件的品質(zhì)與生產(chǎn)效率，其中最適合汽車研發(fā)的是硅橡膠模。本文介紹了快速模具的類型、應(yīng)用狀況，以及制作大型、復(fù)雜、精密硅橡膠模的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：汽車；模具；快速成形；快速制造；硅橡膠
1 快速模具制造及其應(yīng)用的重要性
隨著社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，市場競爭愈來愈劇烈，迫使制造業(yè)在不斷改善產(chǎn)品的性能與品質(zhì)的前提下，最大限度地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低成本，以便快速響應(yīng)用戶最新的需求。這種趨勢在汽車、摩托車、電子產(chǎn)品、家電產(chǎn)品、玩具等制造業(yè)顯得尤其突出。例如，電子產(chǎn)品的開發(fā)周期已降至不到一年，在玩具制造業(yè)，常常是第一季度開發(fā)，第三季度大批量生產(chǎn)，第四季度銷售。著名的HP（惠普）公司80%以上的利潤來源于年齡不滿2 年的產(chǎn)品。所以，快速、高效地開發(fā)新產(chǎn)品是競爭取勝的一個關(guān)鍵因素。實現(xiàn)新產(chǎn)品的快速、高效開發(fā)涉及多種領(lǐng)域的先進技術(shù)，例如，計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、新材料，以及產(chǎn)品與相應(yīng)工藝裝備的快速成形、制造等，其中特別是有關(guān)模具的設(shè)計與制作技術(shù)。
汽車是最復(fù)雜、最有影響的一種消費品，由于用戶與競爭者的壓力，迫使汽車工業(yè)必須優(yōu)化其產(chǎn)品開發(fā)過程，迅速地提高產(chǎn)品的品質(zhì)并將其推向市場，還要最大限度地滿足用戶的要求。10 年前，開發(fā)一輛新汽車的時間大約為60 個月，而現(xiàn)在僅18 個月。眾所周知，汽車的開發(fā)、生產(chǎn)離不開模具，尤其是鑄造、鍛壓、注塑等工藝所需的模具。試制原型件常常需要模具，汽車的生產(chǎn)更需要模具。然而，模具的開發(fā)、制作時間與成本，又往往是整個汽車開發(fā)時間與成本的主要部分，既費時又費錢。通常，25%的汽車開發(fā)時間與大部分的成本用于原型與模具的制作。例如，一付大型、復(fù)雜的模具的開發(fā)一般需要6 個月以上的時間與幾十萬至幾百萬元以上的費用，一付小型、中等復(fù)雜的模具的開發(fā)一般也需3 個月以上的時間與幾萬元至幾十萬元以上的的費用。根據(jù)美國汽車工業(yè)統(tǒng)計，其平均67%以上的投資與模具有關(guān)。在我國，由于試制新車的能力比較差，因此，在試制階段不得不高價從國外進口試制件，以進口裝飾件為例，60 種（每種15 件）就需300 多萬元。
因此，模具是制約汽車開發(fā)與生產(chǎn)的瓶頸，要縮短汽車的開發(fā)與生產(chǎn)周期、降低成本，必須首先縮短模具的開發(fā)與生產(chǎn)周期，降低模具的成本，使模具更結(jié)實、耐用。
通常，模具由鍛造鋼坯或鋁坯經(jīng)傳統(tǒng)機械加工而成，砂型鑄造模型雖然可用木材制作，但仍需機械加工。由于模具上常常有一些復(fù)雜的特征與自由表面，精度與光潔度要求比較高，所以加工周期長，成本高。
應(yīng)該指出的是，由于計算機數(shù)控（CNC）加工機床、加工中心、柔性系統(tǒng)，以及高速切削等先進技術(shù)的發(fā)展，能使模具加工的周期縮短，但是至今為止，每道工序的工藝并無重大改變，仍然存在調(diào)整時間長、復(fù)雜刀具軌跡的自動生成困難、成本高等大問題。當(dāng)產(chǎn)品的生產(chǎn)批量較小時，模具的制作工時與成本分攤在每件產(chǎn)品上的數(shù)額更大，上述問題尤為突出。傳統(tǒng)機加工模具的另一個問題是，這種模具的柔性比較差，一旦設(shè)計有些改變，原有模具難于修改，幾乎不得不重新制作。所以，必須尋求快速模具制造的新方法。
2 快速模具制造的新概念
在現(xiàn)代先進制造技術(shù)中，有一項稱為Rapid Prototyping & Manufacturing（快速成形與快速制造，簡稱RP&M）的支柱技術(shù)，應(yīng)用這種技術(shù)能快速制作工件，并使其材質(zhì)特性接近或幾乎與期望的產(chǎn)品特性相符。
其中，Rapid Prototyping （快速成形，簡稱RP）指的是一種新工藝，它能根據(jù)工件的CAD 三維模型， 快速制作工件的實體原型，而無需任何附加的傳統(tǒng)模具或機械加工； Rapid Manufacturing（快速制造，簡稱 RM） 主要指的是Rapid Tooling （快速模具制造，簡稱RT）——用快速成形工藝及相應(yīng)的后續(xù)加工來快速制作模具。RT 是不同于傳統(tǒng)機加工模具的一種新方法、新工藝，也不是過去的“簡易模”,它涉及以下兩方面的功能：
1） 快速開發(fā)用于傳統(tǒng)制造工藝的模具，如快速制作注塑模與鑄造模型。
2） 減少用模具成形工件所需的時間，縮短成形的循環(huán)周期，提高模具的生產(chǎn)效率，改善工件的品質(zhì)。
當(dāng)然，并非各種RT方法都具有第二種功能。
快速模具制造（RT）與快速成形（RP）有密切的關(guān)系。RT 方法的出現(xiàn)與發(fā)展，在很大程度上取決于RP 技術(shù)與新材料的發(fā)展，采用RP 技術(shù)能直接或間接快速制作模具，而RT 技術(shù)又能促進、擴大RP 的推廣應(yīng)用。
雖然，RT 工藝仍處于開發(fā)階段，還不十分成熟、完善，但是，它已經(jīng)能和傳統(tǒng)的CNC 機加工相竟?fàn)�，并因此促進各自的發(fā)展。最新的進展表明，已經(jīng)能用一些替代技術(shù)制作大批量生產(chǎn)用模具，它們在縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低成本、提高生產(chǎn)率與改善產(chǎn)品品質(zhì)等方面，都很有成效。
3 快速模具制造及其應(yīng)用的現(xiàn)狀
近年來，在快速成形技術(shù)與新材料（特別是高分子材料）的推動下，快速模具制造技術(shù)取得了重大的突破。據(jù)不完全統(tǒng)計，在國外，商品化并相當(dāng)廣泛應(yīng)用的快速模具制造方法已有20 幾種（如圖1——圖3 所示），按照模具所能成形的工件數(shù)量，模具可分為：試制用模具、正式批量生產(chǎn)模具，以及介于兩者之間的過渡模具（Bridge tooling） .應(yīng)用的領(lǐng)域不僅遍及汽車、家電、玩具等許多制造行業(yè)，而且還深入到醫(yī)療領(lǐng)域。
圖1 商品化的快速試制用模
圖2 商品化的快速過渡模
圖3 商品化的快速批量生產(chǎn)模
國外的制造業(yè)十分重視快速模具制造，其應(yīng)用的50%以上在汽車與消費品的制造業(yè)，已用于小批量（幾百件）、中批量（幾千件）與大批量（幾萬件以上）的生產(chǎn)，模具的尺寸精度可達0.025——0.127mm,硬度可達HRC 25——70,壽命可達10,000——500,000,因此不僅能與H-13 模具鋼比美，而且還能比傳統(tǒng)模具提高生產(chǎn)率35%——40%.例如：
1） 在Ford 公司的開發(fā)部，裝備了各種各樣的快速成形機，他們用RT 技術(shù)制作了注塑模、沖模、中空成形模、鑄模與壓鑄模等，能在6 天內(nèi)完成從母模至快速壓機模的制作，例如對于成形旋轉(zhuǎn)葉片的壓機模，模具費用節(jié)省75%——80%,模具壽命達到750 000 件。
2） Toyota 公司的實踐表明， 對于右側(cè)鏡殼體，采用RP 技術(shù)后，由于不必制作原型的模具，節(jié)省模具費200 000 美元；對于門把手，用快速成形母模，可節(jié)省模具費用300 000 美元；僅僅FDM 快速成形機就為汽車試制節(jié)省了2 百萬美元。
3） Volkswagen AG 公司的實踐表明，對于氣缸頭、曲軸箱、缸頭蓋與渦輪充電器殼體的鑄造而言，與傳統(tǒng)方法制作模具與鑄件相比，為獲得5 個工件，RP/RT 可縮短時間80%——89%.
4） FIAT 公司的實踐表明，RT 至少縮短制作時間47%,降低成本55%——65%.
5） 在韓國的汽車工業(yè)的4 家公司中，擁有8 臺快速成形機，它們主要用于汽車內(nèi)、外裝飾件的設(shè)計與成形，以及發(fā)動機零件的鑄造。例如在Hyundai 公司，20%用于成形模具的母模，35%用于裝配試驗。
他們的快速模具用于真空鑄造、中空成形與離心鑄造。Kir 公司用真空鑄造與熔模鑄造成形金屬件，以便對樣車進行測試。對于發(fā)動機支架，他們將SLA 快速成形件替代蠟?zāi)＃缓筮M行熔模鑄造，全過程僅需14 天，比傳統(tǒng)制作方法縮短9 天（即縮短時間40%）。對于后組合燈支架，用SLA 快速成形件作真空鑄造的母模，能節(jié)省65%的成本與75%的時間。
在我國，近幾年來，快速成形機的研發(fā)與生產(chǎn)有很大的發(fā)展，一些汽車制造公司也購置了多種形式的快速成形機，但是多數(shù)僅用于制作原型，快速模具制造還是一種鮮為人知的技術(shù)，應(yīng)用十分有限。據(jù)初步統(tǒng)計，目前我國具有快速模具制造能力的主要單位有20 幾家，其中，絕大多數(shù)單位制作的快速模與國外商品化快速模相比，有以下明顯差距：
1） 品種不到10 種，遠遠少于國外已商品化的20 幾種，特別是尚未開展高檔快速模的研發(fā)、生產(chǎn)。
2） 由于能制作的快速模的品種有限，因此，對于具體的客戶要求而言，往往缺乏靈活性與適應(yīng)性。
3） 不具備大型、復(fù)雜、精密快速模具的生產(chǎn)能力。
4 大型、復(fù)雜、精密硅橡膠模—快速成形汽車塑料試制件的關(guān)鍵
軟模（soft tooling）是一種常用的試制模具，也可用于制作快速過渡模或快速批量生產(chǎn)模，其中，最常見的是硅橡膠模，它的優(yōu)點是：
�。�1） 制作周期短
通常，根據(jù)工件的CAD 文件，能在幾天內(nèi)提供硅橡膠軟模，以及用軟模成形的聚氨酯塑料件。與傳統(tǒng)金屬模注塑原型工件相比，用硅橡膠模真空澆注聚氨酯原型，能縮短開發(fā)周期高達90%.用快速成形的母模通過硅橡膠模制作鑄造用聚氨酯芯盒，與制作傳統(tǒng)的金屬芯盒相比，只需1/5 的時間。
（2） 成本低
與CNC 機加工的金屬模相比，軟模的制作費用低得多，一般只有金屬模的幾分之一。
�。�3） 彈性好，工件易于脫模
在傳統(tǒng)的金屬模中，通常需要設(shè)置脫模斜度，以便使工件成形后順利脫模。用硅橡膠模成形工件時，由于模具有足夠的彈性，使得往往不必添加脫模斜度，工件就能脫模，從而可大大簡化模具的設(shè)計。
（4） 復(fù)印性能好
硅橡膠有優(yōu)良的復(fù)印性能，可良好地再現(xiàn)母模上的細小特征，基本不會損失尺寸精度。
（5） 能用于在室溫下澆注高性能的聚氨酯塑料件。
由于雙組分熱固性聚氨酯的新進展，已經(jīng)能替代工程塑料。此外，澆注成形的聚氨酯工件的表面光潔度也很好，還有能獲得高透明度工件的聚氨酯樹脂，在真空澆注機（vacuum casting machine）中，用硅橡膠模可以澆注出高性能的聚氨酯塑料制品。
制作大型、復(fù)雜、精密的硅橡膠模，并用其成形汽車塑料試制件的關(guān)鍵在于：
�。�1） 盡可能減少硅橡膠材料的用量，降低制作成本
制作中型、大型硅橡膠模需要幾十公斤至幾百公斤的硅橡膠，一般硅橡膠的價格約200 元/公斤，因此，硅橡膠材料費高達幾千元至幾萬元，顯然，這是成本的最主要部分。
�。�2） 提高硅橡膠模的加熱效率
用硅橡膠模澆注聚氨酯塑料件時，一般要求模具溫度達到70°C 左右，因此須預(yù)先加熱硅橡膠模，然而，由于硅橡膠的導(dǎo)熱性很差，加熱效率非常低，對于中型、大型硅橡膠模常常需要加熱幾小時，甚至近十小時，而且難于使整個模具的溫度均勻，導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷纳a(chǎn)效率與塑料件較大的翹曲變形。
�。�3） 恰當(dāng)選擇聚氨酯的牌號，使?jié)沧⒌乃芰霞男阅芙咏ぜ璨牧系男阅?br />
汽車上需要的工件常常是ABS 等類別的高性能工程塑料件，因此，必須使所選的雙組份聚氨酯的性能與其相接近，特別是強度、硬度與彈性，并且應(yīng)有良好的流動性，以及足夠的可操作時間。
（4） 正確設(shè)計澆注工藝與選擇硅橡膠、聚氨酯的性能，使之能成形形狀復(fù)雜的精細件
汽車塑料件上常常有精細、復(fù)雜的小特征，硅橡膠模的相應(yīng)部分易損壞，并且澆注雙組份材料時不易充滿，所以必須采用恰當(dāng)?shù)臐沧⒎较蚺c澆道設(shè)計，以及高撕裂強度的硅橡膠和高流動性的雙組份材料。
如果不能妥善地處理上述關(guān)鍵問題，根本無法經(jīng)濟、快速地生產(chǎn)合格的塑料件。
瑞鼎機電科技有限公司聚積了一批來自國內(nèi)外的高級技術(shù)人員，他們長期從事快速成形、快速模具制造的研發(fā)與生產(chǎn)，積累了豐富的經(jīng)驗。公司擁有面積近一千平方米的快速模具制造車間，裝備了國內(nèi)最大、最先進的德國MKV II-XL 型真空澆注機，在充分吸取國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過長期的試驗、研究，從材料改性與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面著手，創(chuàng)造了一套獨特的工藝方法，因此，為汽車、家電等行業(yè)提供了許多大型、復(fù)雜、精密的快速模具及其制件（如圖4——圖7），例如汽車保險杠、水箱面罩、車門內(nèi)飾板、儀表板、車燈燈罩、音響系統(tǒng)面板、手機殼等零件的高精度母模、硅橡膠模，以及小批量塑料試制件，能在相當(dāng)短的時間內(nèi)，滿足客戶試制新產(chǎn)品的要求，從而使過去不得不進口的試制件改由瑞鼎機電科技有限公司供應(yīng)，并可顯著地降低成本。
圖4 瑞鼎公司制作的水箱面罩
的母模、硅橡膠模與塑料件
圖5 瑞鼎公司制作的保險杠的母模、
硅橡膠模與塑料件
圖6 瑞鼎公司用硅橡膠模成形的車門內(nèi)飾板 圖7 瑞鼎公司用硅橡膠模成形的精細件
叁考文獻
1 王運贛�？焖俪尚渭夹g(shù)。武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999
2 王運贛。快速模具制作及其應(yīng)用。武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003
3 Peter D Hilton ,Paul F Jacobs. Rapid Tooling: Technologies and Industrial Application. New York: Marcel Dekker ,Inc.,2000
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