未来中国需要的模具设备与技术情况分析
估计目前国内模具年产值约为200亿元人民币。多年来，我国进口模具逐年大幅上升，最高年份接近10亿美元，而年出口不到1亿美元。市场的需求和竞争发出了振兴我国模具、提高模具制造水平的呼唤。用信息技术改造传统制造技术是我国模具工业调整结构、走向现代化的关键，也是机床行业开拓模具制造设备市场的重要课题。
1 模具制造的特点及对工艺装备的需求
没有特色的产品是没有竞争能力的，特色来自市场的需求和对用户的吸引力。所以探索模具工业现代化应先研究模具制造的特点和要求。
模具制造属于单件多品种，要有试制性生产，准备周期长，往复工序多，工序平衡困难，准确估价难。为缩短周期，国外重视模具结构典型化，零部件标准化，标准件商品化，模具制造(工艺协作)专业化。目前国内模具标准化不到30%，与发达国家(70%～80%)差距较大。主要是缺乏高效高精度专机(有的厂目前仍用60年代用户自制专机)。生产厂小而多，使产品质量不稳定，效率低，形不成规模效益。
模具按合同生产，随机性大；影响模具成形因素多，模腔复杂，造型困难，信息量大；理论联系实际(经验)要求高，设计工作量大。所以对CAD/CAE/CAM、DNC方式加工等要求迫切。
模具多用于批量无屑加工，工作条件差，又要求寿命长，因此对模具材料的要求高、热处理要求严，其型腔尺寸精度、表面粗糙度直接影响制件质量，能完成淬火后型面高效精加工的设备就成为提高模具制造水平的关键。为此，多年来设备行业集中机器制造冷热加工技术和工艺精华，开发模具加工设备，无论品种、数量都发展很快。其中高精度加工和特种加工设备应用较多。数控机床具有高效、精密、柔性、自动、集成等优点，特别适合单件复杂零件制造，可加工出传统机床加工不出来的复杂形状，较传统机床提高效率3～7倍，所以数控机床的广泛使用成为模具制造现代化的基础条件。
模具制造钳工劳动量占30%～40%，主要是型面抛光、装配、调试、试模验收等。国内多采用电动、气动机械抛光、超声抛光、电解抛光、磨料流抛光，国外现已发展自动抛光机。据资料介绍：德国66%的模具厂，日本、美国30%的模具厂使用自动抛光机。国内也有单位在研究，目前效果尚不明显。由于模具中的许多小孔、窄槽等抛光困难，国外采用高速铣减少抛光工作量。国内在装配调试上也制造翻模机、研合机等，但规格不全。车间物流设备也很落后，模具零件在加工周转中常被锈蚀，既影响产品外观，更不利于精密模具的制造。
模具制品形状复杂，尤其是精密模具采用普通量具满足不了测量要求。工业发达国家的模具厂普遍采用三坐标测量机。对三坐标测量机提出高精度、高速度(测量尺寸多)、可靠、易操作、具有三维扫描数字化系统，能高效测量自由曲面等要求；以减少模具信息转换时间，缩短模具制造周期。并对探针提出高精度、小型化、长控针、低压接触和非接触测量的要求。利用补偿降低对环境的要求，使测量机能实现廉价、现场高柔性测量或在高精度数控机床上实现在线测量的要求。三坐标测量软件功能要强，才能真正发挥出柔性测量的优越性，达到信息及制造一体化的要求。
综上所述，模具制造技术发展的需求以信息技术改造传统制模技术，使模具制造信息以数字传递为主，以反向工程模拟量的数字化实现复杂信息转换、传递；以三维造型为先导，实现CAD/CAE/CAM一体化；以机械制造冷热加工技术为基础，开发精密复杂、淬硬型面加工的高效数控机床为核心，组成企业并行制造系统；实现高精度、高效率、高柔性、高自动化的模具加工，满足模具制造对高质量、低成本、长寿命、短周期、量大、面广多层次的需求。
2 模具制造工艺装备现代化是模具振兴的基础
工艺装备是企业生产力的实体要素，是物化了的科学技术。工艺装备水平是企业提高竞争能力和经济效益的基础，是企业现代化的重要标志。现从剖析日本模具工业发展来看工业发达国家是怎样利用工艺装备更新提高模具制造水平的。
50年代日本模具工业主要用普通机床，靠人工技能控制，模具尺寸精度在0.1mm左右，加工质量波动较大，模具水平取决于职工技能，称为技能型模具厂。
60年代日本模具工业推广了仿形铣床和低损耗电火花成形机，提高了模具制造的自动化程度，模具尺寸精度可控制在0.05mm左右。加工质量主要取决于设备和靠模、电极制造精度，使企业进入设备型模具厂。
70年代日本模具工业推广了数控铣床、精密数控线切割机。数控机床便于补偿使模具制造精度达到0.01mm。具有高效率、高精度、高柔性的数控机床更适合单件、多品种具有试制性模具的制造。企业摆脱了对工人技能的依赖，发展到技术型模具厂。
80年代日本模具工业推广了连续轨迹坐标磨床和数控电火花机床，使淬火后型腔、刃口加工精度达到3～5μm。模具CAD/CAM技术随着图形系统、工艺软件的成熟，在微机上可完成较复杂的三维曲面编程，形成以数字传递为主、以反向工程模拟量扫描数字化为辅的模具制造信息系统。为适应复杂模具型腔加工开发了具有NC、TC、NTC、NC/TC多种加工方式的功能型模具加工中心。机床还设有ATC、ASC等来减少辅助工时，提高了自动化程度。多轴数控仿形铣、电极成形机进一步提高了效率。CAD/CAE/CAM一体化，机床群控化(DNC)测量扫描信息传递现场化形成DMS(模具制造系统)，许多机床厂推出了先进的模具制造系统，使企业具有高质量短周期的技术保证，进入信息型模具厂。
90年代随着计算机软硬件的迅速发展，模具CAD/CAM水平提高并推广。在大型模具复杂型腔铣削中广泛采用五轴数控铣床，加工时可方便地使用铣刀周齿，Z轴采用较大进给量，以提高加工质量和效率。可接近三轴联动机床主轴不易接近的地方，避免铣刀中心切削工件带来的弊病。在一次装夹中，可以完成五面加工的模具加工方式，使多轴联动成为现代模具加工设备的特色之一。
随着高速加工相关技术的完善，高速加工铣削迅速发展。高速铣削采用小直径铣刀，高转速、周期进给量小，能高精度、低表面粗糙度加工60HRC的淬硬钢件，把电火花加工和人工修正减至最少，特别适合中小模具加工。高速铣削的加工速度是电火花加工速度的4～8倍。缩短制模周期，降低制模成本，在与EDM加工较量中是以集成加工取代了多工序加工。近几年国外又开发了第二代数控高速铣床，集多轴数控、大功率、高速铣削于一体，更有利于实现模具型腔高速集成加工。另外，在日本发展了展成电火花成形加工、电火花数控铣削加工、混粉电火花大面积精加工、线切割粉末加工、水基工作液电火花成形加工等技术，在不同方面显示了各自的优越性和工序集成化的色彩，使模具制造进入了柔性自动化的新阶段。与此同时，市场竞争促进了数控机床廉价化发展，80年代发展起来的功能型设备向量体裁衣的效益型发展，促进了数控机床的普及。日本模具工业就是在模具标准化、工厂专业化、设备现代化中发展起来的。日本模具工业产值、劳动生产率、出口皆占世界首位，充分显示了工艺装备现代化的巨大威力。
3 加速模具制造工艺装备现代化，拓宽机床工业市场
众所周知，数控技术是当代省力化、自动化方面最伟大的发明。数控机床的柔性成功地解决了模具制造中的五大命题(单件、复杂、精密、周期、成本)，能对市场作出敏捷的反应，是提高企业竞争能力的有效手段，所以数控机床已成为模具工艺装备现代化的核心基础。但长期以来受数控系统稳定可靠性的制约，使我国数控机床总是徘徊不前。80年代随着改革开放的深化，敞开了机床进口的大门。国内引进不少模具设备，改善了部分模具骨干企业的设备状况，提高了模具制造水平。同时流失了大量外汇，并使我国成为世界机床净进口最多的国家。国内模具市场大(年产量已超过机床行业)，面广(模具分10类46小类)，层次多，靠引进解决1.7万个模具企业对机床的需求是不现实的。由于数控机床满足不了发展需求，造成1984年至1996年12年间模具进口约增加38倍，还使国内机床行业失去了部分市场。国内模具价格仅为工业发达国家的1/5～1/3(甚至1/10)，承受大量进口设备折旧和使用中耗费有困难。所以只有生产高性能数控机床装备模具制造工业，才是机床行业振兴之路，才能为模具行业结构调整打下坚实的基础。
在重视普及型数控机床开发的同时，应看到经济型数控机床仍深受用户欢迎。如高速走丝电火花线切割机、经济型数控钻床、数控铣床等。因性能价格比较好，能很快形成经济效益，故经济型数控机床在我国尚有较长的市场寿命。应该重视具有模具制造特色的经济型数控机床，如：NC数控钻床加工模板上的光孔螺孔，NC深孔钻床加工型腔模的冷却水道孔，NC抛光机减轻钳工体力劳动，NC冲床提高柔性。
90年代开发的虚拟轴五轴数控机床，突破了传统的串联床身滑台式结构，使机床受力合理，刚性好，结构简单，工艺性好，重量轻，且制造成本低(只有传统五轴机床1/3～1/5)，可实现高速加工。利用软件的复杂性代替传统的机械结构的复杂性，被誉为本世纪机床结构的最大变革。虚拟轴机床具有独特的优点，实用化后必将使五轴数控机床的发展进入一个新阶段，它尤其适合模具复杂件铣削、磨削和测量。
现代制造技术向工艺复合化发展。如在加工中心上装高速铣头进行雕刻，装磨头进行抛光，加水帘或抽真空装置加工石墨电极，采用随行夹具准确定位，加速工序周转。反向工程的扫描数字化使TC加工复合于数控加工……。
用户需求、市场牵动是技术创新的动力，又是创新的起点，模具行业工艺个性强，熟悉用户工艺更为重要。如：模具材料硬，强度大，粗铣要求低速大扭矩、功率大、机床刚性强，精铣刀具要保证不干涉，刀具直径小，主轴转速高，转速范围大。采用高速硬铣，可减少电加工和抛光工作量是型腔的加工发展方向。型腔加工信息量大，CAD/CAE/CAM一体化，三维造型信息共享，可实现无图(二维)加工(要DNC接口)，复杂型腔造型困难的，可采用逆向工程数字化扫描，解析曲面的可用宏指令编变量程序……。在工艺方面可开发专家系统、模糊控制和各种数据库，简化操作，向智能化发展。
1 模具制造的特点及对工艺装备的需求
没有特色的产品是没有竞争能力的，特色来自市场的需求和对用户的吸引力。所以探索模具工业现代化应先研究模具制造的特点和要求。
模具制造属于单件多品种，要有试制性生产，准备周期长，往复工序多，工序平衡困难，准确估价难。为缩短周期，国外重视模具结构典型化，零部件标准化，标准件商品化，模具制造(工艺协作)专业化。目前国内模具标准化不到30%，与发达国家(70%～80%)差距较大。主要是缺乏高效高精度专机(有的厂目前仍用60年代用户自制专机)。生产厂小而多，使产品质量不稳定，效率低，形不成规模效益。
模具按合同生产，随机性大；影响模具成形因素多，模腔复杂，造型困难，信息量大；理论联系实际(经验)要求高，设计工作量大。所以对CAD/CAE/CAM、DNC方式加工等要求迫切。
模具多用于批量无屑加工，工作条件差，又要求寿命长，因此对模具材料的要求高、热处理要求严，其型腔尺寸精度、表面粗糙度直接影响制件质量，能完成淬火后型面高效精加工的设备就成为提高模具制造水平的关键。为此，多年来设备行业集中机器制造冷热加工技术和工艺精华，开发模具加工设备，无论品种、数量都发展很快。其中高精度加工和特种加工设备应用较多。数控机床具有高效、精密、柔性、自动、集成等优点，特别适合单件复杂零件制造，可加工出传统机床加工不出来的复杂形状，较传统机床提高效率3～7倍，所以数控机床的广泛使用成为模具制造现代化的基础条件。
模具制造钳工劳动量占30%～40%，主要是型面抛光、装配、调试、试模验收等。国内多采用电动、气动机械抛光、超声抛光、电解抛光、磨料流抛光，国外现已发展自动抛光机。据资料介绍：德国66%的模具厂，日本、美国30%的模具厂使用自动抛光机。国内也有单位在研究，目前效果尚不明显。由于模具中的许多小孔、窄槽等抛光困难，国外采用高速铣减少抛光工作量。国内在装配调试上也制造翻模机、研合机等，但规格不全。车间物流设备也很落后，模具零件在加工周转中常被锈蚀，既影响产品外观，更不利于精密模具的制造。
模具制品形状复杂，尤其是精密模具采用普通量具满足不了测量要求。工业发达国家的模具厂普遍采用三坐标测量机。对三坐标测量机提出高精度、高速度(测量尺寸多)、可靠、易操作、具有三维扫描数字化系统，能高效测量自由曲面等要求；以减少模具信息转换时间，缩短模具制造周期。并对探针提出高精度、小型化、长控针、低压接触和非接触测量的要求。利用补偿降低对环境的要求，使测量机能实现廉价、现场高柔性测量或在高精度数控机床上实现在线测量的要求。三坐标测量软件功能要强，才能真正发挥出柔性测量的优越性，达到信息及制造一体化的要求。
综上所述，模具制造技术发展的需求以信息技术改造传统制模技术，使模具制造信息以数字传递为主，以反向工程模拟量的数字化实现复杂信息转换、传递；以三维造型为先导，实现CAD/CAE/CAM一体化；以机械制造冷热加工技术为基础，开发精密复杂、淬硬型面加工的高效数控机床为核心，组成企业并行制造系统；实现高精度、高效率、高柔性、高自动化的模具加工，满足模具制造对高质量、低成本、长寿命、短周期、量大、面广多层次的需求。
2 模具制造工艺装备现代化是模具振兴的基础
工艺装备是企业生产力的实体要素，是物化了的科学技术。工艺装备水平是企业提高竞争能力和经济效益的基础，是企业现代化的重要标志。现从剖析日本模具工业发展来看工业发达国家是怎样利用工艺装备更新提高模具制造水平的。
50年代日本模具工业主要用普通机床，靠人工技能控制，模具尺寸精度在0.1mm左右，加工质量波动较大，模具水平取决于职工技能，称为技能型模具厂。
60年代日本模具工业推广了仿形铣床和低损耗电火花成形机，提高了模具制造的自动化程度，模具尺寸精度可控制在0.05mm左右。加工质量主要取决于设备和靠模、电极制造精度，使企业进入设备型模具厂。
70年代日本模具工业推广了数控铣床、精密数控线切割机。数控机床便于补偿使模具制造精度达到0.01mm。具有高效率、高精度、高柔性的数控机床更适合单件、多品种具有试制性模具的制造。企业摆脱了对工人技能的依赖，发展到技术型模具厂。
80年代日本模具工业推广了连续轨迹坐标磨床和数控电火花机床，使淬火后型腔、刃口加工精度达到3～5μm。模具CAD/CAM技术随着图形系统、工艺软件的成熟，在微机上可完成较复杂的三维曲面编程，形成以数字传递为主、以反向工程模拟量扫描数字化为辅的模具制造信息系统。为适应复杂模具型腔加工开发了具有NC、TC、NTC、NC/TC多种加工方式的功能型模具加工中心。机床还设有ATC、ASC等来减少辅助工时，提高了自动化程度。多轴数控仿形铣、电极成形机进一步提高了效率。CAD/CAE/CAM一体化，机床群控化(DNC)测量扫描信息传递现场化形成DMS(模具制造系统)，许多机床厂推出了先进的模具制造系统，使企业具有高质量短周期的技术保证，进入信息型模具厂。
90年代随着计算机软硬件的迅速发展，模具CAD/CAM水平提高并推广。在大型模具复杂型腔铣削中广泛采用五轴数控铣床，加工时可方便地使用铣刀周齿，Z轴采用较大进给量，以提高加工质量和效率。可接近三轴联动机床主轴不易接近的地方，避免铣刀中心切削工件带来的弊病。在一次装夹中，可以完成五面加工的模具加工方式，使多轴联动成为现代模具加工设备的特色之一。
随着高速加工相关技术的完善，高速加工铣削迅速发展。高速铣削采用小直径铣刀，高转速、周期进给量小，能高精度、低表面粗糙度加工60HRC的淬硬钢件，把电火花加工和人工修正减至最少，特别适合中小模具加工。高速铣削的加工速度是电火花加工速度的4～8倍。缩短制模周期，降低制模成本，在与EDM加工较量中是以集成加工取代了多工序加工。近几年国外又开发了第二代数控高速铣床，集多轴数控、大功率、高速铣削于一体，更有利于实现模具型腔高速集成加工。另外，在日本发展了展成电火花成形加工、电火花数控铣削加工、混粉电火花大面积精加工、线切割粉末加工、水基工作液电火花成形加工等技术，在不同方面显示了各自的优越性和工序集成化的色彩，使模具制造进入了柔性自动化的新阶段。与此同时，市场竞争促进了数控机床廉价化发展，80年代发展起来的功能型设备向量体裁衣的效益型发展，促进了数控机床的普及。日本模具工业就是在模具标准化、工厂专业化、设备现代化中发展起来的。日本模具工业产值、劳动生产率、出口皆占世界首位，充分显示了工艺装备现代化的巨大威力。
3 加速模具制造工艺装备现代化，拓宽机床工业市场
众所周知，数控技术是当代省力化、自动化方面最伟大的发明。数控机床的柔性成功地解决了模具制造中的五大命题(单件、复杂、精密、周期、成本)，能对市场作出敏捷的反应，是提高企业竞争能力的有效手段，所以数控机床已成为模具工艺装备现代化的核心基础。但长期以来受数控系统稳定可靠性的制约，使我国数控机床总是徘徊不前。80年代随着改革开放的深化，敞开了机床进口的大门。国内引进不少模具设备，改善了部分模具骨干企业的设备状况，提高了模具制造水平。同时流失了大量外汇，并使我国成为世界机床净进口最多的国家。国内模具市场大(年产量已超过机床行业)，面广(模具分10类46小类)，层次多，靠引进解决1.7万个模具企业对机床的需求是不现实的。由于数控机床满足不了发展需求，造成1984年至1996年12年间模具进口约增加38倍，还使国内机床行业失去了部分市场。国内模具价格仅为工业发达国家的1/5～1/3(甚至1/10)，承受大量进口设备折旧和使用中耗费有困难。所以只有生产高性能数控机床装备模具制造工业，才是机床行业振兴之路，才能为模具行业结构调整打下坚实的基础。
在重视普及型数控机床开发的同时，应看到经济型数控机床仍深受用户欢迎。如高速走丝电火花线切割机、经济型数控钻床、数控铣床等。因性能价格比较好，能很快形成经济效益，故经济型数控机床在我国尚有较长的市场寿命。应该重视具有模具制造特色的经济型数控机床，如：NC数控钻床加工模板上的光孔螺孔，NC深孔钻床加工型腔模的冷却水道孔，NC抛光机减轻钳工体力劳动，NC冲床提高柔性。
90年代开发的虚拟轴五轴数控机床，突破了传统的串联床身滑台式结构，使机床受力合理，刚性好，结构简单，工艺性好，重量轻，且制造成本低(只有传统五轴机床1/3～1/5)，可实现高速加工。利用软件的复杂性代替传统的机械结构的复杂性，被誉为本世纪机床结构的最大变革。虚拟轴机床具有独特的优点，实用化后必将使五轴数控机床的发展进入一个新阶段，它尤其适合模具复杂件铣削、磨削和测量。
现代制造技术向工艺复合化发展。如在加工中心上装高速铣头进行雕刻，装磨头进行抛光，加水帘或抽真空装置加工石墨电极，采用随行夹具准确定位，加速工序周转。反向工程的扫描数字化使TC加工复合于数控加工……。
用户需求、市场牵动是技术创新的动力，又是创新的起点，模具行业工艺个性强，熟悉用户工艺更为重要。如：模具材料硬，强度大，粗铣要求低速大扭矩、功率大、机床刚性强，精铣刀具要保证不干涉，刀具直径小，主轴转速高，转速范围大。采用高速硬铣，可减少电加工和抛光工作量是型腔的加工发展方向。型腔加工信息量大，CAD/CAE/CAM一体化，三维造型信息共享，可实现无图(二维)加工(要DNC接口)，复杂型腔造型困难的，可采用逆向工程数字化扫描，解析曲面的可用宏指令编变量程序……。在工艺方面可开发专家系统、模糊控制和各种数据库，简化操作，向智能化发展。
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