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汽车制造专业论文|汽车研发关键技术--快速模具制造及其应用
摘要：模具是制约汽车开发与生产的瓶颈，新型快速模具不但能显著缩短制作周期、降低成本，还能提高制件的品质与生产效率，其中最适合汽车研发的是硅橡胶模。本文介绍了快速模具的类型、应用状况，以及制作大型、复杂、精密硅橡胶模的关键技术。关键词：汽车；模具；快速成形；快速制造；硅橡胶
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
图2 商品化的快速过渡模
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HRC 25——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。
瑞鼎机电科技有限公司聚积了一批来自国内外的高级技术人员，他们长期从事快速成形、快速模具制造的研发与生产，积累了丰富的经验。公司拥有面积近一千平方米的快速模具制造车间，装备了国内最大、最先进的德国MKV II-XL 型真空浇注机，在充分吸取国外先进技术的基础上，通过长期的试验、研究，从材料改性与模具结构设计等方面着手，创造了一套独特的工艺方法，因此，为汽车、家电等行业提供了许多大型、复杂、精密的快速模具及其制件（如图4——图7），例如汽车保险杠、水箱面罩、车门内饰板、仪表板、车灯灯罩、音响系统面板、手机壳等零件的高精度母模、硅橡胶模，以及小批量塑料试制件，能在相当短的时间内，满足客户试制新产品的要求，从而使过去不得不进口的试制件改由瑞鼎机电科技有限公司供应，并可显著地降低成本。
图4 瑞鼎公司制作的水箱面罩
的母模、硅橡胶模与塑料件
图5 瑞鼎公司制作的保险杠的母模、
硅橡胶模与塑料件
图6 瑞鼎公司用硅橡胶模成形的车门内饰板 图7 瑞鼎公司用硅橡胶模成形的精细件
叁考文献
1 王运赣。快速成形技术。武汉：华中理工大学出版社，1999
2 王运赣。快速模具制作及其应用。武汉：华中科技大学出版社，2003
3 Peter D Hilton ,Paul F Jacobs. Rapid Tooling: Technologies and Industrial Application. New York: Marcel Dekker ,Inc.,2000
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