铸造模具技术讲课(7月13日 方建儒).ppt

2015年7月13日,机密文件 不得外传,铸造模具概况主讲：方建儒 博士,模具是现代工业，特别是汽车、航空、电子电器、仪器仪表、武器、日用品等必不可少的工艺装备，因此模具质量的高低决定着产品质量的高低，模具行业也被称之为“百业之母”。依据相关资料统计，模具带动其相关产业的比例大约是1:100。,模具行业的地位,一、模具行业宏观论述,模具行业属于专用设备制造业且品种繁多，共有10大类46小类，包括冲压、塑料、橡胶、铸造、锻压、挤压等类型，是一种涵盖各种用于金属和非金属成形的特殊装备。根据调查与统计，人们常见的工业产品有60%90%的零件需要用模具成形。,模具行业产品的分类,一、模具行业宏观论述,多工位级进模具,翻边零件,压筋零件,一、模具行业宏观论述,塑料模具制品,模具标准件,冲压模具,塑料模具,模具生产机床,认识模具,铸造是指将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，并进行处理后，最终成为金属制品的一种生产方式。根据铸造生产工艺的不同又可分为砂型铸造、压力铸造、重力铸造、熔模铸造、壳型铸造、消失模铸造等。铸造方法不同，所用的铸造模具就有所不同，其中砂型铸造和压力铸造是两种铸件产量比较大的铸造方法。,一、模具行业宏观论述,2015年4月将开始兑现和实施京都议定书中关于削减二氧化碳排放的计划与约定内容，各行各业都在开始为之准备和布局产业结构，模具行业为先导行业，必将迎来一次大的机遇。2014年中国铸件连续15年蝉联世界首位，总产量达到了4450万吨，产值达到了7500亿元人民币。金属铸造模具是铸造生产中最重要的工艺装备之一，占到中国模具总量的9%左右。,一、模具行业宏观论述,随着我国汽车制造业快速发展和轻量化制造技术进步，铸造模具（主要是汽车铸造模具）迎来了快速发展的大好时机。近年来，随着国家节能减排战略的实施，高真空压铸、低压铸造、差压铸造以及挤压铸造等轻合金铸造技术高速发展，铸造模具产值以超过25%以上的速度逐年增长。铸造模具近年来虽然取得了较大的技术进步，但与发达国家仍然具有很大的差距。随着汽车轻量化战略的实施，未来十年甚至二十年越来越多的汽车发动机系统、变速器系统、悬架系统、甚至车身结构件将逐渐实现由黑色金属向铸造有色金属的转变，铸造模具将进入一个高速发展的黄金时期。同时，也将有力的促进电子、航空、航天、建筑等行业的发展。,一、模具行业宏观论述,模具制造（包括设计和加工）技术大致可分为5个发展阶段：手工操作阶段手工操作加机械化（普通通用机床与工具）阶段普通通用机床与工具数字控制阶段 计算机化阶段和CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化阶段,我国模具制造企业众多，目前技术发展水平参差不齐，各个阶段同时并存。大部分企业主要以数字控制阶段为主，但同时仍有不少企业停留在手工操作加机械化阶段。纯粹手工操作阶段已成为历史，今后的发展方向是CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化。模具无纸化制造将逐渐替代传统的设计和加工。,模具设计和加工技术,一、模具行业宏观论述,模具设计与加工流程,一、模具行业宏观论述,从零件设计至装配调试前的流程展开：,模具设计与加工流程,一、模具行业宏观论述,模具制造流程,一、模具行业宏观论述,模具制造属于机械制造的研究范畴，但一个机械制造能力较强的企业，未必都能承担模具制造任务，更难保证制造出高质量的模具。因为模具生产制造难度较大，与一般机械制造相比，有许多特点：1.模具的生产特点(1)加工精度高，形状复杂。模具的工作部分一般都是二维或三维的复杂曲面。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在0.01 mm以内，模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8，需应用各种先进的加工方法才能保证加工质量。复杂模具由数百上千个零件组成，价格高的模具每套几百万元。,模具的生产和工艺特点,一、模具行业宏观论述,(2)模具材料优异，硬度高。模具的主要零件多采用优质合金钢制造。这类钢材从毛坯锻造、加工到热处理均有严格的要求。热处理变形也是加工中需认真对待的问题。(3)单件生产。模具不是直接使用的产品，而是为生产产品而制造的工艺装备，这就使模具生产具有单件小批生产的特点。通常，每制造一副模具，都必须从设计开始，大约需要一个多月甚至几个月的时间才能完成，设计、制造周期都比较长。,模具的生产和工艺特点,一、模具行业宏观论述,(4)生产周期短。当前由于新产品更新换代的加快和市场的竞争，客观上要求模具生产周期越来越短。(5)试模和试修。由于模具生产的上述特点和模具设计的经验性，模具在装配后必须通过试冲或试压，最后确定是否合格。同时有些部位需要试修才能最后确定。因此在生产进度安排上必须留有一定的试模周期。,模具的生产和工艺特点,一、模具行业宏观论述,(6)模具加工向机械化、精密化和自动化发展。目前产品零件对模具精度的要求越来越高，高精度、高寿命、高效率的模具越来越多。而加工精度主要取决于加工机床精度、加工工艺条件、测量手段和方法。目前精密CNC高速铣床、五轴加工中心、精密数控电火花线切割机床、以及三坐标测量机、白光扫描仪等先进设备的应用越来越普遍，使模具加工向高技术密集型发展。,模具的生产和工艺特点,一、模具行业宏观论述,2.模具的工艺特点 由于我国模具加工的技术手段还普遍偏低，同时又有上述生产特点，当前我国模具制造上的工艺特点主要表现如下：(1)模具加工上尽量采用万能通用机床、通用刀量具和仪器，尽可能地减少专用二类工具的数量。(2)在模具设计和制造上较多的采用“实配法”、“同镗法”等，使得模具零件的互换性降低，但这是保证加工精度，减小加工难度的有效措施。今后随着加工技术手段的提高，互换性程度将会提高。(3)在制造工序安排上，工序相对集中，以保证模具加工质量和进度，简化管理和减少工序周转时间。,模具的生产和工艺特点,一、模具行业宏观论述,将模具材料(金属或非金属)加工成模具的方法，主要有常规机械加工、特种加工以及塑性加工、铸造和焊接加工方法等。1.常规机械加工 常规机械加工(即传统的切削加工)是模具制造中不可缺少的一种重要的加工方法。例如车削加工、铣削加工、磨削加工、钻削加工等。常规机械加工的明显特点是用相同的机床和工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。但是，用常规机械加工方法加工复杂的形状时，其加工速度很慢，硬的材料也难于加工；材料的利用率不高；而且还要求有熟练的操作工人。尽管如此，在模具制造过程中常规机械加工仍然是主要的加工手段。,模具的主要加工方法,一、模具行业宏观论述,2.特种加工 特种加工从广义上说，是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工过程中施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、声能、光能等来除去工件上的多余部分，以达到一定的形状、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电化学抛光、电解磨削、电铸、化学蚀刻、超声波加工、激光加工等。,模具的主要加工方法,一、模具行业宏观论述,特种加工相对于常规机械加工，有如下特点：(1)加工情况与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚。(2)工具与工件一般不接触，加工过程不必施加明显的机械力。(3)可加工各种复杂形状的零件。(4)易于实现加工过程自动化。,模具的主要加工方法,正因为特种加工有上述这些可贵的特点，所以特种加工在模具制造中得到越来越广泛的应用，并成为模具加工中的一种重要方法。,一、模具行业宏观论述,模具的主要加工方法,一、模具行业宏观论述,特种加工方法的分类,模具的主要加工方法,一、模具行业宏观论述,二、铸造模具行业发展现状,铸造模具设计技术以三维设计为主，模具主要是分散设计，没有明确的设计分工;压铸模具普遍实行充填和凝固模拟;芯盒模具开始进行射砂模拟.经验积累主要靠设计员之间的传帮带，数据归档整理欠佳,设计标准化刚刚起步,。辅助件逐步采用标准件,二、铸造模具行业发展现状,铸造模具数值化制造技术 CAD/CAM/CAE一体化技术已经逐步在中国铸造模具企业开始采用；数控铣已经广泛应用于模具加工，新工厂高速加工和五轴加工已经开始投入应用,但高速五轴编程技术、编程模拟技术、刀具技术、刀柄技术还有待提高；电火花、线切割、钻孔技术还广泛应用于铸造模具制造业；3D打印、智能化检测、逆向工程、企业生产管理信息化刚刚起步。,二、铸造模具行业发展现状,铸造模具高寿命技术高性能压铸模具和低压铸造模具材料几乎全部为进口；各类铸造模具基本上无表面处理；模具寿命偏低；砂型铸造模具以普通厢式炉热处理为主，压铸模具开始采用真空热处理技术。,二、铸造模具行业发展现状,三、铸造模具先进制造技术,与国际先进水平相比，铸造模具精度偏低，铸件废品率偏高，铸造模具寿命偏低，导致大量高端模具依赖进口。在汽车结构件高真空压铸模具等方面还处于空白阶段。对高端发动机缸体、高档自动变速器等大型精密压铸模具技术缺乏开发经验；在无机树脂铝合金缸盖重力铸造模具和结构件挤压铸造模具方面，处于起步阶段；,铸件设计,模具设计,铸造模拟,铸造生产,优化,铸造合金材料铸造工艺选择与确定铸件结构设计,加工余量收缩率浇注系统溢流系统冷却系统加热系统液压系统电控系统,流动模拟凝固模拟疏松模拟热节模拟热平衡模拟结构分析,工艺参数的设置与调试铸件检测及质量控制,模具CAD/CAE/CAM/CAPP技术,三、铸造模具先进制造技术,压铸模具整体优化设计,压铸过程整体有限元模型建立,压铸动态过程,模具热平衡,模具温度场,模具热应力,模具热疲劳,铸件应力,整体单元710万,热平衡曲线,Gleeble 1500D,三、铸造模具先进制造技术,模架的拓扑结构优化,红色区域为在不影响刚度和强度情况下可去除的材料,实施效果：采用结构拓扑优化方法对压铸模架进行分析，指出了不影响刚度和强度情况下，可去除材料的区域，为模架的轻量化设计提供方案。,压铸前,压铸中,压铸前,压铸中,三、铸造模具先进制造技术,1、模具高真空技术,模具的密封是高真空压铸的难点，包括分型面、全部杆件、其它活动及漏气部分。密封方式一般采用密封条或高温油脂密封。真空压铸生产稳定性是衡量真空系统及模具密封结构优劣的重要条件。,三、铸造模具先进制造技术,热平衡系统智能化、自动化是压铸模具热平衡系统发展的终极目标。模具的重要部位设置温度传感器，通过压铸机的智能控制系统自动调整模具的工作温度，实现压铸过程温度控制自动化的目标。快速冷却技术，高导热材料，钨基粉末冶金材料等。,2、模具热平衡技术,三、铸造模具先进制造技术,轴瓦部分较厚，达26mm,模拟分析该处容易产生铸造缺陷，这个部位又是铸件的关键部位，为了能得到高质量的铸件，在每个轴瓦处设计了增压机构，保证了轴瓦的质量，挤压时间的精确控制是局部挤压效果的重要因素。,3、模具局部增压技术,三、铸造模具先进制造技术,36,喷涂控制总成,气体进口,液体进口,气液混合出口,流量控制阀门,由于模具滑块表面积较大，在进行自动或手工喷涂时存在喷涂死角，特别是滑块底面！该模具在滑块增加内喷涂装置和吹气清理装置,吹气清理装置,内喷涂装置,4、内喷涂技术,辉旺模具,辉旺模具,图片来自辉旺模具,三、铸造模具先进制造技术,模具的所有滑块都采用导柱式结构，导柱式滑块，滑块座底部是透空的，滑块打开时，模具中的铝渣容易被吹干净，喷涂液也容易排出模具外。此外导柱式滑块是后限位，所以不容易出现铝渣沾在限位面上使滑块合模时无法到位的问题。,滑块液压顶出,导柱式滑块结构,辉旺模具,三、铸造模具先进制造技术,三、铸造模具先进制造技术,HHD钢的连续冷却曲线(CCT曲线）,CCT曲线特点根据NADCA#207-2003对模具钢热处理的要求，模具心部在从1030冷却到540的冷却速度应该大于28/min,也就是冷却速度要大于0.47/s。据现场测试，厚度为200mm的HHD模具在氮气压力为9Bar的条件下淬火，从1040冷却到540需要10分钟，冷却速度为1.0/s左右，从1040冷却到340需要30分钟，冷却速度为0.388/s左右。HHD钢在真空氮气淬火的条件下，也可以得到全部马氏体，甚至没有碳化物的析出，这是一种最为理想的组织状态。,高淬透性、高性能模具材料开发,三、铸造模具先进制造技术,三、铸造模具先进制造技术,大型模具真空等温热处理,三、铸造模具先进制造技术,HHD钢退淬火组织QS2,昆山万润利名称：SYSTHERMS冷却压力：15BAR有效尺寸：16001100额定重力：3.5吨,三、铸造模具先进制造技术,氮化+氧化,氮化+PVD,TD/PCVD,三、铸造模具先进制造技术,EA211压铸模具,国内水平：一汽丰田6缸压铸，周期114s,废品率：0.3%！,1 轿车发动机缸体,汽车高端压铸模具示例,三、铸造模具先进制造技术,福特汽车自动挡变速箱壳体(宁波辉旺),2、轿车、卡车变速器壳体,H平台7档自动变速器壳体（一汽）,重卡变速器壳体（一汽）,三、铸造模具先进制造技术,AudiA8轿车铝合金车身，红色部位系铝合金压铸结构件！,3、轿车车身和底盘结构件,三、铸造模具先进制造技术,后悬副车架,轿车车门,减震塔,以上产品广州市型腔模具制造有限公司 制造,三、铸造模具先进制造技术,路虎汽车镁合金仪表盘支架模具(50吨),一模两腔,已经做4套.,辉旺模具,三、铸造模具先进制造技术,四、铸造模具行业发展趋势,随着汽车轻量化战略的实施，未来十年甚至二十年越来越多的汽车发动机系统、变速器系统、悬架系统、甚至车身结构件将逐渐实现由黑色金属向铸造有色金属的转变，铸造模具将进入一个高速发展的黄金时期。同时，也将有力的促进电子、航空、航天、建筑等行业的发展。,产品发展趋势,四、铸造模具行业发展趋势,四、铸造模具行业发展趋势,车身结构件,四、铸造模具行业发展趋势,底盘结构件,四、铸造模具行业发展趋势,底盘结构件,四、铸造模具行业发展趋势,3D打印（快速原型制造）,四、铸造模具行业发展趋势,1、智能化模具,四、铸造模具行业发展趋势,2、互联网+模具,3、智能化设计、智能化制造、智能化分析、智能化工艺、智能化检测一体技术,四、铸造模具行业发展趋势,压铸过程整体有限元模型建立,压铸动态过程,模具热平衡,模具温度场,模具热应力,模具热疲劳,铸件应力,整体单元710万,热平衡曲线,Gleeble 1500D,四、铸造模具行业发展趋势,4、智慧工厂（互联网+模具、工业4.0）,铸造模具技术要通过技术创新实现低排放、节能环保、物资循环利用、降低成本的目标。汽车生产的高批量与品种多样化，决定了铸造模具必然朝着短周期、高品质、柔性化、自动化、智能化的发展趋势。,四、铸造模具行业发展趋势,发展目标,四、铸造模具行业发展趋势,并行设计及设计标准化；CAD/CAM/CAE/CAPP一体化技术；模具长寿命及修复技术；智能制造技术；逆向工程及检测技术；生产管理信息化。,技术发展趋势,发展思路 铸造模具技术的发展以支撑汽车轻量化、装备智能化、精密化为发展方向，以柔性化生产技术来降低生产成本、以智能化装备技术提升生产效率和自动化水平、以新材料、新工艺的应用带动汽车生产技术的升级，依托发挥重点工程项目的引领作用，产学研用相互配合，推动铸造模具技术持续发展。,五、铸造模具规划,平台构想,五、铸造模具规划,五、铸造模具规划,十三五期间,长期规划（-2030年）,五、铸造模具规划,五、铸造模具规划,2015年4月9日,中国模具工业协会铸造委员会“十三五”指引纲领,五、铸造模具规划,五、铸造模具规划,汇报结束 谢谢各位领导,