模具动态仿真设计作业

模具动态仿真设计综述

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年月日

1 模具

模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。模具行业是一个融合多专业、多学科知识并为多种加工领域服务的工业行业，具有效率高、质量好、节约能源和原材料、成本低等一系列优点，模具已成为现代工业生产的重要手段和加工工艺，掌握模具技术已经至关重要。随着科学技术和社会经济的发展，产品的开发周期和产品的更新期逐渐缩短，模具的使用更加频繁并已渗入到各行各业，它在汽车、电器、通讯、电子及轻工等领域的应用尤为广泛。作为一种产业，模具工业的发展与繁荣是现代工业技术发展的一个重要标志，多数工业产品的发展和技术水平的提高，在一定程度上取决于模具工业的发展水平，这一点在许多发达国家的工业史上已经得到了十分明确的体现。

1.1 我国模具行业发展

近10年来，我国模具行业一直以每年15％的增长速度快速发展。十五期间，我国模具行业年增长速度达到20％。2005年模具销售额达610亿元，同比增长25％，排在世界第三位；模具出口大幅增长，表明模具水平和竞争力提高。据海关统计，2005年模具出口7．4亿美元，同比增长50％以上；模具产品结构更趋高档，复杂、精密、长寿命的模具份额提高到30％。目前，国内约有模具生产厂商3万余家，从业人员有80多万人，全年模具产值达534亿元人民币。涌现出一批模具行业领头羊，如在汽车覆盖件领域的一汽模具，轮胎领域的巨轮模具，塑料模具领域的海尔，模块标准件领域的圣都等；不少地方出台了扶持当地模具行业发展的政策，如重庆、成都、苏州、大连等地都在建立模具工业园区，改善发展环境，完善模具生产的配套体系。中国经济的高速发展对模具行业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大了的动力。中国模具行业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部地区。南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。广东是中国现在最主要的模具市场，而且还是中国最大的模具出185产值达广东省模具业稳居全国模具行业的头把交椅，年，2004口与进口省。． 亿元，模具制造业产值和销售额约占全国的40％以上。目前在全国排序前10名的企业中，广东占有5家，世界最大的模架供应商和亚洲最大的模具制造厂都在广东。深圳模具业发展迅猛，已具规模优势，年产值超过100亿元，占广东省模具业的近60％，占全国模具业的近25％，已成为国内模具制造中心。上海现有模具企业1500余家，从业人员7万多人，年产值近100亿元，年平均增长率超过20％。到2010年总产值将达到200亿元左右。浙江省模具行业主要集中在宁波市和台州市，宁波市的宁海、余姚、慈溪及鄞州主要生产塑料模具，北仑以压铸模为主，象山和舟山以铸造和冲压模具为主。台州市主要模具生产企业集中在黄岩和路桥，塑料模具占大多数。江苏苏州目前有各类模具厂1000多家，模具加工点1000多个，模具年销售额约50亿～60亿元，模具业成为该市新兴工业之一。目前安徽省已有一批国内知名度较高的模具产品，如洗衣机和空调器大型腔注塑模、电冰箱吸塑发泡模、电机定转子叠片高速级进冲模等，有的市场占有率高达30％以上。我国模具市场空间巨大。2006年国内汽车保持15％的增速，销量将达640万辆，汽车零部件的市场比整车还大，为汽车零部件提供装备的模具行业高速发展显而易见。一个型号的汽车所需模具几千副。其中铸造模具数百套。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件、

经济型轿车和重型汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到了肯定。2005年信息产业实现销售收入3．4万亿元，同比增长27％，手机、彩电、计算机等IT产品增速明显，IT模具仍将供不应求。另外，小家电、农用机械、食品机械、新型建材需求量大，因此相关模具行业也将快速发展。

1.2 我国模具发展中存在的问题

虽然中国模具工业在过去l0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。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。目前我国模具设计制造水平在总体上要比德、美等国家落后许多，也比韩国、新加坡等国落后。 ）产品质量不高1（．

当前我国模具生产厂中多数是“大而全”、“小而全”，国外模具企业大多是 “小而专”、“小而精”。国内模具总量中属大型、精密、复杂、高寿命模具的比例只有30％ 左右，国外在50％以上。国内模具生产厂家，工艺条件参差不齐，差距很大。现代模具工业早已走出以前手工制模的时代，进入了数字化时代，实现了无图化生产，通过电脑输入数据加工制作模具。我国不少厂家由于设备不配套很多工作依赖手工完成，严重影响了精度和质量。受售价限制，国产模具多采用2Cr13和3Cr13材料，再作精密热处理，而国外则采用专用模具材料DINI、2316，其综合机械性能(耐磨、耐腐蚀)及抛光亮度均明显优于国产材料。这从根本上影响了国产模具的外观质量和使用寿命。 （2）标准化水平不高

目前，我国已有50多项模具标准共300多个标准号及汽车冲模零部件方面的l4种通用装置和244个品种，共363个标准。这些标准的制订和宣传贯彻，提高了中国模具标准化程度和水平。由于中国模具标准化工作起步较晚，模具标准件生产、销售、推广和应用工作也比较落后，因此，模具标准件品种规格少、供应不及时、配套性差等问题长期存在，从而使模具标准件使用覆盖率一直较低。近年来虽然由于外资企业的介入，比例已有较大提高，但总的来说还很低。据初步估计， 目前这一比例大致为40％～ 45％。而国际上一般在70％以上，其中中小模具在80％以上。由于中国模具企业的性质和所在的地区不同，模具标准件使用覆盖率存在很大差异。三资企业要比其它企业高，南方的企业要比北方的高。 （3）缺乏相关人才

当今世界正进行着新一轮的产业调整，一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国，但我国模具行业人才紧缺成为一个迫在眉睫的问题。据劳动部门调查显示， 目前企业对模具人才的需求越来越大，在北京、广东、浙江等地，模具设计人员、模具开发人员、模具维修人员等已成为人才市场最紧缺的人才之一。模具行业是一个需长期积累经验的行业，现在的年轻人能坚持下来而有所成就的很少。由于最初的学习非常枯燥， 因此许多初学者常半途而废。此外，我国传统教育方式对模具人才的培养存在不足。一些高校尽管在近几年内而社培养出的学员实际技能不够。但由于受软硬件设施限制，设立了模具专业，

会上各种各样的模具培训班， 由于缺乏规范的职业标准， 因此学员质量良莠不齐。

1.3 促进我国模具工业积极发展的建议

我国“十二五”精冲模具的发展目标是面向国内精冲零件市场的需求，从连续精冲模设计制造人手，提升精冲模具行业规模，持续扩大制造能力，在提高复杂精冲模具自主开发能力、数字化精冲模具研究水平、精冲模具材料开发与合理应用以及精冲模具表面处理技术等方面取得明显进步，努力提高企业的精冲模技术水平，缩小与国际先进水平的差距，国内精冲零件获得较广泛的应用。 （1）促进产品结构调整

我国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小；而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具、轿车覆盖件模具等高档模具仍有很大发展空问。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。中国模具企业今后的发展方向，应该注重产品结构的调整和定位，进一步提升模具的制造技术水平， 占领结构复杂、精密度高、技术含量高的高档模具市场。

（2）加大设备和高技术手段的投入

目前国内市场中低档模具供过于求，但高档模具却供不应求。因此，要鼓励 企业增加设备，特别是骨干企业要配齐从模具粗加工、热处理到各种精加工、光整加工、质量控制与检测等整套设备，一般企业要配备数控加工设备，实现模具制造的全自动加工。积极鼓励企业与大专院校进行技术合作，广泛采用计算机辅助技术、人工智能技术等进行设计决策、模拟分析和优化设计，增强企业技术创新能力。

（3）积极开拓国外市场

澳大利亚近年来经济发展较快，而且今后几年还有继续增长的势头。但作为 基础工业的模具制造业，尤其是冲压模具的制造能力赶不上经济发展的需要，为此急需从国外进口冲压模具制造技术和能力，而中国模具业在这方面恰好有较大中国中国冲压模具企业的技术装备水平高于澳大利亚。市场前景看好。的优势， 有完整的冲模设计制造技术人员和编程人员，有熟练的数控机床操作工人，钳工装配和模具调试人员，劳动工资水平低于澳洲。

此外，还要推进模具企业的专业化分工，大力开展模具设计技术、制造工艺 技术及其基础理论等研究和开发工作，自主创新，努力提高达到国际先进水平多工位与多功能冲模的比例(主要类型的级进模技术水平基本达到国际先进水平)和种类，为在下一个五年计划中我国多工位与多功能冲模的整体技术水平追上世界先进水平打好基础。

1.4 未来模具的发展方向

1.4.1模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化方向发展

（1）模具软件功能集成化

模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用 同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高

级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。集成化程度较高的软件还包括：Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统等。 （2）模具设计、分析及制造的三维化

传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模 具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如

Pro/ENGINEER、UG和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatran公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D专业注塑模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公已经受到用户广泛的好评和应MoldflowAdvisers司的三维真实感流动模拟软件． 用。国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学的Z-mold软件。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。

（3）模具软件应用的网络化趋势

随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计 算机软硬件技术的迅速发展，网络使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术 既有必要，也有可能。美国在其《21世纪制造企业战略》中指出，到2006年要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。

1.4.2 模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展

（1）模具检测设备的日益精密、高效

精密、复杂、大型模具的发展，对检测设备的要求越来越高。现在精密模具的精度已达2～3μm，目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。如东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mm×3250mm三坐标测量机，还拥有数码摄影光学扫描仪，率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段，从而实现了从测量实物→建立数学模型→输出工程图纸→模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。这方面的设备还包括：英国雷尼绍公司第二代高速扫描仪(CYCLON SERIES2)可实现激光测头和接触式测头优势互补，激光扫描精度为0.05mm，接触式测头扫描精度达0.02mm。另外德国GOM公司的ATOS便携式扫描仪，日本罗兰公司的PIX-30、PIX-4台式扫描仪和英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN150多传感三维扫描仪分别具有高速化、廉价化和功能复合化等特点。 （2）数控电火花加工机床

日本沙迪克公司采用直线电机伺服驱动的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的NCEDM还EDM能量控制及自动编程专家系统。另外有些PCE自适应控制、P-E3具有．