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(B