回到网站

论冲压模具的可持续发展

已发表在《模具制造》,201406期:1-6

【摘要】阐述了可持续发展的概念以及在工业领域的意义,探讨了在冲压模具领域进行可持续发展的重要性以及必要性,并依据可持续发展的概念论述了冲压模具的创新体系、创新路径和发展趋势。本文构架了在冲压模具领域可持续发展的六个创新方向和关键节点:效率、成本、质量、安全性、标准化和环保,并总结了八种可持续发展的创新路径。冲压模具的可持续发展将推动其产业升级。

关键词:冲压模具,可持续发展,创新,成本,效率

一.可持续发展概念

可持续概念的明确提出最早可追溯至1980年由世界自然保护联盟(IUCN),联合国环境规划署(UNEP),野生动物基金会(WWF)所发表的《世界自然保护大纲》。至今为止有关可持续的概念仍存在许多的定义与阐述,影响力最大、接受最广泛的还是1987年世界环境与发展委员会(WCED)发布的布伦兰特报告(Brundtland report):我们共同的未来(Our common future)。报告在系统地探讨了所面临的三个重大方面:环境(environmental)、社会(social)以及经济(economical)问题之后,提出了可持续发展的概念:‘既满足当代人的需求,又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展’(世界环境与发展委员会,1987)。

早在1987年的布伦兰特报告(Brundtland report)中,工业就作为了独立的一个章节进行了探讨(第八章 工业:高产低耗)。其中强调了工业和工业过程的几点发展方向:1. 控制工业有害物、废物、事故及资源消耗的大量增加;2. 增强能源和原料的利用;3. 通过新技术提高生产率、能源和资源效率,以及改善工业的组织结构。剑桥大学工业可持续发展研究中心主任Steve Evans教授主张工业对社会发展具有重要且深远的意义。2013Evans教授在浙江大学管理学院的报告中指出,工业体系未来创新的关键点为:1. 提升经济效率;2. 将高成本外部活动内部化;3. 利用与合作伙伴的关系实现多元协作与配合;4. 创新的系统设计实现优化系统效率(李竞,2013)。

1992年联合国环境与发展会议之后不久,中国政府就组织编制了世界上首部国家级可持续发展战略——《中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书》。在2002年十六大会议上把“可持续发展能力不断增强”作为全面建设小康社会的目标之一。20126月,联合国可持续发展大会中国筹委会发布了《中华人民共和国可持续发展国家报告》。报告编写领导小组的副组长、国家发改委副主任杜鹰出席国务院新闻办举办的新闻发布会并介绍了该报告总体情况,对外正式发布《报告》并就有关问题回答了记者的提问。在报告中指出:中国工业应坚持走新型工业化道路,重视技术创新能力;积极培育发展战略性新兴产业——在201010月,中国发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,明确将高端装备制造业等七个产业领域作为战略新兴产业发展方向;将资源的可持续利用、推进节能降耗作为经济社会发展的战略性任务等(联合国可持续发展大会中国筹委会,2012)。

二.冲压模具及其行业状况

模具被称为“工业之母”,孕育和支撑着各工业领域的产品创新和大规模生产;模具又是生产工具,“工欲善其事,必先利其器”,具有很高的专业技术特性和很高的使用生产效率;因此,模具及其行业的科技水平决定一个国家或地区甚至世界的生产力水平。

模具按材料和成型特点不同分为冲压模具、注塑模具、铸造模具、压铸模具和粉末冶金模具等种类,其中冲压模具数量约占50%,销售额约占37%

据中国模具工业年鉴,2011年中国模具行业规模以上企业销售额1240亿元,比上年增长10.7%,其中冲压模具约占37%458.8亿元;冲压模具生产数量约1050万套,消耗模具钢材约172万吨。(中国机械工业年鉴编辑委员会等,2012)。

现阶段中国模具行业的生产规模已位列世界第三,约占全球的20%,仅次于日、美(中国行业研究网,2013)。因此,在中国及全球提倡可持续发展的大趋势下,模具行业的可持续发展将变得愈发重要。

本文重点讨论冲压模具及其行业,下文如无特指,模具均指冲压模具。

模具及其行业具有以下特点:

  1. 模具对产品而言具有专用性和唯一性的特点。产品不同其模具也不同,这使得该行业的生产特点是单件设计和单件加工;
  2. 模具具有制造周期长的特点。长期以来,模具制造由设计、加工、试模和样品检测等部分组成,其制造周期也是由以上几个部分的生产时间顺序累加组成,由于单件设计和单件加工,生产效率低,模具制造周期长;
  3. 模具行业属于装备制造行业,由于存在以上所述的第1个特点,使得模具只有在客户开发新产品时和旧模具需要更新时才有订制需求,导致该行业的模具企业呈现出间歇性生产特点。

基于以上特点和存在市场竞争,模具企业有订单时,为了满足客户新产品开发周期的需求,生产任务非常繁重,内部加班加点,对外寻求协助;而模具企业没有订单时又无事可做,生产处于停工状态。因为生产没有持续性,为了维持模具企业的生存,就出现了“干一单吃三个月,三个月没一单”的现象,单个模具利润很高,但模具企业的利润并不高,因此,模具行业绝大多数是小、微型模具企业。

随着人们对物质生活水平需求的不断提高和科技进步,产品的升级换代越发频繁,相关企业为了在激烈的市场竞争中抢得先机,不断追求缩短新产品的开发周期。许多机电产品单个机种的生产寿命已从上世纪8090年代的百万台以上,如CD机、VCD机、DVD机和电视机等家电产品,降低到现在的几万台甚至几千台,相应地制造产品的模具也会频繁更新换代;新产品量产导入周期(leadtime)也由以前的3-6个月缩短至现在的1-2个月。按照国际惯例,停止生产的机电产品,其模具需要妥善保存5-7年,以备偶尔生产少量维修配件之需,因此,除了模具废弃数量逐年增加以外,近十多年来相关工厂储存了大量已停产的模具。由于缺少互换性通用模块,模具废弃则意味着模具整体废弃,而模具的许多功能性元件和模块仍处于较完好状态,造成资源浪费十分严重。

伴随着全球范围低碳经济和节能环保的要求日趋强烈,模具行业面临着可持续发展的需求。

三.冲压模具可持续发展的创新体系

依据冲压模具及其行业状况,冲压模具可持续发展涉及效率、成本、质量、安全性、标准化和环保等六个创新方向及关键节点,它们既独立作用又相互关联、相互结合、相互促进和相互制约,共同构成可持续发展的创新体系。
冲压模具可持续发展的创新体系,其六个创新方向及关键节点的内涵和外延分别论述如下。

1.效率

模具效率包括模具制造效率、模具装卸效率、模具维修效率和模具工作效率等内容。

模具制造效率指模具开始设计至模具装配完成期间的效率,包括设计效率、采购效率、模具零件加工效率、外协加工效率和装配效率等,其对应的是模具制造周期,二者关系成反比。模具制造周期是模具行业的一个重要指标;

模具装卸效率指模具使用前后往机床上装模和卸模效率,包括易于装卸、节省人力、和装卸时间等;

模具维修效率指模具调整和修理所消耗的时间,模具关联内容有产品定位和镶块是否易于调整,模具结构是否易于装配、拆卸和修理等;

模具工作效率指模具使用时,工作过程中单位时间内的产出率,单位为 /分钟/小时,要求模具具有良好的稳定性和可靠性,易于操作,进料和产品出模顺畅,废料排出安全顺畅,自动纠错,有效润滑和散热等,可保证模具长时间连续工作。

2.成本

模具成本包括模具制造成本、模具维修成本和模具工作成本等内容,这些成本之和称为模具总成本。

模具制造成本指模具开始设计至模具装配完成期间的成本,包括设计成本、材料成本、模具零件成本、标准件成本和外协加工成本等,模具制造成本直接关系到模具价格,模具价格是模具行业的另一个重要指标;

模具维修成本指模具调整和修理的成本,关联内容为模具结构是否易于维护、调整、拆卸和修理等,每次的维修耗材、加工量和时间等;

模具工作成本指模具使用时,工作过程中的成本,包括维修频率、设备待机时间、设备匹配和辅料成本等。

模具总成本与模具制件数量之比称为制件模具成本,单位为/

模具总成本=模具制造成本+模具维修成本+模具工作成本

制件模具成本=模具总成本/模具制件数量 (/)

制件模具成本是评价模具经济性和影响客户决策的重要指标。

3.质量

模具质量包括模具新模验收质量和模具使用质量等。

模具新模验收质量包括其设计、制模、试模和工程能力评估等方面的质量。

设计质量包括制品展开图、工艺制定及排样图、标准化、模具材料及热处理、标准件选用和符合设计规范等内容;

制模质量指模具制造满足其设计图纸的质量,包括材料及热处理、尺寸精度、外观和标准件质量等;

试模质量包括样品质量,产品在模具中定位的唯一性,模具与设备的匹配性,模具的可操作性和作业安全性等。

样品质量包括样品全尺寸形位公差、毛刺大小及方向、切断面和产品表面满足于产品图纸要求的质量;

模具工程能力评估指试模阶段样品检验合格后,模具需进行工程能力评估,以确认模具是否能够满足工程能力要求。

模具使用质量指模具进入量产状态后的质量,包括其非正常损坏、持续工作能力和模具寿命等,持续工作能力指模具维修一次持续生产的产品数量。

4.安全性

模具安全性是指避免模具对作业者(人)、模具本身(模)和设备(机)带来的危害,包括装卸安全性、作业安全性和储运安全性等内容。

装卸安全性指模具与冲床间装模和卸模的安全性,包括安装方式、安装夹具和辅助工具等安全可靠,易于操作。

作业安全性指模具工作过程中的安全性,包括人-模之间、人--机之间和模具自身的安全性。人-模之间的安全性是单冲模具在试模和作业过程中的安全性,包括工件在模具中定位唯一和易于被安全放取,模具卸料顺畅可靠,以及作业者误操作时模具所对应的安全保护;人--机之间的安全性是指连续模具在试模和工作过程中的安全性,包括材料、模具、冲床和周边设备等发生故障时,模具所对应的系统安全保护;模具自身的安全性包括模具装配错位、工件放置错位、模具不卸料造成的凹模叠料、废料堵塞、压筋刻印和模具配件损坏等的安全防护。

储运安全性指模具在储存、吊装、搬运和运输过程中的安全性。

5.标准化

模具标准化包括设计标准化、零配件标准化、典型组件标准化和典型工艺模具标准化等内容。

标准化是组织产品生产、交货和验收的技术依据,是促进产品质量提高的技术保障,是企业获得最佳经济效益的重要条件。不断扩充模具的标准化内涵,会不断增加模具批量生产的工作内容,相应地减少模具单件生产的工作内容,对提高模具效率和质量,降低模具成本,显得至关重要。

6.环保

模具环保包括模具资源、模具制造、模具使用和模具废弃等环节的环境保护。

模具资源的环境保护指模具钢材等材料从采矿、冶金和轧钢等生产过程的环境保护。模具资源的环境保护还可以用资源节约的方式实现,将模具模块化,采用标准化和重复使用模块以节省模具材料,通过节省模具材料减少资源和能源消耗,减少污染和碳排放,实现环境保护;

模具制造的环境保护指模具制造生产过程中的环境保护,包括材料、辅料、生产环境和废弃物处理等符合环境保护要求;

模具使用的环境保护指模具使用过程中,人--机之间的安全和噪声保护;

模具废弃的环境保护指模具废弃处理符合环境保护要求。

六个创新方向及关键节点的创新目标是:更高的效率、更低的成本、更高的质量、更高的安全性、更高的标准化率和更有效的环境保护。

四.冲压模具可持续发展的创新路径

围绕冲压模具可持续发展的创新体系,涉及模具材料创新、冲压工艺创新、模具结构创新、模具精度创新、模具制造工艺及装备创新、模具生产模式创新、一体化创新和模具模块化创新等创新路径。

1.模具材料创新

随着科技进步和各种新产品的不断发展,应用于冲压成型生产的制件新材料日益增多,如高强度合金钢、不锈钢、高温合金钢、钛合金钢、非金属材料和复合材料等,与普通材料相比,这些制件新材料具有更高的强度、更高的硬度和更高的弹性等特性,这些特性对现有常用模具材料做成的模具构成严峻挑战,使模具易磨损、擦伤、破损和微观变形,模具耐用度降低,模具工作效率低,制件质量不稳定和降低,冲压生产成本增加。要解决这些问题,就需要模具材料具有更高的硬度、更高的强度、更高的冲击韧性和更高的耐磨性,就需要不断研发和应用新的模具材料-即模具材料创新。模具材料创新除了传统合金工具钢、高速钢和硬质合金领域外,新型工业陶瓷材料和铜合金领域也是一个方向。

2.冲压工艺创新

冲压模具是完成冲压工艺的载体,冲压模具决定冲压工艺,冲压工艺指导冲压模具,因此冲压工艺的创新非常重要。冲压工艺的创新能够提高模具效率、提高模具制件质量和降低制件成本,如复合落料模和连续模就是冲压工艺创新的典范。复合落料模是将落料和冲孔切边两道工序合并成一道工序用一个模具完成;连续模是将冲孔、切边、成型和落料等多个工序并成一道工序用一个模具完成,极大地提高了制件的生产效率,降低了工人的劳动强度。冲压工艺创新还包括其他冲压工序的组合,依赖于模具结构创新支持,减少冲压工序和模具数量,从而降低模具成本和制件成本。

冲压工艺创新的另一条路径是研究新的冲压工艺以达到更好的冲压制件质量,这些质量指标包括端面塌边小于20%、端面无塌边和表面无毛刺等,工艺创新将带来模具创新。

3.模具结构创新

随着人们审美要求的提高和高科技产品的功能需求,金属外形和结构零件三维(3D)造型日益增多,如手机、家电、汽车和飞机等,冲床等压力机标准设备只具备完成往复直线运动,相应地模具上下模开合也是直线运动,因此,要完成三维零件的成型仅仅依靠模具往复直线运动是不够的,还需要辅助模具里模具零件的机械运动。目前应用于冲压模具的机械运动有直线-直线、直线-旋转和直线-曲线等,典型结构有斜楔滑块运动副、旋转摆块运动副和齿轮齿条运动副等。未来模具结构创新就是不断地将机械原理应用于模具里,以完成各种不同的三维(3D)零件冲压成型。

4.模具精度创新

冲压模具精度决定冲压制件的精度,是冲压制件质量的根本保证。为了满足通讯、机电、汽车和飞机等精密工业产品高精度和高外观质量的要求,对冲压制件提出了更高的精度和质量要求。未来的冲压制件,冲裁的毛刺高度小于材料厚度的3%,冲裁的尺寸和形位公差达到±0.02,成型的尺寸和形位公差达到±0.05,冲裁端面的粗糙度Ra1.6以下,这些技术指标对冲压模具的精度提出了更高的要求,现有的模具精度难以保证,需要模具精度不断创新。

5.模具制造工艺及装备创新

高精度的模具需要相应的模具制造工艺及装备做保证。目前的冲压模具制造工艺以切削加工、平面磨削、圆形磨削、线切割和火花放电成型加工等加工工艺为主,对应的制造装备主要有加工中心(CNC)、平面磨床、内外圆磨床、线切割机和火花机等。磨削加工工艺可以达到更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度,可以满足精密模具的制造要求,但是目前的磨削设备仅能完成平面和圆形的加工。未来的模具制造装备创新路径是精密磨床的数控(NC)技术升级,更进一步的创新是磨床加工中心,完成模具零件的三维磨削加工。

模具制造工艺及装备创新的另一条路径是模具零件的热处理及表面处理,旨在提高模具材料的综合机械性能。

6.模具生产模式创新

模具的生产特点是单件生产,生产效率低,周期长。

模具的单件生产由单件设计、单件加工和少量外协采购等部分构成,各部分工艺流程长。

模具单件设计的工艺流程如下:

①设计制品展开图;②设计制品工艺图;③设计模具装配图和平面图;④设计模具零件图;⑤材料和零配件清单表;⑥设计审核;⑦标准化审查;⑧批准等。

模具单件加工的工艺流程如下:

①确定坯料尺寸;②材料采购;③下料;④粗加工;⑤半精加工;⑥热处理;⑦精加工;⑧线切割;⑨检验;⑩装配;⑪试模等。

模具制造周期由以上工艺流程各工序的设计和加工时间累计而成,单件生产的特点就是生产准备时间长,因此生产效率低,周期长。

模具生产模式创新能够提高生产效率,缩短周期。

7.一体化创新

为了满足人们对高生产效率、高产品质量和低劳动强度的追求,模具已从单纯的机械工具向“机--液“一体化发展。例如马达定转子叠加连续冲压模、多工序联动冲压模、多工位传动冲压模、连续拉伸模和连续冲压模自动冲压纠错保护等,都是将电气、控制和液压技术与模具集成为一体。

未来的模具一体化创新将会朝着“机---NC-IT“一体化方向发展,进一步将NC(数控)、IT(计算机互联网)、信息化管理、在线智能化控制技术和物联网等与模具系统集成为一体,进一步提高生产力水平,为将来模具和冲压车间无人化打下基础。

8.模具模块化创新
模具模块化就是将模具从功能、易损更换和可重复使用等方面对模具进行拆分和组合,具有提高模具制造效率、便于模具维护、节省模具材料和降低模具成本等优点,但模块化的一个缺点就是会增加模具使用的生产准备时间。目前常用的模块化品种有凸凹模镶件、滑块运动副和垫铁等,未来将向可持续使用的功能性组件方向发展。例如深圳市基石模具科技有限公司研发的一种具有可持续性的工艺装备—‘模具平台’即是模具模块化的创新,它“可以有效地简化模具设计、降低模具的重量和成本、缩短模具的周期、提高模具的可靠性和安全性以及提升冲压产品的质量等”(模具制造杂志社,2014)

五.模具可持续发展的前景展望

本文依据可持续发展的概念论述了冲压模具的创新体系、创新路径和发展趋势。随着创新活动的开展和深入,会有不断的创新成果涌现。

展望未来,可持续发展的科技创新将使精密模具的制造以磨床三维精加工为主,以达到0.001的尺寸精度和0.002的位置精度,复杂形状凸凹模的冲裁刃口表面和成型表面粗糙度Ra0.4以下;模具材料多元化以满足不同的模具要求,新型超硬陶瓷材料和超低摩擦系数的高硬度铜合金材料的广泛应用使模具的耐用度和工作效率大幅提高;模具的标准化率不断提高,模具单件生产的工作量逐渐减少,模具制造效率和使用效率大幅提高,模具制造周期大幅缩短,模具制造成本和使用成本大幅降低,模具行业及冲压行业员工的劳动强度大幅降低。

冲压模具的可持续发展将推动其产业升级。

参考文献

[1] 世界环境与发展委员会. 我们共同的未来 Our common future. 吉林人民出版社, 1997.

[2] 李竞. 未来工业可持续发展. http://www.som.zju.edu.cn/xinwenzhongxin/xinwenzhongxin/jianxun/29918.html, 2013.

[3] 联合国可持续发展大会中国筹委会. 中华人民共和国可持续发展国家报告. 北京:人民出版社, 2012.

[4] 中国机械工业年鉴编辑委员会,中国模具工业协会. 中国模具工业年鉴2012. 北京:机械工业出版社, 2012.

[5] 中国行业研究网. 2013年我国模具行业发展现状调查分析. http://www.chinairn.com/news/20130130/09422734.html, 2013.

[6] 模具制造杂志社. 模具制造.150. C42-C43.

所有文章
×

快要完成了!

我们刚刚发给你了一封邮件。 请点击邮件中的链接确认你的订阅。

好的