用什么低成本模具

中国模具工业协会 周永泰[摘要] 近年来，模具制造成本不断攀升，所以我们无论在何时何地总会讨论一些如何才能降低模具成本的话题。因此本文试从模具制造各环节入手进行分析，以望能降低模具制造成本。 质量、价格、周期、服务，这是模具的生产者和使用者都十分关心的四大要素。近年来主要是由于人工费用的不断增加和原材料能源价格的不断上涨，致使模具制造成本也不断攀升，而与之成反比的是模具制造企业的利润率却在不断地下降。曾有一些模具制造企业反映，目前生产的部分模具的质量和水平反而比五年前要差了。这乍一听确实令人费解：五年间技术进步了不少，怎么质量水平反而下降了呢？他们解释说：由于有些用户（或模具采购人员）片面地、单纯地要求压价，而对模具质量水平则漠不关心，所以只好被迫选用低价材料、低档模具标准件、不合理地简化模具结构和采用缩减工艺及加工成本的办法来对付了。所以这并不是企业制造不出高质量和高水平的模具来，这实在是企业的无奈之举。这一现象在行业中虽然存在，但这种不正常的低成本制造不但不能提倡，而且应该进行疏导、抑止，所以我们要提倡在保证和提高模具质量及水平前提下进行低成本制造。一、分析可制造性，合理确定模具类型和结构，并按需选材。现在多数用户订购模具时都会向模具企业提供产品的数字信息，但由于使用模具的产品企业往往对模具不太熟悉，设计时并未考虑到可制造性，因此在工艺上考虑不周甚至根本制造不出来的现象时有发生。为了避免在模具设计制造过程中造成反复和浪费，所以模具企业在模具设计开始前就应该进行可制造性分析，以保证设计制造成功。此后接着就应确定模具类型与结构。从降低成本出发，在能够满足用户要求的情况下，快速经济模具、铝合金模具、铸铁模架等都应该在考虑范围之内。巧妙的结构有时能大幅降低模具制造的成本。此外正确选材也十分重要，所以除了用户指定以外，我们应遵循材尽其用的选材原则。高档材料用于制造中低档模具会增加成本造成浪费，相应的热处理应与技术要求和材料结合起来考虑。所以在能够满足用户要求下，有时选用低融点合金、铝材或加工塑料及树脂等来制造模具也是可取的。二、从各个环节来缩短模具制造周期。缩短模具制造周期不但是用户的要求，而且也是模具企业所共同追求的，因为一般情况下，对模具企业来说，模具制造周期的缩短就意味着效率的提高和成本的降低。模具生产一般可分为设计、加工、装配与调试等几个主要阶段，所以我们必须抓住每个阶段的关键环节，这样才能有效缩短整个模具的生产周期。1.努力缩短模具设计时间。在计算机辅助设计（CAD）已经普及的今天，因此选好软件、用好软件以及逐步普及3D软件是关键。所以积累经验，将知识电子化，及建设数据库已变得十分重要。采用CAD快速设计技术和优化技术并与计算机辅助分析（CAE）技术相结合以及采用模具专用软件，并尽量将设计工作往前推移等等，都是一些行之有效的方法。提前介入和参与产品开发，与模具用户一起进行设计，不但能将模具设计工作前移，使模具生产技术准备时间大为缩短，而且能使模具及其制品更加合理化，避免由于模具用户对产品的修改及其产品工艺性不好造成生产反复的现象。2.实现数字化制造和信息化管理。用高新技术和信息化来改造和提升传统产业，搞好工业化与信息化深度融合是大势所趋。CAD/CAE/CAM一体化技术，C3P、C4P、KBE技术，模具柔性制造（FMS）和自动化加工技术等都无不依赖于数字化。逆向工程、并行工程、敏捷制造和虚拟制造（包括虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配乃至组成虚拟企业及虚拟现实等）同样要依赖于数字化。因此，数字化是模具制造从“经验”走向“科学”的关键。实现数字化制造不但能缩短制造周期、降低成本，而且更重要的是能提高模具的质量、精度和可靠性。搞好信息化建设，实现信息化管理是模具企业又一重要课题。模具企业信息化管理已经从过去的财务管理发展到工艺管理、产品数据管理、项目管理、生产制造过程管理、知识库管理、产品全生命周期管理、成本管理、电子商务和资源管理等，先进而便捷的条形码和芯片技术以及适用于单件小批生产的管理软件已被应用于模具企业的信息化管理中。信息化管理应用得好不但能大幅度缩短模具生产周期和降低成本，而且能提高整个企业的经营管理水平和效益。现在，企业信息化的发展应用水平已经成为衡量一个企业综合竞争力的显著标志，智能化、集成化和网络化也已成为信息化的发展方向。3.先进技术和细节同时并举。包括高速切削和高速电加工在内的高速加工是模具行业公认的缩短模具生产周期的有效方法。有统计资料表明，高速切削结合CAD/CAM技术可使模具制造周期缩短约40%，CNEDM附设机器人可提高生产率50%、减少成本30%。用机械手安装工件，选用合适的高质量刀具和夹具，选用合适的切削液、电加工介质、润滑液，使用耐腐蚀低损耗的电极材料，基于RP技术结合特种加工工艺快速制造电加工电极，电火花混粉加工，以及应用快速成型技术和快速制模技术等都可有效缩短模具生产周期。光整加工和装配调试对模具制造周期的影响也很大。努力减少光整加工和装配调试时间，逐步提高机钳比（即机加工工时与钳工工时的比例），逐步发展数控自动化抛光技术和数字化模拟试模调试技术以及复合加工、柔性加工、自动化及智能化加工技术等，都可有效缩短模具生产周期，而且还有利于模具质量水平的提高。4.标准化与标准件。有统计资料表明，搞好模具标准化工作，广泛采用模具标准件，可使模具生产周期缩短30%～40%。在标准方面，除了国家标准和行业标准之外，对广大模具企业来说，建立自己的企业标准更为重要，这是因为标准是基础，数字化制造、标准化自动化生产都离不开乃至依赖于标准。许多企业的实践也证明了标准化能大幅度提高劳动生产率和缩短模具生产周期。因此，搞好标准化工作，建立各种标准化体系，对模具企业的发展十分重要。三、“专、精、特”，社会协作与企业文化。按照国家对工业企业类型的划分标准，模具生产企业绝大多数都是中小型企业，大型企业不足千分之一。对于广大中小型企业来说，做精、做特、做新、做强、做活，做出效益来至关重要。国家也在大力支持“专、精、特”企业。“专、精、特”能降低成本出效益，“专、精、特”能提高产品质量水平，“专、精、特”能促进企业转型升级，“专、精、特”能推动技术进步和行业发展。专业化分工是随着社会进步与发展而不断细化的。随着专业化分工不断细化，社会协作就越来越广泛深入。对模具制造来说，专业化分工细化和社会协作的广泛深入能降低成本、提高效率和效益，这是不言而喻的，但关键是如何作为。除了以前的零部件外协和加工工序等外协之外，产学研用相结合、组建各种产业联盟、技术外包和利用公共服平台正在逐渐兴起。只要运用得好，这些也都能降低模具制造成本。针对特定用户单独设计、单件制造是模具生产的特点之一。由于不同模具的要求各不相同，必须有不同的工艺和不同的装备与之适应，所以即使已经注意并进行了社会协作，但模具生产企业某些设备利用率低，某些环节变成了“瓶颈”的现象还仍旧比较普遍。这时，企业的管理者就要在分析研究的基础上采取有效措施来尽量提高设备利用率和尽快消除“瓶颈”。借助信息化管理对平衡负荷，搞好均衡生产十分有效。设备利用率提高了，“瓶颈”消除了，模具制造成本也就降下来了。一个好的企业必然会有好的企业文化，“以人为本”应该是企业文化的核心。好的企业文化能充分调动广大职工的积极性。职工的积极性调动起来了，他们就能提出许多好意见、好建议来。小到小改小革和各方面的合理化建议，大到整个企业的经营管理与发展，人人都关注，人人都动脑子想办法，模具制造成本自然就能降下来，企业自然就能不断发展壮大。传统的模具制造主要依靠工人的技能，所以调试必不可少，所以交货期也会延长。随着技术发展和社会进步，现在和今后，要逐渐做到不依靠技能也能制造出好模具来；模具制造逐步实现高度自动化；只装不配省去试模工程将变成可能；模具交货期越来越短，模具成本也将越来越低。最后，我认为还应再分析一下关于模具的低成本制造与模具用户的低成本生产之间的关系。降低模具的制造成本一般情况下都能降低模具用户的生产成本，这两者之间应该是一致的，但这里不但有一个度的问题，而且还有一个两者合理匹配的问题。所谓“度”，就是降低模具制造成本要有度，切不可过度，即如本文一开始说的那样，降低模具制造成本必须要在不降低模具质量水平和满足用户要求的前提下进行，这是比较容易理解的。关于两者之间合理匹配的问题其核心是要综合考虑，应该使模具能给用户带来最大的效益。产品要求低或者是批量小，那么模具就更要成本低，但是如果产品要求高或者是批量很大，那么就不能单纯追求模具的低成本了。这就产生了合理匹配的问题。例如一套常规模具和一套热流道模具都能满足用户生产出一定量的合格注塑件的要求，单从模具成本来说，常规模具价格低于热流道，好像是占有优势的，但是如果从用户生产的总成本来看，由于使用热流道模具不但产品质量更有保证，而且生产效率和原材料利用率都可以大幅度提高，因而从用户全面核算总成本来看，使用比常规模具贵得多的热流道模具反而更能降低生产成本。这里的关键就是合理匹配。这样的例子很多，高效、多功能模具多有类似情况，因此模具企业应该在努力降低模具制造成本的同时，多从用户企业的利益着想，提出合理匹配的建议，多与用户沟通与协商，大家都全面考虑，共同来决定最合理的方案。

有五金和塑胶。

五金模具分为：包括冲压模 （ 如冲裁模具、弯曲模具、拉深模具、翻孔模具、缩孔模具、起伏模具、胀形模具、整形模具等）、锻模（如模锻模、镦锻模等）、挤压模具、挤出模具、压铸模具、锻造模具等；

非金属模具分为：塑料模具、无机非金属模具、砂型模具、真空模具和石蜡模具等。

模具基本特点：

(1) 加工精度要求高

一副模具一般是由凹模、凸模和模架组成，有些还可能是多件拼合模块。于是上、下模的组合，镶块与型腔的组合，模块之间的拼合均要求有很高的加工精度。精密模具的尺寸精度往往达μm级。

(2) 形面复杂

有些产品如汽车覆盖件、飞机零件、玩具、家用电器，其形状的表面是由多种曲面组合而成，因此，模具型腔面就很复杂。有些曲面必须用数学计算方法进行处理。

(3) 批量小

模具的生产不是大批量成批生产，在很多情况下往往只生产一付。

(4) 工序多

模具加工中总要用到铣、镗、钻、铰和攻螺纹等多种工序。

(5) 重复性投产

模具的使用是有寿命的。当一付模具的使用超过其寿命时，就要更换新的模具，所以模具的生产往往有重复性。

参考资料来源：百度百科--模具

模具低成本制造实现的可行性分析：

为实现模具的低成本制造，必须考虑3个方面的主要技术-经济效益指标：成本、周期、质量。3个指标必须从设计、制造和使用综合考虑。设计在满足使用要求的同时，也要满足制造的可靠性；制造必须满足设计要求，同时制约设计，指导使用；使用应该了解设计与制造，制定合理工艺方案，便于设计、制造。具体如下：

（1）应用同步工程（SE）。冲压同步工程（SE）是在产品设计阶段，冲压工艺师先期介入产品工艺性分析，把错误和缺陷消除在设计阶段，缩短模具的开发周期。运用同步工程之后省去了一个过程环节，使工装制造在最短的时间内开始，为制造提供充足的时间。

（2）制定合理的工艺方案。尽量采用特种工艺，如液压拉伸、橡皮囊拉伸等，能将多套模具缩减为一套模具；充分考虑生产批量的大小，小批量生产能能降低制模成本，缩短制模周期；可采用各种简易模具，如低熔点合金模具、组合冲模等，可获良好的技术-经济效益；还必须对各类零件进行详细比对、分析，最大限度实现左右合模或一模多件。

（3）影响模具制造的因素较多，如模具精度、型面难易、表面粗糙度与装饰、型孔与型腔的数量、热处理要求等。模具设计时，对模具元件精度、表面粗糙度、热处理硬度等不能提过高要求，否则无谓增加成本。模具材料采用可回收、再利用的低熔点合金、聚氨酯橡胶等。对于冲裁模，在满足产品精度要求的情况下可加大冲裁间隙，降低成本。

（4）在制造时，须采用先进的机械加工、电加工、化学腐蚀等代替或减少钳工加工工作量，以减少制模时对工人的技术水平要求。在以前的实际生产中常遇到有的模具，如液压型胎，模具较大，产品弯边面处为复杂变角度型面，而制造依据为样板，工人钳工量特别大，制模周期长，制模质量差。

国际模协秘书长罗百辉认为，要实现模具的低成本制造必须采用最优化的模具结构、选用可回收利用或更有性价比的模具材料，并简化模具加工方法。

航空企业常见钣金零件类型及其适用模具：

飞机钣金零件品种繁多、形状各异，模具结构也有其多样性。同一种类型的钣金零件，可用多种不同的模具冲裁或成形。

在实际生产中，各种钣金零件的质量要求是不同的，生产批量也是不同的。国际模协秘书长罗百辉认为，适用于大批量生产的工艺方案、模具结构和模具材料，在小批量生产时可能就不适用。不能简单说使用简单模具就落后，而使用复合、级进模具等复杂模具就先进，因为它们有不同的使用场合。使用场合合理，能降低生产成本，获得效益就是先进的方案、先进的模具。

弯曲模比型胎、液压型胎、闸压模和落锤模的结构复杂，制模成本高，弯曲模适用于工件批量较大时；复合模、级进模较单工序模具冲孔模、落料模更能保证工件内外形位置精度，生产效率高，但制模成本高、制模周期长，适于工件批量较大时；切边模没有全面考虑近似形状零件的共性，较通用冲模套数多、效率低、制模成本高；翻边模模具结构复杂，制模成本高，适于工件批量较大时；拉弯模较其它型材成形模具结构复杂，制模成本高，适于工件批量较大时；而拉伸模尤其多工序拉伸模较液压拉伸模等制模成本高，试模工作量大，适于工件批量较大时。而其余模具如型胎、落锤模、滚模等，制模成本低，能满足航空企业钣金零件的试制或中小批量生产，属于经济模具范畴。

钣金零件技术、经济效益分析：

对每一种有一定技术要求的钣金零件，可选用不同的工艺方案（如：不同的模具结构形式和不同的模具材料与制模方法）。方案不同，工件的成本则不一样。

钣金零件的制造成本，受该件产量的影响很大。产量的增减变化，使钣金零件的制造成本发生波动。

通常冲压件的材料费、工时费、设备折旧费和企业管理经营费用等，都随钣金零件产量的变化而变化。产量越大，则这几项费用是成正比的增加，故此类费用成为可变费用Cb。模具制造费用则不同，一旦模具加工完毕，其费用基本上就保持不变了（维修费、保管费等占比例较小，可列入可变费用Cb，也可忽略不计）。模具加工费用称为不变费用Ca。钣金件的制造成本C可表示为：

C=Ca+QCb，式中Q为钣金件产量。

要降低钣金件的制造成本，必须从降低Ca和Cb两方面考虑。显然降低不变成本和降低可变成本可以降低生产成本，从而增加企业的盈利，但这两种生产成本往往是互相矛盾的。生产中为降低钣金件的可变成本，即减少工时费、设备折旧费时，必然要采用生产效率高的复合模、连续模，甚至多工位级进模。但是这类模具的费用是较高的，即为了降低可变成本而不得不提高不变成本。同样为降低钣金件的不变成本，采用制造成本较低的简单模具时，又必然会降低生产效率，从而提高了可变成本。

降低钣金件的不变成本或可变成本的2种措施，对企业的总盈利情况的影响是不同的，尤其与产品的批量关系很大。小批量生产时，降低钣金件的不变成本效果明显；而在大批量生产时，降低可变成本可以取得更佳的效果。

总之，评价一种工艺方案的技术、经济效益是十分复杂的，它涉及工件的质量要求、批量大小、生产设备以及制模能力等多方面的因素。只有在熟悉各种常规冲压技术、冲压模具的基础上，再研究各种特殊的模具与技术，并结合本单位的实际生产能力，才能制定出合理的工艺方案，获得最佳技术-经济效益。

P4410钢在硬度值为32～36HRC范围内，具有良好的车、铣、磨等加工性能。

P4410钢也可采用火焰局部加热淬火，加热温度800～825℃，在空气中或用压缩空气冷却，局部表面硬度可达56～62HRC，可延长模具使用寿命。也可对模具进行表面镀铬，表面硬度可由370～420HV提高到1000HV，显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。

P4410钢制造的模具，局部损坏后也可用补焊法修补，焊接质量良好，可以进行加工。

P4410钢在预硬态（30～36HRC）使用，防止了热处理变形，适于制造大型、复杂、精密塑料模具。该钢也可采用渗氮、渗硼等化学热处理，处理后可获得更高表面硬度，适于制作高精密的塑料模具。

8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢

8Cr2MnWMoVS属易切削精密塑料成形模具钢，是为适应精密塑料模和薄板无间隙精密冲裁模之急需而设计的，其成分设计采用了高碳多元少量合金化原则，以硫作为易切削元素。8Cr2S钢的化学成分及性能在第一章第二节已经介绍过，这里就使用方面再进一步介绍。

1.钢的特点

（1）热处理工艺简便，淬透性好：空冷淬硬直径φ100mm以上，空淬硬度为61.5～62HRC，热处理变形小。当860～900℃淬火，160～300℃回火时，轴向总变形率＜0.09%，径向总变形率＜0.15%。

（2）切削性能好：退火硬度为207～239HBS，切削加工时，可比一般工具钢缩短加工工时1/3以上。硬态40～45HRC时，用高速钢或硬质合金刀具进行车、铣、刨、镗、钻等加工，相当于碳钢调质态，硬度为30HRC左右的切削性能，远优于Cr12MoV钢退火态硬度为240HBS时的切削性能。

（3）镜面研磨抛光性好：采用相同的研磨加工，其表面粗糙度比一般合金工具钢低1～2级，最低表面粗糙度为Ra 0.1μm。

（4）表面处理性能好：渗氮性能良好，一般渗氮层深达0.2～0.3mm，渗硼附着力强。

2.应用

8Cr2S作为预硬钢适宜于制作各种类型的塑料模、胶木模、陶土瓷料模以及印制板的冲孔模。该钢种制作的模具配合精密度较其它合金工具钢高1～2个数量级，表面粗造度低1～2级，使用寿命普遍高2～3倍，有的高十几倍。

5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）钢

5NiSCa属易切削高韧性塑料模具钢，在预硬态（35～45HRC）韧性和切削加工性良好；镜面抛光性能好，表面粗糙度低，可达Ra 0.2～0.1μm，使用过程中表面粗糙度保持能力强；花纹蚀刻性能好，清晰，逼真；淬透性好，可作型腔复杂、质量要求高的塑料模。该钢在高硬度下（50HRC以上），热处理变形小，韧性好，并具有较好的阻止裂纹扩展的能力。

1.化学成分及相变点

5NiSCa钢采用中碳加镍，其主要化学成分见表3-9。

表3-9 5NiSCa钢的化学成分（质量分数） （%）

CCrNiMnMoVSCa

0.570.891.031.190.520.260.0280.0036

加热时相变点695～735℃，冷却时相变点378～305℃，Ms220℃。

2.工艺性能

（1）锻造：加热温度1100℃，始锻温度1070～1100℃，终锻温度850℃，锻后砂冷。

（2）球化退火：加热温度770℃，保温3h，等温温度660℃，保温7h，炉冷到550℃出炉空冷。退火硬度≤241HBS，加工性能良好。

（3）淬火：淬火温度880～900℃，小件取下限，大件取上限，油冷或260℃硝盐分级淬火。

3.力学性能

5NiSCa钢经880℃和900℃淬火后的力学性能，见表3-10所列。

表3-10 5NiSCa钢不同温度淬火及回火后的力学性能

淬火/℃回火/℃σ0.2/Mpaσb/MPaσbc/MPaδ(%)ψ(%)αk/(J/cm2)HRC

8805751240.71274.01271.18.842.146.145.5

6251240.71274.01271.18.842.146.139

6501008.41045.71011.49.045.356.836

9005751364.21430.81442.67.939.642.147

6251252.41291.61355.38.341.74941.5

6501061.31084.91110.310.547.066.637

4.生产应用

5NiSCa钢可用作型腔复杂、型腔质量要求高的注射模、压缩模、橡胶模，印制板冲孔模等效果显著。

Y55CrNiMnMoV（SM1）

SM1属易切削调质型预硬化塑料模具钢，预硬态交货，预硬硬度为35～40HRC。易切削效果明显、性能稳定、综合性能明显优于45钢，还具有耐蚀性较好和可渗氮等优点。

1.化学成分及相变点

Y55CrNiMnMoV钢的化学成分，见表3-11。

表3-11 SM1钢化学成分（质量分数） (%)

CMnSPCrNiMoVSi

0.50～0.600.80～1.200.080～0.150＜0.0300.80～1.201.00～1.500.20～0.500.10～0.30＜0.40

相变点 Ac1712℃、Ac3772℃、Ms290℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理：800℃加热、保温3h，680℃等温加热5h，硬度≤235HBS。

（3）淬火、回火：800～860℃加热油淬，600～650℃回火。

3.力学性能

经上述处理后，SM1的力学性能见表3-12所示。

表3-12 SM1钢的力学性能

σb/MPaσ0.2/Mpaδ5(%)ψ(%)αk/(J/cm2)硬度HRC

117698015454435

4.实际应用

Y55CrNiMnMoV钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。