南京航空航天大学
题 目 学 院专 业 学生姓名
模具设计与中国制造2025
机电学院
机械工程及自动化
郭智伟 学号 051210707 摘要
模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%、精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。我国模具行业近年来均增长速度为21%。今后一段时期，对模具的需求主要集中在四个行业：汽车行业、家用电器行业、电子及通讯行业和建材行业。模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值要比模具自身的价值高几十倍。如汽车行业，目前我国汽车产量超过400万辆，基本车型达到170种，新车型和改装车型将达430种，汽车换型是约有80%的模具需要更换。1999年7月，国家计委和科学技术部发布了《当前国家优先发展的高新技术产业化重点领域指南(目录)》，《指南》中列入了电子专用模具、塑料成形新技术与新设备、快速原型制造工艺及成套设备、激光加工技术及成套设备、汽车关键零部件等。例如，采用快速原型制造技术和设备，用分层实体堆积等方法，可以将复杂的CAD模型转化为实物，使模具和产品的设计、评价与制造周期大大缩短，企业就能快速抢占市场，取得竞争优势。相对应的，不难看出，模具作为制造技术与信息技术相结合的产物和最佳表现平台，在《中国制造2025》智能制造的目标下，将成为“工业 4.0”的主流方向之一。 关键词；【注塑机】 【模具加工】 【ｐro/e建构】 【中国制造2025】
一、工业背景分析
新中国改革开放以来，伴随着经济的腾飞，我国的制造业也引来了一个发展的良机，但虽经过几十年的发展，仍然摆脱不了大而不强的尴尬局面，但就模具设计领域就可见一斑，低端模具方面每年国内大批量的生产，甚至模具厂林立产能过剩造成恶性竞争，而中高端模具方面则完全由国外掌控，国内外模具几十倍的价差令人目瞪口呆。
与此同时，近年来，发达国家们在迎来新一轮技术革新中，仍然将制造业作为重中之重，例如，美国在2012年提出“美国先进制造业国家战略计划”，2013年又推出“美国制造业创新网络计划”；德国提出的举世瞩目的“德国工业4.0”；日本提出了“日本制造业白皮书”等等，针对这一大背景，“中国制造2025”在2015年由我国国务院提出，不久之前国务院又公布了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，加上近十年来推出了包括0
1、0
2、0
3、04专项在内的十余项“国家重大科技专项”规划，构成了我国振兴制造业的战略与战术部署【1】。
相对应的，不难看出，模具作为制造技术与信息技术相结合的产物和最佳表现平台，在《中国制造2025》智能制造的目标下，将成为“工业 4.0”的主流方向之一。高档模具这一领域潜力巨大，目前，我国虽然已经是模具生产大国，但由于受制于国际技术壁垒，一直没有成为生产强国。 从历史数据来看，我国金属切削模具产量从2004年的5.1万台增长至2014年的26.09万台，模具产量及产值化率也从2004年的11%、27%提升至2014年的38.7%、61.5%。然而发达国家的模具普及率普遍达到了80%向上，这也意味着我国仍有巨大的提升空间。同时，由于机械行业与固定资产投资密切相关，而每年固定资产投资中约 65%用于购买模具。 第二产业的各个领域都需要用到模具，例如核电机组、大型化工设备、大型铁路建设、国防 军工行业都需要用到模具。特别是航空航天、船舶、汽车领域，到2020年，高档模具的装备率将达到80%。目前，我国每年消费的中高档模具数量在5万～6万套，金额在60亿元左右，其中进口量占总量的85%左右【3】。可以说，未来我国模具行业具有相当好的发展潜力、进口替代空间非常巨大。当下，主流的模具其主要特点是集计算机控制、高性能伺服驱动 和精密加工技术于一体，被应用于汽车、船舶、航天航空及大型自动化生产线。而目前此类高端 模具的主要研发国为美国、日本和德国。
针对高档模具这一领域与2025制造，如上文所说，我们要首先正视自身的模具核心技术缺失，机器人技术更是与国际脱轨多年等事实情况，在此基础上发奋图强，力争搭上二十一世纪信息化时代的顺风车，利用“工业4.0”提出的构想，努力往这一方向靠拢，将互联网+【2】概念引入模具制造领域乃是重中之重。工业机器人的应用程度是一个国家工业自动化水平的重要标志。提升集成应用水平，从而扩大市场应用范围【5】；总而言之，中国制造2025与我们每一位青年学生都息息相关，未来正是我们在模具大展身手的时刻。
二、模具工业分析
模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁力工业” ；美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”;德国则认为是所有工业中的“关键工业” ;日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力” ，同时也是“整个工业发展的秘密”，是“进入富裕社会的原动力” 。日本模具产业年产值达到13000亿日元，远远超过日本机床总产值9000亿日元。如今，世界模具工业的发展甚至己超过了新兴的电子工业。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。【6】
塑料模具工业是随塑料工业的发展而发展的。塑料工业是一门新兴工业。自塑料问世后的几十年以来，由于其原料丰富、制作方便和成本低廉，塑料工业发展很快，它在某些方面己取代了多种有色金属、黑色金属、水泥、橡胶、皮革、陶瓷、木材和玻璃等，成为各个工业部门不可缺少的材料。
目前在国民经济的各个部门中都广泛地使用着各式各样的塑料制品。近几年来由于工程塑料制件的强度和精度等得到很大的提高，因而各种工程塑料零件的使用范围正在不断扩大，预计今后随着微型电子计算机的普及和汽车的微型化，塑料制件的使用范围将会越来越大，塑料工业的生产量也将迅速增长，塑料的应用将覆盖国民经济所有部门，尤其在国防和尖端科学技术领域中占有越来越重要的地位。目前，世界的塑料产量已超过有色金属产量的总和。【7】
塑料模具一种用于压塑、挤塑、注射、吹塑和低发泡成型的组合式塑料模具，它主要包括由凹模组合基板、凹模组件和凹模组合卡板组成的具有可变型腔的凹模，由凸模组合基板、凸模组件、凸模组合卡板、型腔截断组件和侧截组合板组成的具有可变型芯的凸模。模具凸、凹模及辅助成型系统的协调变化。可加工不同形状、不同尺寸的系列塑件。用塑料模具生产的主要优点是制造简便、材料利用高、生产率高、产品的尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。塑料模具的现代设计与制造和现代塑料工业的发展有极密切的关系。随着塑料工业的飞速发展，塑料模具工业也随之迅速发展。
在我国，随着国民经济的高速发展，模具工业的发展也十分迅速。整体来看，中国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。 加入WTO，给塑料模具产业带来了巨大的挑战，同时带来更多的机会。由于中国塑料模具以中低档产品为主，产品价格优势明显，有些甚至只有国外产品价格的1/5～1/3，加入WTO后，国外同类产品对国内冲击不大，而中国中低档模具的出口量则加大；在高精模具方面，加入WTO前本来就主要依靠进口，加入WTO后，不仅为高精尖产品的进口带来了更多的便利，同时还促使更多外资来中国建厂，带来国外先进的模具技术和管理经验，对培养中国的专业模具人才起到了推动作用。 2006年，中国塑料模具总产值约300多亿元人民币，其中出口额约58亿元人民币。根据海关统计资料，2006年中国共进口塑料模具约10亿美元，约合83亿元人民币。由此可以得出，除自产自用外，市场销售方面，2006年中国塑料模具总需求约为313亿元人民币，国产模具总供给约为230亿元人民币，市场满足率为73.5%。进口的塑料模具中，最多的是为汽车配套的各种装饰件模具、为家电配套的各种塑壳模具、为通信及办公设备配套的各种注塑模具、为建材配套的挤塑模具以及为电子工业配套的各种塑封模具等。出口的塑料模具以中低档产品居多。由于中国塑料模具价格较低，在国际市场中有较强的竞争力，所以进一步扩大出口的前景很好，近几年出口年均增长50%以上就是一个很好的证明。【8】
2.1 我国模具工业发展和技术现状
模具是制造业的重要工艺基础，在我国，模具制造属于专用设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。直到20世纪80年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。近年，不仅国有模具企业有了很大发展，三资企业、乡镇（个体）模具企业的发展也相当迅速。据不完全统计，近10年全国（未含港、澳、台统计数字，下同）模具生产及进出口发展情况如表
1、表2：
中国模具工业概况
由表可见，虽然中国模具工业发展迅速，但与需求相比，显然供不应求，其主要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命模具领域。由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面，中国与国际平均水平和发达国家仍有较大差距，因此，每年需要大量进口模具。
成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29~34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件，取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。热流道模具开始推广，有的厂采用率达20%以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热流道的采用率不到10%,与国外的50~80%相比，差距较大。
在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，如美国EDS的UG II、美国Parametric Technology公司的Pro/Engineer、美国CV公司的CADS
5、英国Deltacam公司的DOCT
5、日本HZS公司的CRADE、以色列公司的Cimatron、美国AC-Tech公司的C-Mold及澳大利亚Moldflow公司的MPA塑模分析软件等等。
从模具钢市场分布格局来看，高档市场这一占主导地位的模具钢市场，迄今为止国内产品的占有率很少，而这一市场将是国内模具业发展的趋势，潜在市场很大。据市场调研，国产模具钢与国外相比，确实存在一定的差距。比如国产的通用性模具钢H
13、D
2、LD、P20、PMS、SKD61等品种内在质量均能达到美国模具钢通用标准ASTMA681，属国际一般水平。【9】
近年来，国内己较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如:P20, 3Cr2Mo, PMS,SM I、SM II等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大的影响，但总体使用量仍较少。塑料模标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛地得到应用，并且出现了一些国产的商品化的热流道系统元件。但目前我国模具标准化程度和商品化程度一般在30%以下，和国外先进工业国家已达到70%-80%相比，仍有很大差距【10】。技术比较见表1
2.2 我国模具工业存在问题和主要差距
虽然我国模具总量目前已达到相当规模，模具水平也有很大提高，但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等工业发达国家许多。当前存在的问题和差距主要表现在以下几方面：
① 总量供不应求
国内模具自配率只有70%左右。其中低档模具供过于求，中高档模具自配率只有50%左右。
② 企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构均不合理 我国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达60%左右，而国外模具超过70%属商品模具。专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。2004年，模具进出口之比为3.7：1，进出口相抵后的净进口额达13.2亿美元，为世界模具净进口量最大的国家。
③ 模具产品水平大大低于国际水平，生产周期却高于国际水平
产品水平低主要表现在模具的精度、型腔表面粗糙度、寿命及结构等方面。 ④ 开发能力较差，经济效益欠佳 造成上述差距的原因很多，除了历史上模具作为产品长期未得到应有的重视，以及多数国有企业机制不能适应市场经济之外，还有下列几个原因：
①国家对模具工业的政策支持力度还不够
虽然国家已经明确颁布了模具行业的产业政策，但配套政策少，执行力度弱。目前享受模具产品增值税的企业全国只有185家，大多数企业仍旧税负过重。模具企业进行技术改造引进设备要缴纳相当数量的税金，影响技术进步，而且民营企业贷款十分困难。
②人才严重不足，科研开发及技术攻关投入太少
模具行业是技术、资金、劳动密集的产业，随着时代的进步和技术的发展，掌握并且熟练运用新技术的人才异常短缺，高级模具钳工及企业管理人才也非常紧张。由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关重视不够，科研单位和大专院校的眼睛盯着创收，导致模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，致使模具技术发展步伐不大，进展不快。
③工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低近年来我国机床行业进步较快，已能提供比较成套的高精度加工设备，但与国外装备相比，仍有较大差距。虽然国内许多企业已引进许多国外先进设备，但总体的装备水平比国外许多企业低很多。由于体制和资金等方面的原因，引进设备不配套，设备与附件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较妥善的解决。
④专业化、标准化、商品化程度低，协作能力差 由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，模具专业化水平低，专业分工不细致，商品化程度低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占40﹪左右，其余为自产自用。模具企业之间协作不畅，难以完成较大规模的模具成套任务。模具标准化水平低，模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。【11】
2.3 展望我国模具工业发展的发展方向
在信息社会和经济全球化发展的进程中，模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展，技术含量不断提高，模具生产向着专业化、信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；模具业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。
针对我国模具工业的现状，通过进一步搞好模具行业的结构调整和创新，抓住我国模具价格较低的竞争优势，大力提高模具的开发效率，增加大型、精密、复杂和长寿命等技术含量高的中高档模具的比例，今后我国模具技术的研究重点和主要发展方向应该是：
（1）高速、高精、复杂和长寿命模具加工技术的研究和应用。例如超精冲压模具制造技术的研究和应用、精密塑料和压铸模具制造技术等；
（2）优质模具材料的研制和正确选用，以及先进表面加工和处理技术的发展和应用； （3）模具专业化、标准化的发展及进一步推广应用； （4）快速成型与快速制模（RP/RT）技术的发展与应用；
（5）CAD、CAM、CAE的广泛应用及其软件的不断先进和CAD/CAE/CAM技术的进一步集成化、一体化、智能化，从而提高模具设计的现代化、信息化和标准化。
【1】沈烈初.读《中国制造2025》与“德国工业4.0”后的思考【J】中国机电工业 .2015.10 【2】黄群慧，贺俊.《中国制造业的核心能力、功能定位与发展战略——兼评》【J】中国工业经济.2015.6 【3】谢桂珍.《演绎中国版“工业 4.0” 模具成主流 方向之一》【J】机电商报.2015.7 【4】屈丽丽 .《机器人：站在“中国制造2025”的风口》【J】中国机电工业.2015.8 【5】工信部装备工业司.《推动机器人发展》【J】中国工业.2015.9 【6】陈剑鹤.模具设计基础【M】.北京：机械工业出版社.2003 【7】屈华昌.塑料成型工艺与模具设计.北京：机械工业出版社，1996 【8】 余强.Pro/E模具设计基础教程【M】.北京：清华大学出版社.2005 【9】申树义主编.塑料模具设计.北京:机械工业出版社,1999 【10】张佑生，王永智.塑料模具计算机辅助设计【M】.北京：机械工业出版社.1998 【11】 郭新玲.带孔零件注射模分型面的三维设计【J】.模具工业.2005，（2）；3～6
