模具設(shè)計和加工技術(shù)的發(fā)展方向淺談
| [日期：2009-04-20 ] |
來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：佚名 |
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模具造技術(shù)包括設(shè)計和加工，本文從這兩方面分析中國模具業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。文章首先指出CAD/CAE、CAPP和KBE為模具設(shè)計技術(shù)的主要趨勢；接探討模具加工技術(shù)的發(fā)展方向，例如高速銑削、電火花加工、快速原型造、快速模等。最後分析模具造綜合技術(shù)的前景。
從技術(shù)角度來看，模具制造（包括設(shè)計和加工）技術(shù)大致可分為五個發(fā)展階段：手工操作階段、手工操作加機(jī)械化（普通通用機(jī)床與工具）階段、數(shù)字控制階段、計算機(jī)化階段和CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段。
中國幅員遼闊，模具制造企業(yè)眾多，技術(shù)發(fā)展水平參差不齊，各個階段同時并存，但目前主要以數(shù)字控制階段為主，有些骨干重點企業(yè)已發(fā)展到計算機(jī)化階段。但同時還有不少企業(yè)仍停留在手工操作加機(jī)械化階段。純粹手工操作階段基本上已成為歷史，CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段初露端倪。就大多數(shù)模具制造企業(yè)而言，今後的發(fā)展方向應(yīng)以提高數(shù)控化和計算機(jī)化水平為主，積極采用高新技術(shù)，逐步走向CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化。模具無紙化制造將逐漸替代傳統(tǒng)的設(shè)計和加工。
模具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向
模具設(shè)計長期以來依靠人的經(jīng)驗和機(jī)械制圖來完成。自從二十世紀(jì)八十年代中國發(fā)展模具計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)以來，這項技術(shù)已獲得認(rèn)可，并且得到來快的發(fā)展。九十年代開始發(fā)展的模具計算機(jī)輔助工程分析（CAE）技術(shù)，現(xiàn)在也為許多企業(yè)應(yīng)用，它對縮短模具制造周期及提高模具質(zhì)量有顯著的作用。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具企業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)，已從二維設(shè)計發(fā)展到三維設(shè)計，三維設(shè)計已達(dá)70%以上。中國大部分企業(yè)還停留在二維設(shè)計的水平上，能進(jìn)行三維設(shè)計的企業(yè)還不到20%。CAE軟件在國外應(yīng)用已較普遍，國內(nèi)應(yīng)用還比較少，用於預(yù)測零件成形過程中可能發(fā)生缺陷的水平還比較低。
模具設(shè)計技術(shù)及CAD和CAE軟件，今後應(yīng)提高在下列幾方面的水平：
*模具設(shè)計資料庫和知識庫系統(tǒng)；
*模具工程規(guī)劃及方案設(shè)計；
*模具材料和標(biāo)準(zhǔn)件的合理選用；
*模具剛性、強(qiáng)度、流道及冷卻通路的設(shè)計；
塑料模具塑料成形過程的各種模擬分析（注塑成形，包括塑料充模、保壓、冷卻、翹曲、收縮、纖維取向等模擬分析）、熱傳導(dǎo)和冷卻過程的分析、凝固及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等。計算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場、溫度場、速度場、剪切應(yīng)變速率場和剪切應(yīng)力場的分布并分析其結(jié)果，是非常復(fù)雜和費時的。這一模擬技術(shù)已從中面流技術(shù)發(fā)展到雙面流技術(shù)，不久即可發(fā)展到既正確又快速的實體流技術(shù)，產(chǎn)生滿足塑料件虛擬制造要求的三維注塑流動模擬軟件；
*壓模金屬成形過程的模擬、起皺及破裂分析、應(yīng)力應(yīng)變和回彈分析等；
*壓鑄模壓鑄件成形流動模擬、熱傳導(dǎo)及凝固分析等；
*鍛模鍛件成形過程模擬及金屬流動和充填分析等；
*提高設(shè)計和分析軟件的快速性、智能化和集成化水平，并強(qiáng)化它們的功能，以適應(yīng)模具的不斷發(fā)展。
除了模具CAD/CAE技術(shù)之外，模具工藝設(shè)計也非常重要。計算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP）技術(shù)已開始在中國模具企業(yè)中應(yīng)用。由於大部分模具都是單件生產(chǎn)，其工藝規(guī)程有別於批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此應(yīng)用CAPP技術(shù)難度較大，也難以有適合各類模具和不同模具企業(yè)的CAPP軟件。為了較好地應(yīng)用CAPP技術(shù)，模具企業(yè)必須做好開發(fā)和研究。雖然CAPP技術(shù)應(yīng)用和推廣的難度比CAD和CAE為高，但也必須重視這一發(fā)展方向。
基於知識的工程（KBE）技術(shù)是面向現(xiàn)代設(shè)計決策自動化的重要工具，已成為促進(jìn)工程設(shè)計智能化的重要途徑，近年來受到重視，將對模具的智能、優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生重要的影響。
模具加工技術(shù)的發(fā)展方向
中國的模具分為10大類46小類。不同類型的模具有不同的加工方法，同類模具也可以用不同加工技術(shù)去完成。模具加工的工作主要集中在模具型面加工、表面加工和裝配，加工方法主要有精密鑄造、金屬切削加工、電火花加工、電化學(xué)加工、激光及其他高能波束加工，以及集兩種以上加工方法為一體的復(fù)合加工等。數(shù)控和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使它們在許多模具加工方法中得到來廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)產(chǎn)品品種多樣化及個性化日益明顯，產(chǎn)品更新?lián)Q代來快，市場競爭來激烈的情況下，用戶要求模具制造交貨期短、精度高、質(zhì)量好、價格低，帶動模具加工技術(shù)向以下幾方面發(fā)展。
高速銑削技術(shù)
近年來中國模具制造業(yè)一些骨干重點企業(yè)，先後引進(jìn)高速銑床和高速加工中心，它們已在模具加工中發(fā)揮了很好的作用。當(dāng)前國外高速加工機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速已超過100000r/min，快速進(jìn)給速度可達(dá)120m/min，加速度可達(dá)1-2g，換刀時間可提高到1-2s。這樣可大幅度提高加工效率，并可獲得Ra≤1的加工表面粗糙度，可切削60HRc以上的高硬度材料，給電火花成形加工帶來挑戰(zhàn)。隨主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床結(jié)構(gòu)及其所配置的系統(tǒng)及關(guān)鍵部件和零配件、刀具等都必須配合，令機(jī)床造價大為提高。中國進(jìn)口的高速加工機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速在短期內(nèi)仍將以10000-20000r/min為主，少數(shù)會達(dá)到40000r/min左右。雖然向更高轉(zhuǎn)速發(fā)展是必然方向，但目前最主要的還是推廣應(yīng)用。
高速加工是切削加工工藝的革命性變革，從技術(shù)發(fā)展角度看，高速銑削正與超精密加工、硬切削加工相結(jié)合，開辟了以銑代磨的領(lǐng)域，并大大地減輕了模具的研拋工作量，縮短了模具制造周期，在中國模具企業(yè)的應(yīng)用將會來多。并聯(lián)機(jī)床，又稱虛擬軸機(jī)床，和3D激光6軸銑床的誕生，及開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用更為高速加工增添光彩。
電火花加工技術(shù)
電火花加工（EDM）雖然已受到高速銑削的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但是EDM技術(shù)的一些固有特性和獨特的優(yōu)點，是高速銑削所不能完全替代，例如模具的復(fù)雜型面、深窄小型腔、尖角、窄縫、溝漕、深坑等處的加工。雖然高速銑削也能滿足上述部分加工要求，但成本比EDM高得多。較之銑削加工，EDM更易實現(xiàn)自動化。復(fù)雜、精密小型腔及微細(xì)型腔和去除刀痕、完成尖角、窄縫、溝漕、深坑加工及花紋加工等，將是今後EDM應(yīng)用的重點。為了在模具加工中進(jìn)一步發(fā)揮其獨特的作用，以下是EDM今後的發(fā)展方向：
*不斷提高EDM的效率、自動化程度和加工的表面完整性；
*EDM設(shè)備的精密化和大型化；
*EDM設(shè)備的加工穩(wěn)定性、容易操作及優(yōu)良的性能價格比；
*滿足不同要求的高效節(jié)能及反電解等新型脈電源的研發(fā)，電源波形檢測及其處理和控制技術(shù)的發(fā)展；
*高性能綜合技術(shù)專家系統(tǒng)的研發(fā)及EDM智能化技術(shù)的不斷發(fā)展和自適應(yīng)控制、模糊控制、多軸聯(lián)動控制、電極自動交換、雙線自動切換、防電解作用及放電能量分配等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；
*混粉加工等鏡面光亮加工技術(shù)的發(fā)展；
*微細(xì)EDM技術(shù)的發(fā)展，包括三維微細(xì)輪廓的數(shù)控電火花銑削加工和微細(xì)電火花磨削及微細(xì)電火花加工技術(shù)等；
*WEDM中人工智能技術(shù)的運用、走絲系統(tǒng)和穿絲技術(shù)的改進(jìn)等；
*電火花銑削加工技術(shù)及機(jī)床和EDM加工中心（包括成型機(jī)和線切割機(jī)）將得到發(fā)展；
*作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，綠色EDM新技術(shù)是未來重要發(fā)展趨勢。
快速原型制造（RPM）和快速制模（RT）技術(shù)
模具未來的最大競爭因素，是如何快速地制造出用戶所需的模具。RPM技術(shù)可直接或間接用於RT。金屬模具快速制造技術(shù)的目標(biāo)，是直接制造可用於工業(yè)化生產(chǎn)的高精度耐久金屬硬模。間接法制模的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)短流程工藝、減少精度損失、低成本的層積和表面光整技術(shù)的集成。RPM技術(shù)與RT技術(shù)的結(jié)合，將是傳統(tǒng)快速制模技術(shù)（如中低熔點合金鑄造、噴涂、電鑄、精鑄、層、橡膠澆固等）進(jìn)一步發(fā)展的方向。RPM技術(shù)與陶瓷型精密鑄造相結(jié)合，為模具型腔精鑄成形提供了新途徑。應(yīng)用RPM/RT技術(shù)，從模具的概念設(shè)計到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的1/3和成本的1/4左右，具有廣闊的發(fā)展前景。要進(jìn)一步提高RT技術(shù)的競爭力，需要開發(fā)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)生成更容易、高精度、尺寸及材料限制小的直接快速制造金屬模具的方法。
超精密加工、微細(xì)加工和復(fù)合加工技術(shù)
隨模具向精密化和大型化方向發(fā)展，超精密加工、微細(xì)加工和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)於一體的復(fù)合加工將得到發(fā)展。目前超精密加工已穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級，納米精度的超精密加工技術(shù)也被應(yīng)用到生產(chǎn)。電加工、電化學(xué)加工、束流加工等多種加工技術(shù)，已成為微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分，國外更有用波長僅0.5納米的輻射波制造出的納米級塑料模具。在一臺機(jī)床上使激光銑削和高速銑削相結(jié)合，已使模具加工技術(shù)得到新發(fā)展。
先進(jìn)表面處理技術(shù)
模具熱處理和表面處理，是能否充分發(fā)揮模具材料性能的關(guān)鍵。真空熱處理、深冷處理、包括PVD和CVD技術(shù)的氣相沉積（TiN、TiC等）、離子滲入、等離子噴涂及TRD表面處理技術(shù)、類鉆石薄膜覆蓋技術(shù)、高耐磨高精度處理技術(shù)、不沾粘表面處理等技術(shù)已在模具制造中應(yīng)用，并呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。模具表面激光熱處理、焊接、強(qiáng)化和修復(fù)等技術(shù)及其他模具表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)，也將受到進(jìn)一步重視。
模具研磨拋光
模具的研磨拋光目前仍以手工為主，效率低、勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定。中國已引進(jìn)了可實現(xiàn)三維曲面模具自動研拋的數(shù)控研磨機(jī)，自行研究的仿人智能自動拋光技術(shù)已有一定成果，但目前的應(yīng)用很少，預(yù)計會得到發(fā)展。今後應(yīng)繼續(xù)注意發(fā)展特種研磨與拋光技術(shù)，如擠壓珩磨、激光珩磨和研拋、電火花拋光、電化學(xué)拋光、超聲波拋光以及復(fù)合拋光技術(shù)與工藝裝備。
模具自動加工系統(tǒng)
隨各種新技術(shù)的迅速發(fā)展，國外已出現(xiàn)模具自動加工系統(tǒng)。模具自動加工系統(tǒng)應(yīng)有以下特征：多臺機(jī)床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的夾具和刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)以及有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。也有人稱同時完成粗加工和精加工的機(jī)床為模具加工系統(tǒng)。這些今後都會得到發(fā)展。
模具CAM/DNC技術(shù)及軟件
隨數(shù)控技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAM/DNC技術(shù)已在中國模具企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前眾多軟件中，針對模具加工特點而開發(fā)的專用軟件不多，針對高速加工的軟件也少。適應(yīng)模具加工特點、具有高水平數(shù)控加工能力和後處理程序、有完善的精密加工和高速加工功能、界面友好、簡單易學(xué)、備有多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能和能為系統(tǒng)集成準(zhǔn)備條件的軟件將是今後發(fā)展的方向。
除上述發(fā)展方向，還有切削加工刀具的正確選用。據(jù)統(tǒng)計，刀具占模具生產(chǎn)總成本的3-5%，如果能正確選用刀具，可提高生產(chǎn)效率20%以上。
模具制造綜合技術(shù)的發(fā)展方向
在模具制造中，模具設(shè)計和模具加工往往不能分割。因此，除了設(shè)計技術(shù)和加工技術(shù)之外，還必須重視一些綜合技術(shù)，其發(fā)展方向?qū)δ＞咧圃飚a(chǎn)生重大影響。目前，以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)，正以強(qiáng)大的滲透力影響社會各個領(lǐng)域，傳統(tǒng)制造業(yè)信息化勢在必行。
模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)
模具CAD/CAE/CAM技術(shù)已發(fā)展成為比較成熟的共性技術(shù)，硬件和軟件的價格已降到中小企業(yè)普遍可以接受的水平，再加上微機(jī)的普及和應(yīng)用及微機(jī)版軟件的推出，模具行業(yè)普及CAD/CAM的條件已經(jīng)成熟，今後必將迅速發(fā)展。模具CAD/CAE/CAM一體化及軟件的宜人化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化將是今後的發(fā)展方向。有條件的企業(yè)應(yīng)積極做好CAD/CAE/CAM技術(shù)的深化應(yīng)用工作，即應(yīng)用KBE技術(shù)和開展企業(yè)信息化工程？梢詮腃APP→PDM→CIMS→VM逐步深化和提高，也有不少人認(rèn)為推行C3PCAD/CAE/CAM/PDM)技術(shù)可能更有效。
精密測量和高速掃描及數(shù)字化系統(tǒng)將在逆向工程和并行工程中發(fā)揮更大作用
隨高精密模具的發(fā)展，模具測量技術(shù)顯得來重要。模具應(yīng)力、磁力測量技術(shù)和三維測量技術(shù)及R部位形狀尺寸精度、表面粗糙度測量技術(shù)等都是模具測量技術(shù)的重點所在。面世不久的4D激光測量機(jī)可以自標(biāo)定，不但能進(jìn)行3D測量，而且可以得出質(zhì)量指標(biāo)，說明每個測量點的精確性。數(shù)控加工過程的在線激光測量，不但有助於保工件的加工質(zhì)量，而且大大提高NC機(jī)床的運轉(zhuǎn)安全。高速掃描機(jī)和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙瑁郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧亩囗椆δ，可大大縮短模具制造周期。逆向工程和并行工程將在今後的模具生產(chǎn)中，發(fā)揮來重要的作用。
模具標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提高
正確合理地選用模具標(biāo)準(zhǔn)件和提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度，可以有效縮短模具制造周期、提高質(zhì)量和降低成本，因此，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度將不斷提高。
虛擬技術(shù)將得到發(fā)展
計算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使虛擬技術(shù)成為現(xiàn)實。虛擬技術(shù)可以形成虛擬空間環(huán)境，既實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)模具虛擬裝配等工作，也可在企業(yè)之間實現(xiàn)虛擬合作設(shè)計、制造、合作研究開發(fā)，以致建立虛擬企業(yè)。
管理技術(shù)迅速發(fā)展
機(jī)械行業(yè)中常說的“三分技術(shù)七分管理”說明了管理的重要性。模具企業(yè)中現(xiàn)代企業(yè)制度和各項創(chuàng)新機(jī)制的建立和運行，既是管理技術(shù)的核心，也是模具制造成功和企業(yè)發(fā)展的保。模具制造管理信息系統(tǒng)（MIS）、產(chǎn)品信息管理（PDM）、建立因特網(wǎng)平臺作為企業(yè)溝通和聯(lián)系的手段及模具制造電子商務(wù)系統(tǒng)（EC）雖然不是本文的討論圍，但它們也是模具企業(yè)管理技術(shù)的發(fā)展方向，受到業(yè)界的重視。
在信息化帶動工業(yè)化發(fā)展的今天，中國的模具設(shè)計加工和制造技術(shù)落後於國際水平，企業(yè)管理技術(shù)更落後於國際水平，是業(yè)界不容忽視的事實。如要快速提高中國模具工業(yè)水平，全體職工必須努力學(xué)習(xí)，牢牢掌握世界模具技術(shù)的發(fā)展方向，充分發(fā)揮主觀能動性，腳踏實地、充滿信心地創(chuàng)造美好的未來。
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