模具設計和加工技術的發(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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模具造技術包括設計和加工，本文從這兩方面分析中國模具業(yè)的技術發(fā)展方向。文章首先指出CAD/CAE、CAPP和KBE為模具設計技術的主要趨勢；接探討模具加工技術的發(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的前景。
從技術角度來看，模具制造（包括設計和加工）技術大致可分為五個發(fā)展階段：手工操作階段、手工操作加機械化（普通通用機床與工具）階段、數(shù)字控制階段、計算機化階段和CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡技術一體化階段。
中國幅員遼闊，模具制造企業(yè)眾多，技術發(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)展到計算機化階段。但同時還有不少企業(yè)仍停留在手工操作加機械化階段。純粹手工操作階段基本上已成為歷史，CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡技術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)展方向應以提高數(shù)控化和計算機化水平為主，積極采用高新技術，逐步走向CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡技術一體化。模具無紙化制造將逐漸替代傳統(tǒng)的設計和加工。
模具設計技術的發(fā)展方向
模具設計長期以來依靠人的經(jīng)驗和機械制圖來完成。自從二十世紀八十年代中國發(fā)展模具計算機輔助設計（CAD）技術以來，這項技術已獲得認可，并且得到來快的發(fā)展。九十年代開始發(fā)展的模具計算機輔助工程分析（CAE）技術，現(xiàn)在也為許多企業(yè)應用，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)達國家的模具企業(yè)應用CAD技術，已從二維設計發(fā)展到三維設計，三維設計已達70%以上。中國大部分企業(yè)還停留在二維設計的水平上，能進行三維設計的企業(yè)還不到20%。CAE軟件在國外應用已較普遍，國內(nèi)應用還比較少，用於預測零件成形過程中可能發(fā)生缺陷的水平還比較低。
模具設計技術及CAD和CAE軟件，今後應提高在下列幾方面的水平：
*模具設計資料庫和知識庫系統(tǒng)；
*模具工程規(guī)劃及方案設計；
*模具材料和標準件的合理選用；
*模具剛性、強度、流道及冷卻通路的設計；
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）、熱傳導和冷卻過程的分析、凝固及結構應力分析等。計算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場、溫度場、速度場、剪切應變速率場和剪切應力場的分布并分析其結果，是非常復雜和費時的。這一模擬技術已從中面流技術發(fā)展到雙面流技術，不久即可發(fā)展到既正確又快速的實體流技術，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、應力應變和回彈分析等；
*壓鑄模壓鑄件成形流動模擬、熱傳導及凝固分析等；
*鍛模鍛件成形過程模擬及金屬流動和充填分析等；
*提高設計和分析軟件的快速性、智能化和集成化水平，并強化它們的功能，以適應模具的不斷發(fā)展。
除了模具CAD/CAE技術之外，模具工藝設計也非常重要。計算機輔助工藝設計（CAPP）技術已開始在中國模具企業(yè)中應用。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，因此應用CAPP技術難度較大，也難以有適合各類模具和不同模具企業(yè)的CAPP軟件。為了較好地應用CAPP技術，模具企業(yè)必須做好開發(fā)和研究。雖然CAPP技術應用和推廣的難度比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）技術是面向現(xiàn)代設計決策自動化的重要工具，已成為促進工程設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)化設計產(chǎn)生重要的影響。
模具加工技術的發(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合加工等。數(shù)控和計算機技術的不斷發(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，帶動模具加工技術向以下幾方面發(fā)展。
高速銑削技術
近年來中國模具制造業(yè)一些骨干重點企業(yè)，先後引進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。當前國外高速加工機床主軸的最高轉速已超過100000r/min，快速進給速度可達120m/min，加速度可達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)。隨主軸轉速的提高，機床結構及其所配置的系統(tǒng)及關鍵部件和零配件、刀具等都必須配合，令機床造價大為提高。中國進口的高速加工機床主軸最高轉速在短期內(nèi)仍將以10000-20000r/min為主，少數(shù)會達到40000r/min左右。雖然向更高轉速發(fā)展是必然方向，但目前最主要的還是推廣應用。
高速加工是切削加工工藝的革命性變革，從技術發(fā)展角度看，高速銑削正與超精密加工、硬切削加工相結合，開辟了以銑代磨的領域，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)的應用將會來多。并聯(lián)機床，又稱虛擬軸機床，和3D激光6軸銑床的誕生，及開放式數(shù)控系統(tǒng)的應用更為高速加工增添光彩。
電火花加工技術
電火花加工（EDM）雖然已受到高速銑削的嚴峻挑戰(zhàn)，但是EDM技術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。復雜、精密小型腔及微細型腔和去除刀痕、完成尖角、窄縫、溝漕、深坑加工及花紋加工等，將是今後EDM應用的重點。為了在模具加工中進一步發(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設備的精密化和大型化；
*EDM設備的加工穩(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的發(fā)展；
*高性能綜合技術專家系統(tǒng)的研發(fā)及EDM智能化技術的不斷發(fā)展和自適應控制、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的進一步發(fā)展；
*混粉加工等鏡面光亮加工技術的發(fā)展；
*微細EDM技術的發(fā)展，包括三維微細輪廓的數(shù)控電火花銑削加工和微細電火花磨削及微細電火花加工技術等；
*WEDM中人工智能技術的運用、走絲系統(tǒng)和穿絲技術的改進等；
*電火花銑削加工技術及機床和EDM加工中心（包括成型機和線切割機）將得到發(fā)展；
*作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，綠色EDM新技術是未來重要發(fā)展趨勢。
快速原型制造（RPM）和快速制模（RT）技術
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技術可直接或間接用於RT。金屬模具快速制造技術的目標，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。間接法制模的關鍵技術是開發(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的集成。RPM技術與RT技術的結合，將是傳統(tǒng)快速制模技術（如中低熔點合金鑄造、噴涂、電鑄、精鑄、層、橡膠澆固等）進一步發(fā)展的方向。RPM技術與陶瓷型精密鑄造相結合，為模具型腔精鑄成形提供了新途徑。應用RPM/RT技術，從模具的概念設計到制造完成，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。要進一步提高RT技術的競爭力，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、微細加工和復合加工技術
隨模具向精密化和大型化方向發(fā)展，超精密加工、微細加工和集電、化學、超聲波、激光等技術於一體的復合加工將得到發(fā)展。目前超精密加工已穩(wěn)定地達到亞微米級，納米精度的超精密加工技術也被應用到生產(chǎn)。電加工、電化學加工、束流加工等多種加工技術，已成為微細加工技術的重要組成部分，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。在一臺機床上使激光銑削和高速銑削相結合，已使模具加工技術得到新發(fā)展。
先進表面處理技術
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鍵。真空熱處理、深冷處理、包括PVD和CVD技術的氣相沉積（TiN、TiC等）、離子滲入、等離子噴涂及TRD表面處理技術、類鉆石薄膜覆蓋技術、高耐磨高精度處理技術、不沾粘表面處理等技術已在模具制造中應用，并呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。模具表面激光熱處理、焊接、強化和修復等技術及其他模具表面強化和修復技術，也將受到進一步重視。
模具研磨拋光
模具的研磨拋光目前仍以手工為主，效率低、勞動強度大、質(zhì)量不穩(wěn)定。中國已引進了可實現(xiàn)三維曲面模具自動研拋的數(shù)控研磨機，自行研究的仿人智能自動拋光技術已有一定成果，但目前的應用很少，預計會得到發(fā)展。今後應繼續(xù)注意發(fā)展特種研磨與拋光技術，如擠壓珩磨、激光珩磨和研拋、電火花拋光、電化學拋光、超聲波拋光以及復合拋光技術與工藝裝備。
模具自動加工系統(tǒng)
隨各種新技術的迅速發(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)應有以下特征：多臺機床合理組合；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技術及軟件
隨數(shù)控技術和計算機技術的快速發(fā)展，CAM/DNC技術已在中國模具企業(yè)得到廣泛應用。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、備有多種數(shù)據(jù)格式轉換功能和能為系統(tǒng)集成準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。
模具制造綜合技術的發(fā)展方向
在模具制造中，模具設計和模具加工往往不能分割。因此，除了設計技術和加工技術之外，還必須重視一些綜合技術，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、軟件技術為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為特征的信息技術，正以強大的滲透力影響社會各個領域，傳統(tǒng)制造業(yè)信息化勢在必行。
模具CAD/CAE/CAM一體化技術
模具CAD/CAE/CAM技術已發(fā)展成為比較成熟的共性技術，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，再加上微機的普及和應用及微機版軟件的推出，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)絡化將是今後的發(fā)展方向。有條件的企業(yè)應積極做好CAD/CAE/CAM技術的深化應用工作，即應用KBE技術和開展企業(yè)信息化工程。可以從CAPP→PDM→CIMS→VM逐步深化和提高，也有不少人認為推行C3PCAD/CAE/CAM/PDM)技術可能更有效。
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，模具測量技術顯得來重要。模具應力、磁力測量技術和三維測量技術及R部位形狀尺寸精度、表面粗糙度測量技術等都是模具測量技術的重點所在。面世不久的4D激光測量機可以自標定，不但能進行3D測量，而且可以得出質(zhì)量指標，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機床的運轉安全。高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙，到加工出期望的模型所需的多項功能，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。
模具標準化程度不斷提高
正確合理地選用模具標準件和提高模具標準化程度，可以有效縮短模具制造周期、提高質(zhì)量和降低成本，因此，模具標準化程度將不斷提高。
虛擬技術將得到發(fā)展
計算機和信息網(wǎng)絡的發(fā)展，使虛擬技術成為現(xiàn)實。虛擬技術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)虛擬合作設計、制造、合作研究開發(fā)，以致建立虛擬企業(yè)。
管理技術迅速發(fā)展
機械行業(yè)中常說的“三分技術七分管理”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)新機制的建立和運行，既是管理技術的核心，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，中國的模具設計加工和制造技術落後於國際水平，企業(yè)管理技術更落後於國際水平，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習，牢牢掌握世界模具技術的發(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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