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模具設計與加工技術發展方向

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的技術發展方向。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、數字控制階段、計算機化階段和CAD/CAE/CAM信息網絡技術一體化階段。

中國幅員遼闊,模具制造企業眾多,技術發展水平參差不齊,各個階段同時并存,但目前主要以數字控制階段為主,有些骨干重點企業已發展到計算機化階段。但同時還有不少企業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信息網絡技術一體化階段初露端倪。就大多數模具制造企業而言,今後的發展方向應以提高數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信息網絡技術一體化。模具無紙化制造將逐漸替代傳統的設計和加工。

模具設計技術的發展方向 
模具設計長期以來依靠人的經驗和機械制圖來完成。自從二十世紀八十年代中國發展模具計算機輔助設計(CAD)技術以來,這項技術已獲得認可,并且得到來快的發展。九十年代開始發展的模具計算機輔助工程分析(CAE)技術,現在也為許多企業應用,它對縮短模具制造周期及提高模具質量有顯著的作用。一些工業發達國家的模具企業應用CAD技術,已從二維設計發展到三維設計,三維設計已達70%以上。中國大部分企業還停留在二維設計的水平上,能進行三維設計的企業還不到20%。CAE軟件在國外應用已較普遍,國內應用還比較少,用於預測零件成形過程中可能發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: 
1.模具設計資料庫和知識庫系統; 
2.模具工程規劃及方案設計; 
3.模具材料和標準件的合理選用; 
4.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展到雙面流技術,不久即可發展到既正確又快速的實體流技術,產生滿足塑料件虛擬制造要求的三維注塑流動模擬軟件;

1.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; 
2.壓鑄模壓鑄件成形流動模擬、熱傳導及凝固分析等; 
3.鍛模鍛件成形過程模擬及金屬流動和充填分析等; 
4.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中應用。由於大部分模具都是單件生產,其工藝規程有別於批量生產的產品,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的CAPP軟件。為了較好地應用CAPP技術,模具企業必須做好開發和研究。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展方向。

基於知識的工程(KBE)技術是面向現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、優化設計產生重要的影響。

模具加工技術的發展方向 
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。數控和計算機技術的不斷發展,使它們在許多模具加工方法中得到來廣泛的應用。在工業產品品種多樣化及個性化日益明顯,產品更新換代來快,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、質量好、價格低,帶動模具加工技術向以下幾方面發展。

高速銑削技術 
近年來中國模具制造業一些骨干重點企業,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。隨主軸轉速的提高,機床結構及其所配置的系統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仍將以10000-20000r/min為主,少數會達到40000r/min左右。雖然向更高轉速發展是必然方向,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,在中國模具企業的應用將會來多。并聯機床,又稱虛擬軸機床,和3D激光6軸銑床的誕生,及開放式數控系統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,但是EDM技術的一些固有特性和獨特的優點,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揮其獨特的作用,以下是EDM今後的發展方向:

1.不斷提高EDM的效率、自動化程度和加工的表面完整性; 
2.EDM設備的精密化和大型化; 
3.EDM設備的加工穩定性、容易操作及優良的性能價格比; 
4.滿足不同要求的高效節能及反電解等新型脈電源的研發,電源波形檢測及其處理和控制技術的發展; 

5.高性能綜合技術專家系統的研發及EDM智能化技術的不斷發展和自適應控制、模糊控制、多軸聯動控制、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展; 
6.混粉加工等鏡面光亮加工技術的發展; 
7.微細EDM技術的發展,包括三維微細輪廓的數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; 
8.WEDM中人工智能技術的運用、走絲系統和穿絲技術的改進等; 
9.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)將得到發展;
10.作為可持續發展戰略,綠色EDM新技術是未來重要發展趨勢。

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化生產的高精度耐久金屬硬模。間接法制模的關鍵技術是開發短流程工藝、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,具有廣闊的發展前景。要進一步提高RT技術的競爭力,需要開發數據和加工數據生成更容易、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展。目前超精密加工已穩定地達到亞微米級,納米精度的超精密加工技術也被應用到生產。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,并呈現良好的發展前景。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、質量不穩定。中國已引進了可實現三維曲面模具自動研拋的數控研磨機,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,預計會得到發展。今後應繼續注意發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 
隨各種新技術的迅速發展,國外已出現模具自動加工系統。模具自動加工系統應有以下特征: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控庫;有完整的數控柔性同步系統以及有質量監測控制系統。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。這些今後都會得到發展。

模具CAM/DNC技術及軟件 
隨數控技術和計算機技術的快速發展,CAM/DNC技術已在中國模具企業得到廣泛應用。目前眾多軟件中,針對模具加工特點而開發的專用軟件不多,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、備有多種數據格式轉換功能和能為系統集成準備條件的軟件將是今後發展的方向。

除上述發展方向,還有切削加工刀具的正確選用。據統計,刀具占模具生產總成本的3-5%,如果能正確選用刀具,可提高生產效率20%以上。

模具制造綜合技術的發展方向 
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,其發展方向將對模具制造產生重大影響。目前,以微電子技術、軟件技術為核心,以數字化、網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,傳統制造業信息化勢在必行。 

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,模具行業普及CAD/CAM的條件已經成熟,今後必將迅速發展。模具CAD/CAE/CAM一體化及軟件的宜人化、集成化、智能化、網絡化將是今後的發展方向。有條件的企業應積極做好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,也有不少人認為推行C3P CAD/CAE/CAM/PDM)技術可能更有效。

精密測量和高速掃描及數字化系統將在逆向工程和并行工程中發揮更大作用 
隨高精密模具的發展,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,而且可以得出質量指標,說明每個測量點的精確性。數控加工過程的在線激光測量,不但有助於保工件的加工質量,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提供了從模型或實物掃描,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中,發揮來重要的作用。

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。

虛擬技術將得到發展 
計算機和信息網絡的發展,使虛擬技術成為現實。虛擬技術可以形成虛擬空間環境,既實現企業內模具虛擬裝配等工作,也可在企業之間實現虛擬合作設計、制造、合作研究開發,以致建立虛擬企業。

管理技術迅速發展 
機械行業中常說的“三分技術七分管理”說明了管理的重要性。模具企業中現代企業制度和各項創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發展的保。模具制造管理信息系統(MIS)、產品信息管理(PDM)、建立因特網平臺作為企業溝通和聯系的手段及模具制造電子商務系統(EC)雖然不是本文的討論圍,但它們也是模具企業管理技術的發展方向,受到業界的重視。

在信息化帶動工業化發展的今天,中國的模具設計加工和制造技術落後於國際水平,企業管理技術更落後於國際水平,是業界不容忽視的事實。如要快速提高中國模具工業水平,全體職工必須努力學習,牢牢掌握世界模具技術的發展方向,充分發揮主觀能動性,腳踏實地、充滿信心地創造美好的未來。 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的技術發展方向。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展方向,例如高速銑削、電火花加工、快速原型造、快速模等。

 

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