模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

文/韓永志·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

文/韓永志·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文詳細(xì)介紹了當(dāng)前模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀，包括模具制造的機(jī)械加工方法、電加工和其他特種加工方法，特別是快速成形技術(shù)(RP)和快速制模技術(shù)(RT)的現(xiàn)狀，最后介紹了CAD/CAE/CAM集成技術(shù)在模具設(shè)計中的應(yīng)用，并對模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢作了分析。

模具的加工技術(shù)

模具的一般性機(jī)械加工

去除加工法是指通過去除材料的方法得到模具型體和型腔。大多是在傳統(tǒng)加工及在其基礎(chǔ)上引申而來，主要包括機(jī)械加工、電加工（電火花成形、線切割等）和其他特種加工。

大約有90%左右的模具主要由銑削、車削、磨削等機(jī)械加工方法完成。它們主要用于完成模具輔助零件的最終加工，以及模具工作零件的預(yù)加工和最終加工。

⑴切削加工及高速銑削技術(shù)

傳統(tǒng)機(jī)加工切削手段，如車削、銑削、刨削、插削、鉆削等無一例外地都可用于模具加工。高速銑削是目前切削技術(shù)中應(yīng)用最多的一種工藝技術(shù)，所使用的刀具包括鑲有可轉(zhuǎn)位刀片的立銑刀和球頭銑刀。這類刀具以美國Kennametal公司的產(chǎn)品最為有名，我國也開始使用這類產(chǎn)品。高速銑削技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用是模具制造技術(shù)近年來的一個研究重點(diǎn)。高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好、加工效率高（為普通銑削加工的5～10倍）及可加工硬質(zhì)材料（＜60HRC）等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在模具加工中日益受到重視。

⑵磨削加工

成形磨削是工作型面精加工的一種方法，具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)。在模具制造中，成形磨削主要用于精加工凸模、拼塊凹模及電火花加工用的電極等零件。成形磨削可在成形磨床或平面磨床上進(jìn)行。

⑶研磨及拋光

經(jīng)機(jī)加工的工件表面，無論其表面粗糙度值如何，都必須進(jìn)行再次拋光。對于粗糙表面的修平有3種方法：去除材料、重新配置材料和增添材料。模具的研磨拋光目前仍以手動為主或借助電動或氣動設(shè)備手動拋光，效率低、勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的拋光方法是從型腔側(cè)壁上去除材料以平整表面。模具表面的光整加工問題至今仍未能得到很好地解決。

模具的電加工

電加工技術(shù)中的電火花加工在模具制造中具有重要地位。其原理是基于工具電極與工件電極之間脈沖性電火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象去除多余材料。其中以電火花線切割和型腔電火花成形為主。

⑴電火花線切割加工

電火花線切割加工是利用火花放電使金屬融化或氣化，并把融化或氣化了的金屬去除掉，從而實(shí)現(xiàn)各種形狀金屬零件的加工。線切割用于加工精密細(xì)小、形狀復(fù)雜、材料特殊的沖模零件，解決了許多機(jī)械加工困難或根本無法解決的加工問題，愈是形狀復(fù)雜、精密細(xì)小的沖模，特別是硬質(zhì)合金模具，其經(jīng)濟(jì)效果愈顯著。

慢走絲線切割加工是近年來的主要發(fā)展熱點(diǎn)。隨著無電解脈沖電源、優(yōu)化能量脈沖電源、去離子水對離子的控制以及一系列精密加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，使慢走絲線切割加工的發(fā)展達(dá)到了一個新的階段。

⑵型腔電火花加工

型腔電火花加工是利用火花放電的方法，將工具電極的形狀復(fù)印在模具坯件上而形成型腔的復(fù)制成形加工工藝。電極可由車、銑、刨、磨、冷熱成形、火焰噴涂或電鑄等方法獲得。型腔電火花加工工藝在當(dāng)今模具制造業(yè)占有重要的位置，用它可以在鋼塊及燒結(jié)金屬中加工出用常規(guī)方法無法加工或很難加工的形狀復(fù)雜、尺寸精細(xì)的工件，正確選擇和使用電極可使模具制造費(fèi)用比常規(guī)方法要低40%左右。

模具的其他特種加工方法簡介

不同于傳統(tǒng)的切削加工方法，特種加工是用機(jī)械能或者間接用聲能、熱能進(jìn)行加工的一種方法。特種加工可以分為磨料流動加工、噴射加工、液力加工、低應(yīng)力磨削、熱輔助加工、超聲波加工、噴水加工等多種加工方法，適用于切割、穿孔、研磨、拋光、去毛刺、蝕刻、磨削、拉削和鏜削等加工范疇。在一般用金屬切削刀具難以加工的場合宜采用機(jī)械特種加工，它是借助水、磨料、超聲波、熱能等對工件進(jìn)行精密加工。

快速成形和快速制模(RP／RT)技術(shù)

快速成形法（RP）是一種基于離散和堆積原理的嶄新制造技術(shù)，依據(jù)計算機(jī)上構(gòu)成的工件三維設(shè)計模型，對其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓，然后按照這些輪廓，成形頭選擇性地固化一層層的液態(tài)樹脂（或切割一層層的紙，燒結(jié)一層層的粉末材料，噴涂一層層的熱熔材料或粘結(jié)劑）。近年來，由于快速成形技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一個新的領(lǐng)域——快速模具制造（RT），RT采用RP技術(shù)直接或間接制作模具，由于它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床，只需傳統(tǒng)加工方法的10%～30%的工時和20%～35%的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具，使模具的制造時間和制造成本大大縮短。

用快速成形機(jī)直接制作模具

由于一些快速成形機(jī)直接制作的工件有較好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此可以直接用來制作某些模具。例如，用SLS（選擇性燒結(jié)）快速成形機(jī)能有選擇地?zé)习鼰崴苄哉辰Y(jié)劑的金屬粉，并在孔隙中滲入第二種金屬（如銅），從而制作金屬模。

用快速成形機(jī)制作母模，復(fù)制軟模具

用快速成形機(jī)制作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等軟材料，構(gòu)成軟模具。其中蠟?zāi)Ｓ糜谌勰ｈT造，硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等可用于制作注塑模，或低熔點(diǎn)合金鑄造模。

用快速成形機(jī)制作母模，復(fù)制硬模具

用快速成形機(jī)制作母模，或據(jù)其復(fù)制的軟模具，可澆注石膏、陶瓷、金屬基復(fù)合材料、金屬，構(gòu)成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５膲河?、拉伸模），從而批量生產(chǎn)塑料件和金屬件。這種模具有良好的機(jī)械加工性能，可進(jìn)行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲嵌塊、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。用金屬基復(fù)合材料澆注成的蠟?zāi)５膲河。淠＞邏勖蛇_(dá)1000～10000件。

CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用

CAD/CAE/CAM包括概念設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、計算機(jī)仿真、計算機(jī)輔助繪圖、計算機(jī)輔助設(shè)計過程管理等。應(yīng)用CAD技術(shù)可能設(shè)計出產(chǎn)品的大體結(jié)構(gòu)，再通過CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、可行性評估和優(yōu)化設(shè)計。采用模具CAD/CAE/CAM集成技術(shù)后，一般不需要再進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)，采用幾何造型技術(shù)，制件的形狀能精確、逼真地顯示在計算機(jī)屏幕上，有限元分析程序可以對其力學(xué)性能進(jìn)行檢測。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，世界上大型的CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)有英國Delcam公司的系列化軟件，以色列Cimatron公司的Cimatron系統(tǒng)，美國PTC公司CAD/CAE/CAM集成軟件系統(tǒng)Pro/E，美國Solidworks公司的Solidworks軟件，實(shí)物造型的Surface，材料成形分析軟件比較成功的是用于板料成形 （如沖壓）的DYNAFORM、用于體積成形 （如鍛造）的DEFORM和用于流動成形（如壓鑄、注射）的MoldFlow。

由于數(shù)控技術(shù)的推廣普及，使得模具行業(yè)中CAD/CAM的集成得以實(shí)現(xiàn)，目前CAD/CAE/CAM已呈現(xiàn)出以下三大發(fā)展趨勢：混合模型、設(shè)計制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理、車間現(xiàn)場3D程序編制。

模具的材料、表面工程技術(shù)以及加工新理念

模具的材料選擇

模具工業(yè)因選材和用材不當(dāng)，致使模具過早失效，大約占失效模具的45%以上。在模具材料方面，常用冷作模具鋼有CrWMn、Cr12、Cr12MoV、9SiCr、W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等；常用新型熱作模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V，美國的H10、H11、H13等；常用塑料模具用鋼有預(yù)硬調(diào)質(zhì)鋼 （如P20、T19等）、時效硬化型鋼（如PMS、SM2等），冷擠壓成形模（LT鋼、8416鋼等）。多工位精密沖模常采用鋼結(jié)硬質(zhì)合金及硬質(zhì)合金YG20等。

模具的表面處理技術(shù)

模具材料是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求，采用表面工程技術(shù)可在一定程度上彌補(bǔ)模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技術(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強(qiáng)化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)、復(fù)合電鍍技術(shù)、復(fù)合電刷鍍技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)等。而稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)的進(jìn)展必將進(jìn)一步推動模具制造的表面工程技術(shù)的發(fā)展。在模具表面處理方面，其主要趨勢是：由滲入單一元素向多元素共滲、復(fù)合滲（如TD法）發(fā)展；由一般擴(kuò)散向CVD、PVD、PCVD、離子滲入、離子注入等方向發(fā)展；可采用的鍍膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C 等，同時熱處理手段由大氣熱處理向真空熱處理發(fā)展。另外，激光強(qiáng)化、輝光離子氮化技術(shù)及電鍍（刷鍍）防腐強(qiáng)化等技術(shù)也日益受到重視。

模具工業(yè)新工藝、新理念和新模式

在成形工藝方面，主要有沖壓模具功能復(fù)合化、超塑性成形、精密塑性成形技術(shù)、塑料模氣體輔助注射技術(shù)及熱流道技術(shù)、高壓注射成形技術(shù)等。同時模具制造業(yè)將隨著相關(guān)行業(yè)（如計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等）的不斷發(fā)展，在新的制造理念（如柔性制造、并行工程、敏捷制造、虛擬制造、智能制造等）的引導(dǎo)下，朝著低成本、高效率、高質(zhì)量、安全環(huán)保的方向發(fā)展。還有廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的生產(chǎn)模式，及在科技哲學(xué)的指導(dǎo)下運(yùn)用綠色設(shè)計方法的原則進(jìn)行模具設(shè)計，使之適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等。

韓永志，工程師，主要從事汽車整車沖壓件工藝分析及審查，關(guān)鍵外板件的CAE分析；模具結(jié)構(gòu)圖審查、驗(yàn)收及現(xiàn)場調(diào)試等工作。