論先進制造技術(shù)在模具行業(yè)的運用

楊國強

（廣東省輕工業(yè)技師學院 廣東廣州 510315）

近年來，我國先進的模具制造技術(shù)取得了很大進步，著眼于模具制造技術(shù)的發(fā)展，分析了先進技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用，并展望了其發(fā)展前景。改革開放以來，我國計算機信息技術(shù)和自動化技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。傳統(tǒng)制造技術(shù)再次成為人們關(guān)注的焦點。目前，我國先進制造技術(shù)正在系統(tǒng)化、集成化發(fā)展。此外，對先進模具制造技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。模具是材料成形過程中的重要工藝設(shè)備，所生產(chǎn)產(chǎn)品的價值通常是模具本身價值的數(shù)倍。使用該模具，可以輕松生產(chǎn)出滿足質(zhì)量要求的許多有價值的零件。因此，模具廣泛應(yīng)用于機械、電子、汽車、信息、航空、輕工業(yè)、軍工、交通、建材、醫(yī)藥、生物、能源等行業(yè)。在上述行業(yè)中，大約60%—80%的零部件需要用模具制作生產(chǎn)。因此，模具制造的水平是測量中國制造業(yè)水平的重要標志。而且，金屬成形產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也能為制造業(yè)提供強大的支持。模具產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)周轉(zhuǎn)率約為1:100。中國的模具產(chǎn)業(yè)雖然在后退，但是模具制造技術(shù)正在急速發(fā)展，特別是隨著模具制造技術(shù)的發(fā)展，模具制造業(yè)經(jīng)歷了從制造業(yè)到現(xiàn)代先進技術(shù)制造業(yè)的過程。

一、我國模具制造的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）模具制造業(yè)的基本狀況

作為工業(yè)生產(chǎn)的基本工藝裝置，模具廣泛用于汽車、電力、機械、信息、航空航天、輕工業(yè)產(chǎn)業(yè)、日常必需品以及其他產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，75%的工業(yè)原料和50%的成品是由模具構(gòu)成的產(chǎn)品，80%以上是用模具加工的。模具制造被稱為所有產(chǎn)業(yè)的母親，在相當大的范圍內(nèi)，產(chǎn)品的質(zhì)量和效率、新開發(fā)能力和國內(nèi)制造業(yè)的國際競爭力都是由其決定的。自2005 年以來，中國將建設(shè)擁有模具總產(chǎn)值180 億元以上和300萬套年產(chǎn)量的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。從2000 年到2005 年，中國的模具產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量平均增加了約18%。目前，國內(nèi)模具市場有著龐大的需求和廣泛的前景，對大型、精密、復雜、耐用的模具的需求急劇增加。

改善產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本，最大化模具產(chǎn)業(yè)的適應(yīng)性，模具產(chǎn)業(yè)是全世界經(jīng)濟生存和發(fā)展的道路，現(xiàn)在越來越多的人接受“輕工業(yè)模具化制造的優(yōu)點”的概念。在模具制造行業(yè)，作為促進模具產(chǎn)業(yè)繁榮的方法，廣泛的用途和各種先進的制造技術(shù)的開發(fā)正在進行中。

（二）模具CAD/CAE/CAM 技術(shù)概述

在數(shù)字技術(shù)和三維建模技術(shù)的支持下，CAE 和CAM-CAD集成技術(shù)在我國主要行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前，CAD-CAM技術(shù)廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)板材。DNC 不僅通過模具制造、制造和沖壓實現(xiàn)，還通過NC 程序的技術(shù)支持實現(xiàn)。此外，CAD-CAE-CAM 技術(shù)也應(yīng)用于塑料模具。中國自主開發(fā)的軟件，如CAXA 軟件，被廣泛使用。在新的時代，我國的CAD、CAE、CAM 技術(shù)得到了進一步的發(fā)展：第一，模具CAD 是對傳統(tǒng)設(shè)計計算方法的首次模擬試驗。這是一個基于高級設(shè)計理論、過去的實踐經(jīng)驗和專業(yè)知識的理論，結(jié)果更加合理、科學。第二，在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，將組織、管理和信息交換技術(shù)貫穿于刀具設(shè)計、裝配和檢驗的全過程，以確保三維結(jié)構(gòu)，研究該工具的三維思維和三維參數(shù)特征。此外，它還可以科學地評估模具的可制造性、成本估算、模具的實用性以及零件的制造過程。

（三）模具先進制造技術(shù)的發(fā)展

作為模具空心加工的重要組成部分，高速加工技術(shù)以其加工穩(wěn)定、加工質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點在模具加工中得到廣泛應(yīng)用。首先，這項技術(shù)是有效的。高速銑床的主軸轉(zhuǎn)速通常保持在15000—40000 轉(zhuǎn)速之間，通常高達100000 轉(zhuǎn)速。切削速度可達400m/min，加工效率高。以殼體鑄造工藝為例，傳統(tǒng)銑床和電火花加工所需時間約為60 小時，可由14小時的先進高速刀具完成。隨著國外機床機電技術(shù)的快速發(fā)展，其性能、工程指標和自動化程度均處于世界前列。近年來，隨著電火花加工技術(shù)的不斷發(fā)展，加工過程中的安全防護越來越受到重視。目前，電火花加工技術(shù)存在的問題主要集中在輻射危害上，輻射危害不僅會導致許多安全事故，而且會對環(huán)境造成破壞性影響。因此，國際市場開始關(guān)注綠色產(chǎn)品的研究。以日本公司為例，它不僅響應(yīng)速度快，而且定位精度高，體現(xiàn)了直線伺服電機不易變形的優(yōu)點。采用加工技術(shù)和脈沖功率微加工技術(shù)，提高加工效率。20 世紀中葉和20 世紀下半葉，在美國興起的2.3RPM 快速成形技術(shù)是制造業(yè)的一項新的創(chuàng)新和突破。數(shù)控技術(shù)和機械工程實現(xiàn)了從零件設(shè)計到三維實體造型的發(fā)展。長期以來，RPM 技術(shù)已經(jīng)演變?yōu)榭焖儆|發(fā)技術(shù)，成為國內(nèi)外RPM 領(lǐng)域的研究熱點。在應(yīng)用先進噴嘴技術(shù)的新時期，我國的科技水平有了很大提高。刀具高度加工技術(shù)的應(yīng)用越來越多。目前，超聲波加工精度為0.01-0.02mm 與刀具制造技術(shù)相比，粗糙度大大降低。在充模、線切割、銑削等方面取得了良好的應(yīng)用效果。目前，我國汽車、發(fā)動機等產(chǎn)品的輕量化設(shè)計程度不斷提高，壓鑄模具所占比例不斷增加。同時，它也對客戶的生活和質(zhì)量提出了更高的要求。此外，隨著現(xiàn)代成形技術(shù)的發(fā)展，氣輔模具得到了廣泛的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于精密腔體的冷卻，它具有良好的剛度和高強度。結(jié)合熱流道支撐技術(shù)，可大大提高零件質(zhì)量和生產(chǎn)效率。減少對原材料的依賴，降低生產(chǎn)成本。目前，中國模具公司的熱流利用率超過85%。

（四）模具的綠色技術(shù)

目前，綠色模具技術(shù)主要有兩種形式。首先，快速原型制造技術(shù)是集計算機、激光、數(shù)控和精密傳動于一體的最先進制造技術(shù)，根據(jù)產(chǎn)品的CAD 數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)加工工藝中材料“淘汰”的原則，破壞“層壓”材料層，可以快速生產(chǎn)出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品，加快新產(chǎn)品的開發(fā)。新模具和原型的快速開發(fā)可以縮短、改變新模具和產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低在現(xiàn)代模具制造下新產(chǎn)品快速進入市場的風險。。第二，虛擬制造技術(shù)，虛擬制造技術(shù)是對產(chǎn)品設(shè)計、加工、裝配、生產(chǎn)組織、管理和調(diào)度等制造過程中的所有連接進行建模，形成虛擬制造環(huán)境。在專用虛擬軟件技術(shù)和高性能硬件的支持下，在虛擬制造環(huán)境中生成數(shù)字產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、性能分析、工藝決策、裝配制造和質(zhì)量測試。為了縮短模塑產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，降低模塑件的開發(fā)成本，它可以快速響應(yīng)市場的變化。

二、先進制造技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

（一）高速數(shù)控切削

基于高速數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)，自動編程數(shù)控車銑主軸：高速數(shù)控切削主軸的速度通常是普通數(shù)控切削主軸的1.1 倍。高速數(shù)控切削的另一個特點是高速進給，在不改變切削力的情況下提高了切削速度。通過提高進給速度和在正常切削平面上的速度，可以縮短切削時間。高速主軸是高速數(shù)控切割的主要條件，高速主軸具有以下梯度：

靜壓軸承高速電主軸的旋轉(zhuǎn)精度小于0.2mm，轉(zhuǎn)速為100000rpm，高速電主軸也可以與靜電軸承一起使用，主軸旋轉(zhuǎn)精度小于50nm，轉(zhuǎn)速可達20000 轉(zhuǎn)。

（二）高速數(shù)控刀具的結(jié)構(gòu)特性

高速進給驅(qū)動系統(tǒng)，即大型直升機螺桿、高速伺服電機和直線電機，直線導軌的進給精度可達行程60-120m/min；開發(fā)了三軸、四軸和五軸高速數(shù)控刀具，以控制運動部件的輕量化和伺服進給。復合表面加工工具系統(tǒng)包括涂層、超硬合金、未涂層金屬陶瓷、氧化鋁和氧化硅基陶瓷、聚晶金剛石，立方氮化硼和多晶硅刀架結(jié)構(gòu)適用于高幾何精度的高速數(shù)控加工。在反復高速運轉(zhuǎn)的過程中，模具的安裝要求精度高、夾緊剛度高、可靠性好。

（三）高速數(shù)控磨削

數(shù)控高速磨床的結(jié)構(gòu)具有動態(tài)精度高、抗震性好、穩(wěn)定性好、自動化程度高、可靠性高等特點。需要幾種銑削功能的組合，數(shù)控高速砂輪機械強度高，對速度、精度和綜合可靠性要求高。黏合劑必須具有高附著力和耐磨性，以減少對砂輪的磨損，基于CAD/CAM 的數(shù)控自動編程，該方法快速、準確、直觀、易于使用和測試。

（四）模具制造的發(fā)展要面向先進制造的特種加工技術(shù)

特殊加工技術(shù)的最先進技術(shù)是材料技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)等傳統(tǒng)特殊加工技術(shù)的緊密結(jié)合?；诤唵喂ぞ叩碾A段制作的想法，使用特殊的加工除去技術(shù)實現(xiàn)三維成形，包括NC-EDM 技術(shù)、NC 放電加工技術(shù)、NC 超聲波加工技術(shù)。電化學加工、超聲波加工一般的工序是使用模具復制原理將工具的模具復制到工作中。為了精確獲得矩陣的三維形狀，必須匹配凸矩陣和凹矩陣的形狀，并嚴格控制加工間隙中工作流體的分布。為了降低復雜模具的制造成本和時間，簡化加工液的流動控制，可以通過NC 工具的運動成型來加工復雜的三維形狀，這個問題必須解決。

為了實現(xiàn)過程建模，明確材料處理和工具損耗的法則，以實現(xiàn)機械加工的穩(wěn)定控制，對應(yīng)的CAD-CAM 軟件正在開發(fā)中。為了有效地簡化該問題的復雜性，使用與級聯(lián)處理相同的級聯(lián)處理，嚴格控制各層的加工方式，使其能夠加工工具的底面，而且復雜的三維模態(tài)表面處理不被認為是一系列的層處理問題。

三、三維空腔反射鏡放電加工機的精密集成成型技術(shù)

在腐蝕中，成形品需要微放電能量和加工間隙，因此，加工面積大的情況下，在動作電極和電極之間形成大的寄生電容，容易產(chǎn)生集中放電，影響表面加工品質(zhì)，并且混合物會在被加工物表面形成高硬度涂層，提高模具腔表面的硬度和耐磨耗性，實現(xiàn)三維腔和鏡面腐蝕的一體化。

基于RP 的特殊處理技術(shù)的特殊處理技術(shù)和組合技術(shù)，拉皮德斯原型技術(shù)是制造模具的有效方法，將模具制造轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩⒌纳a(chǎn)理念。未來的模具制造系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合材料生長、制造原理和加工技術(shù)，實現(xiàn)高速模具制造和特殊材料（功能材料等）的生產(chǎn)，它使人們能夠根據(jù)機械和電磁特性長期設(shè)計和制造新材料零件。我們需要研究原型的復合加工技術(shù)和特殊成型方法，如電成型、電弧束、等離子噴射成型、鑄造、精密鑄造和電火花加工，為金屬模具的快速生產(chǎn)提供一種特殊的組件材料和新工藝。

四、模具及制造技術(shù)發(fā)展趨勢

模具也被開發(fā)成多功能復合材料，多工位連續(xù)壓力機和多功能符合產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)是我國精密模具的主要類型。大型型材的發(fā)展趨勢是為了開發(fā)原始的模擬實驗室，必須改進工具的尺寸和生產(chǎn)效率。提高刀具精度，十年前，精密工具一般為5米；現(xiàn)在已達到1—3 米，工具得到快速發(fā)展。

隨著輕工業(yè)制造、發(fā)動機等輕量化建筑產(chǎn)品的發(fā)展，壓鑄模具所占比例越來越大。同時，由于鑄造工作的復雜性和使用壽命，對其提出了更高的要求，快速經(jīng)濟形式的前景非常廣闊。

21 世紀是一個多樣化的大量生產(chǎn)時代。這種生產(chǎn)形式占工業(yè)生產(chǎn)的75%以上。另一方面，產(chǎn)品的使用壽命縮短，樣式變化的情況也多，需要縮短模具的制造周期。因此，模具的快速發(fā)展越來越引人注目，輔助模具越來越被使用。

隨著塑料成型過程的不斷改良和開發(fā)，出現(xiàn)了適合高壓注塑的氣體輔助模具，可以精確控制模具溫度，鑄鋼性能非常嚴格。

使用熱流道技術(shù)可以提高零件性能，并逐漸增加熱流道的比例。因此，明膠的應(yīng)用技術(shù)迅速發(fā)展起來。許多塑料模具廠生產(chǎn)的塑料模具中有一半以上采用熱流道技術(shù)，部分廠商的利用率達到80%以上，在中國制作熱流通道頻道方向，一部分企業(yè)的利用率是20%—30%。

結(jié)語

隨著模具制造技術(shù)的不斷進步，模具制造領(lǐng)域的數(shù)字化、集成化和自動化已成為必然。從加工技術(shù)標準化和創(chuàng)新，到旅游和加工廠的改進和創(chuàng)新，自動化技術(shù)覆蓋生產(chǎn)和生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地提高質(zhì)量，降低成本，形成一套完整的自動化系統(tǒng)。建立標準化、集成化的制造理論和一系列強大、高效、優(yōu)質(zhì)的制造企業(yè)。展望未來，各種進步和新興科技發(fā)展應(yīng)用于輕工業(yè)行業(yè)，以及中國制造業(yè)的先進趨勢、新理論和新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化和智能化逐漸與自動化技術(shù)相結(jié)合，以平衡兩者的優(yōu)勢，先進制造技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。先進的自動控制系統(tǒng)可以取代先進制造技術(shù)的功能?？梢哉f，制造業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上決定了制造業(yè)的技術(shù)水平。工具制造技術(shù)多種多樣，最先進的制造技術(shù)可以應(yīng)用于模具制造，這里不可能一概而論。由于設(shè)備和技術(shù)成本較高，所有模具企業(yè)盡快采用高速數(shù)控加工技術(shù)是不現(xiàn)實的，對于某些類型的企業(yè)來說，適當使用相對廉價的特殊加工技術(shù)進行快速制造是值得的。