模具现代制造技术

应用技术研究作者简介：李晓平女机械工程系讲师1模具现代制造技术李晓平【文章摘要】该文分析了我国模具制造技术与国外的差距、模具现代制造技术的发展方向，集中介绍了模具现代制造技术中的核心技术：模具CAD/CAM、快速模具制造RT。对模具CAD/CAM、快速模具制造RT发展趋势进行了展望。【关键词】模具现代制造技术模具CAD/CAM快速模具制造RT在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业，许多新产品的开发和生产，在很大程度上依赖于模具制造技术，特别是在汽车、轻工、电子和航天等行业中尤显重要。模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低，已经成为衡量一个国家机械制造技术水平的重要标志之一，直接影响着国民经济中许多部门的发展。模具是现代制造技术的重要装备，其水平标志着一个国家或企业的制造水平和生产能力。今后一段时期内，我国五大支柱产业的产品质量、批量化成本和包括产业更新在内的技术进步的关键是模具。现在全球模具总产值早已超过传统机械工业——机床与工具类产值的总和。一、我国模具制造技术与国外的差距目前国内与国外的模具规模及水平都存在着较大差距，其精度、寿命、复杂程度、生产周期等有代表性的指标要差一至数倍，全国1700多个模具生产单位中，能列出具代表性产品的不足10%。二○○五年全球模具市场贸易额约700亿美元，国内模具产值也可达290亿元(约合35亿美元)，但国内需求约占世界模具总量的7%，这将制约加入世贸后我国制造业在市场上的竞争能力。二、模具现代制造技术（一）模具现代制造技术的发展方向模具制造技术迅速发展，已成为现代制造技术的重要组成部分。如模具的CAD/CAM技术，模具的激光快速成型技术，模具的精密成形技术，模具的超精密加工技术，模具在设计中采用有限元法、边界元法进行流动、冷却、传热过程的动态模拟技术，模具的CIMS技术，已在开发的模具DNM技术以及数控技术等，几乎覆盖了所有现代制造技术。现代模具制造技术朝着加快信息驱动、提高制造柔性、敏捷化制造及系统化集成的方向发展。现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术，正向如下的方向发展：1、高精度。现代模具的精度要求比传统的模具精度至少要高一个数量级。2、长寿命。现代模具的寿命比传统模具的寿命要高出5～10倍。如现代模具一般均可达到500万次以上，最高可达6亿次之多。3、高生产率。由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和层叠注塑模等先进模具，可以极大地提高生产率，从而带来显著的经济效益。如用四工位的注塑模生产塑料汽水瓶，每小时可生产8000件以上。4、结构复杂。随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料、新工艺的广泛应用，对现代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。若采用传统的模具制造方法，不仅成本高、生产率低，而且很难保证模具的质量要求。（二）模具现代制造技术中的核心技术：CAD/CAM、RT1、模具CAD/CAM应用技术研究2模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。采用单独的CAD和CAM技术设计生产模具，就其整个生产过程来看，与传统模具设计生产过程没有什么本质变化，仍然分成两个环节—设计与制造，且二者之间有着明显的分界，图纸是它们之间传递信息的最重要的手段。模具CAD/CAM则是把CAD和CAM紧密地联系起来，实现设计制造一体化，其实质是设计与制造的综合计算机化。在CAD/CAM系统中，产品的几何模型是关于产品的最基本核心数据，并作为整个设计、计算、分析过程中最原始的数据。其结果可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的各有关方面，从而实现设计制造的一体化。这时，图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造过程的唯一依据，在系统中传递的是整个设计、计算、分析后所获得的大量信息。目前，模具CAD/CAM技术仍然是在不断发展中的技术，其发展的最高阶段是计算机集成制造系统（CIMS），其目标是模具制造的全盘自动化，这就要求有较长时间的研究开发和巨额的资金投入。人们相信，随着CAD/CAM技术的不断发展和完善，必将在机械制造业中发挥巨大的作用，为社会带来不可估量的经济效益。2、快速模具制造RT快速模具制造是快速原型RP在模具制造行业中的成功应用。模具CAD/CAM技术与模具RT技术的流程对比如图所示。模具CAD/CAM与RT流程对比图通过对比可以清楚地看出，模具RT比CAD/CAM的工艺流程减少了多个中间环节，因而可以大大地缩短模具的设计制造周期，提高劳动生产率。把精密铸造、中间软模过渡法以及电火花加工、金属喷涂、研磨等先进模具制造技术与RP结合起来，就可以快速地制造出各种简易模具和钢（铁）模具来。与CNC加工方法相比，RT可使模具的制造成本和制造周期减少到1/3～1/10,整个费用降低为1/3～1/5,经济效益相当显著。尤其对形状特别复杂的中小型模具来说，其优越性更为突出。目前，快速模具RT主要应用于注塑模、冲压模、铸模等方面，其制造工艺方法主要有RP间接制模和在RP系统上直接制模两种，有三种典型的工艺路线。其一是单件小批量的产品制造，它利用RP快速原型技术和真空注塑技术，直接制造树脂模具；其二是中等批量的零件的制造，其工艺方案是利用RP快速原型，采用快速喷涂技术制造金属冷喷模（即在模具表面喷涂一层金属薄壳，基体仍为塑料），这种模具可用于3000件以下的注塑件的生产；其三是大批量生产类型，工艺路线是先利用RP制造石墨电极，再通过电火花加工钢模，它适用于万件以上的大批量生产。RP是80年代才发展起来的高新制造技术，快速模具制造（RT）技术是应用这一技术改造传统模具技术的成功范例。由于RT显著的经济效益，近年来工业界对RT的研究投入了大量的人力和资金，应用技术研究3迄今为止全球已有300多家RT服务机构，因而促进了这一技术的快速发展和应用。3、CAD/CAM、RT发展趋势现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于模具标准化程度、优质模具材料的研究、先进的设计与制造技术、专用的机床设备及生产技术管理等。其中CAD/CAM技术在模具生产中的应用，无疑占有很重要的地位，它被认为是现代模具技术的核心和重要的发展方向。（1）集成化技术。现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，更应该强调技术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。（2）智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期各个环节的智能化，实现生产过程各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。（3）网络技术的应用。网络技术包括硬件与软件的集成实现。各种通讯协议及制造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。目前早已出现了通过实现跨国界模具设计的成功例子。网络技术的应用为我区模具企业实现敏捷制造和动态联明奠定了技术基础。（4）多学科多功能综合产品设计技术。未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识，还用到电磁学、光学、控制理论等，甚至要考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等各方面的因素。产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。（5）虚拟现实与多媒体技术的应用。虚拟现实是人造的计算机环境，人处在这种环境中有身临其境的感觉，并强调人的介入与操作。VR技术在21世纪整个制造中都将有广泛的应用，可以用于培训、制造系统仿真，实现基于制造仿真的设计与制造、集成设计与制造、实现集成人的设计等。美国已于1999年借助于VR技术成功地修复了哈博太空望远镜。多媒体技术采用多种介质来存储、表达处理多种信息，融文字、语音、图像于一体，给人一种真实感。（6）反求技术的应用。常规的模具设计通常以产品的已有设计信息为依据。这些设计信息通过工程图或一些模型来表达，然后制定出加工工艺规划，最终通过工装/模具和设备制造出产品。但在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是起源于另外一些产品或实物，要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图样的条件下进行模具设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量，然后利用测量数据进行实物的CAD几何模型的重新构造。这种过程就是反求工程RE。一旦建立了CAD几何模型后，就可以依据这种数字化的几何模型用于后续的许多操作，如实物CAD模型的修改、零件的重新设计、有限元分析、误差分析、数据（NC）加工指令生成以及模具的设计和制造等。（7）快速成形技术。快速成形制造技术RPM基于层制造原理，迅速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度无关，尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配检验、功能实验，而且还可以通过形状复制，快速经济地制造出产品模具，从而避免了传统模具制造的费时和耗成本的NC加工，因而RPM技术在模具制造中发挥着重要的作用。