模具现代制造技术综述

大连理工大学模具研究所 赵丹阳 宋满仓 王敏杰
摘要：对模具现代制造技术中的关键技术（高速铣削、绿色制造、软件技术、快速制模、检测技术等）的现状和发展趋势进行了综述和研究，指出了模具现代制造技术的作用和发展方向。
关键词：模具 现代制造技术 发展趋势
1、前言
当今由于计算机技术、信息技术、自动化技术等在制造技术中的广泛应用，它们与传统的制造技术相结合而形成现代制造技术。现代制造技术主要包括：（1）CAD/CAM技术；（2）精密成形技术；（3）快速原型（RPM）技术；（4）材料热成形过程动态模拟技术；（5）超精密加工技术；（6）数控技术；（7）工业机器人；（8）计算机集成制造（CIMS）技术；（9）分散网络化制造（DNM）技术等。
模具制造技术的迅速发展，已成为现代制造技术的重要组成部分，如模具的CAD/CAM技术、模具的激光快速成形技术、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。
2、高速铣削加工技术
高速铣削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面质量，而且与传统的切削加工相比具有温升低、热变形小，因而适合于温度和热变形敏感材料（如镁合金等）加工；还由于切削力小，可适用于薄壁及刚性差的零件加工；合理选用刀具和切削用量，可实现硬材料加工等一系列优点。目前高速铣削机床又有新的进步，它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方面发展，已成为第三代制模设备。瑞士米克朗的HSM700型高速铣削机床主轴转速100-42000r/min，空程进给速度40m/min，切削进给速度20m/min，可称为敏捷化之最。机床横梁上的滑板及铝合金主轴拖板分别作X、Y、Z方向运动，以减小运动部件的惯量，电机直接驱动结构，低摩擦导轨、高性能、高速HS_plus数控系统，都能保证机床具有很高的加减速性能；向传动电子化方向发展的高频、高效电主轴、传动零件少，同样改善了主轴的加减速特性，还减小了振动和热变形等。
3、绿色制造技术
国外的电加工机床的性能、工艺指标、智能化、自动化程度都已达到了相当高的水平，目前国外的新动向是进行电火花铣削加工技术（电火花创成加工技术）的研究开发。这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工，因此不再需要制造复杂的造型电极，这显然是电火花成型加工领域的重大发展。
1997年5月“全国特种加工机床标准化技术委员会”会同“机械工业部电磁兼容性质量监督检测中心”分别对EDM、快走丝WEDM、慢走丝WEDM等机床的电源端传导骚扰以及静电放电、快速电脉冲群等有关EMC项目进行了检测。电火花加工机床的主要问题是辐射干扰对安全、环境保护（无线电干扰）影响较大。在国际市场越来越重视“绿色”产品的情况下，作为模具加工的主导产品——电火花加工机床的“绿色”产品技术，将是今后必须解决的课题。
4、模具CAD/CAM/CAE软件技术
目前，国内外模具方面最有代表性的CAD/CAM/CAE软件有：
（1）美国EDS公司的三维CAD/CAM软件UG。
（2）美国PTC公司的三维CAD/CAM软件PRO/E。
（3）英国DELCAM公司的三维CAD/CAM软件DUCT。
（4）以色列CIMATRON公司的三维CAD/CAM软件CIMATRON。
（5）美国AC-TECH公司的注射模分析软件C-MOLD。
（6）澳大利亚MOLDFLOW公司注射模分析软件MF。
（7）华中理工大学模具技术国家重点实验室的注射模CAD/CAM/CAE集成系统HSC2.0。
（8）北京航空航天大学华正软件工程研究所的CAD/CAM软件CAXA。
这些软件代表了当前国内外的最高水平，具有新一代模具CAD/CAM/CAE软件的智能化、集成化、模具可制造性评价等特点。
4.1智能化
新一代模具软件建立在从模具设计实践中归纳总结出的大量知识和经验的基础上。这些知识经过系统化和科学化的整理，以特定的形式存储在工程知识库中，并能方便地被模具软件所调用。在智能化软件的支持下，模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富知识和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性。
4.2集成性
新一代模具软件以立体的思想、直观的感觉来设计模具结构，所生成的三维结构信息能方便地用于模具可制造性评价和数控加工，这就要求模具软件在三维参数化特征造型、成形过程模拟、数控加工过程仿真以及信息流的组织与管理方面达到相当完善的程度，并具有较高的集成化水平。衡量软件集成化程度的高低，不仅要看功能模块是否齐全，而且要看这些功能模块是否共用同一数据模型，是否以统一的方式形成全局动态数据库，实现信息的综合管理与共享，以支持模具设计、制造、装配、检验、测试及投产的全过程。
4.3可制造性评价
模具可制造性评价功能在新一代模具软件中的作用十分重要，既要对多方案进行筛选，又要对模具设计过程中的合理性和经济性进行评估，并为模具设计者提供修改依据。在新一代模具软件中，可制造性评价主要包括：模具设计与制造费用的估算、模具可装配性评价、模具零件制造工艺性评价、模具结构及成形性能的评价等。
4.4面向装配
新一代软件还具有面向装配的功能，因为模具的功能只有通过其装配结构才能体现出来。因此，正确的设计次序应先进行装配设计，后完成零件设计。由于在建立装配模型时并无模具零件的设计信息，传统模具CAD系统无法采用这种自顶向下的设计方法。而新一代模具软件可为模具设计人员提供多种途径来建立模具的装配模型。面向装配的设计方法对提高模具的设计效率和质量至关重要。模具设计是一个不断修改和完善的过程，面向装配的设计方法能显著地提高装配模型的再生成能力，这是提高模具设计效率的关键。采用面向装配的设计方法后，模具装配不再是逐个零件的简单拼装，其数据结构既能描述模具的功能，又可定义模具零部件之间相互关系的装配特征，实现零部件的关联，因而能有效地保证模具的质量。
5、先进的快速模具制造技术
近年来，国内外快速制模技术研究取得了较大的进步，其中：清华大学的“多功能激光快速成形系统M-RPMS-MⅡ系统”、西安交通大学的“LPS-600A（光固树脂）激光快速成形与模具”、华中理工大学的“快速成形系统”、北京隆源自动成形系统有限公司的“AFS激光快速自动成形机”、北京大隆技术公司的“AFS300激光成形机”，还有美国3D公司的“SLA-250激光快速成形机”、瑞士的华嘉（香港）有限公司的“FMD8000快速成形机”（熔现时沉积技术）等；其他快速制模技术如：一汽模具制造有限公司的“全新小红旗轿车树脂冲压模”、吉林工业大学的“多点无模成形技术”、瑞士的汽巴精化（香港）有限公司的“树脂制模材料与技术”等等。从目前国内外各种快速模具制造技术可以看出以下特点：
5.1激光快速成形技术（RPM）
世界上已经商业化的快速成形工艺主要有SLA（立体光刻）、LOM（分层实体制造）、SLS（选择性激光烧结）、3D-P（三维印刷）等。清华大学最先引进了美国3D公司的SLA250（立体光刻或称光敏树脂激光固化）设备与技术并进行开发研究，经多次改进和完善，推出了“M-RPMS-M-Ⅱ型多功能快速原型制造系统”（拥有分层实体制造、熔现时挤压成形），这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成形工艺的系统，具有较好的性能价格比，它是基于“模块化技术集成”之概念而设计和制造的，在基础件上只要增加或更换某一功能模块，即可完成相对应的特定工艺。RPM技术应用范围广泛，已逐渐应用于汽车、航空航天、机械、电子、家电、医学、建筑、玩具及工艺品等多个领域，依据三维原型通过陶瓷精铸、电弧喷涂、消失模、熔模等技术快速制造出各种模具。RPM技术在国内已成燎原之势，逐渐受到制造业的欢迎。
5.2无模多点成形技术
无模多点成形技术是用高度可调的凸模群体代替传统模具进行板材曲面成形的又一种先进制造技术，无模多点成形系统以CAD/CAM/CAT技术为主要手段，快速经济地实现三维曲面的自动成形。吉林工业大学承担了有关无模成形的国家重点科技攻关项目，已自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备，解决了多点压机成形法，从而可随意改变变形路径与受力状态，提高了材料的成形极限：利用反复成形技术，消除了材料内部的残余应力，实现了无回弹成形；利用分段成形技术，实现了小设备成形有尺寸的工件。我国这项技术与美国的麻省理工学院、日本东京大学、日本东京工业大学相比，在理论研究和实际应用方面均处领先地位，目前正向推广应用方面发展。
5.3树脂冲压模具
一汽模具制造有限公司设计制造了树脂模具用于全新小红旗轿车的改型试制，这些模具分别是行李箱、发动机罩、前后左右翼子板等大型复杂内外覆盖件的拉伸模具，其主要特点是模具型面以CAD/CAM加工的主模型为基准，采用瑞士的高强度树脂浇注成型，凸、凹模间隙采用进口专用蜡片准确控制，模具的尺寸精度高，制造周期可缩短1/2-2/3。树脂冲压模具技术为我国轿车试制和小批量生产开辟了一条新途径，属国内首创，瑞士有关专家认为可达90年代国际水平。
6、现场化的模具检测技术
以前，精密的三坐标测量机长期以来受环境的限制，很少在生产现场使用。目前，德国、美国、英国、意大利等制造的三坐标测量和扫描仪除了具有：横梁、主轴采和陶瓷材料，使变形小，为高精度测量创造条件；测量及扫描速度高，采用铝合金运动部件及新式测头；三维测量数字化、高效测量型腔曲面等特点外，还具有温度补偿及彩 抗振材料，改善防尘措施，提高环境适应性和使用可靠性，使其能方便地安装在车间使用，以实现测量现场化的特点。
7、结束语
现代制造技术在模具制造业的广泛应用，提高了设计质量，缩短了生产周期，体现了模具制造技术的加快信息驱动、提高制造柔性、向敏捷化、系统化集成制造的发展趋势，同时也推动着整个模具行业的飞速发展。
参考文献
1 李德群，陈兴 模具CAD/CAM系统的开发与应用 电加工 1996，（6）
2 中国模协技术委员 第七届国际模展模具现代制造技术综述 1998

本文引用地址：http://www.worldmetal.cn/steel/show-37499-1.html