加工與模具的共同發(fā)展相輔相成
2011/10/28 9:23:01
隨模具向精密化和大型化方向發(fā)展，超精密加工、微細(xì)加工和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)於一體的復(fù)合加工將得到發(fā)展。目前超精密加工已穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)，納米精度的超精密加工技術(shù)也被應(yīng)用到生產(chǎn)。電加工、電化學(xué)加工、束流加工等多種加工技術(shù)，已成為微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分，國外更有用波長(zhǎng)僅0.5納米的輻射波制造出的納米級(jí)塑料模具。在一臺(tái)機(jī)床上使激光銑削和高速銑削相結(jié)合，已使模具加工技術(shù)得到新發(fā)展。
模具熱處理和表面處理，是能否充分發(fā)揮模具材料性能的關(guān)鍵。真空熱處理、深冷處理、包括PVD和CVD技術(shù)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(shù)、類鉆石薄膜覆蓋技術(shù)、高耐磨高精度處理技術(shù)、不沾粘表面處理等技術(shù)已在模具制造中應(yīng)用，并呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。模具表面激光熱處理、焊接、強(qiáng)化和修復(fù)等技術(shù)及其他模具表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)，也將受到進(jìn)一步重視。
模具的研磨拋光目前仍以手工為主，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定。中國已引進(jìn)了可實(shí)現(xiàn)三維曲面模具自動(dòng)研拋的數(shù)控研磨機(jī)，自行研究的仿人智能自動(dòng)拋光技術(shù)已有一定成果，但目前的應(yīng)用很少，預(yù)計(jì)會(huì)得到發(fā)展。今後應(yīng)繼續(xù)注意發(fā)展特種研磨與拋光技術(shù)，如擠壓珩磨、激光珩磨和研拋、電火花拋光、電化學(xué)拋光、超聲波拋光以及復(fù)合拋光技術(shù)與工藝裝備。
模具造技術(shù)包括設(shè)計(jì)和加工，本文從這兩方面分析中國模具業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。文章首先指出CAD/CAE、CAPP和KBE為模具設(shè)計(jì)技術(shù)的主要趨勢(shì)；接探討模具加工技術(shù)的發(fā)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(shù)的前景。
從技術(shù)角度來看，模具制造（包括設(shè)計(jì)和加工）技術(shù)大致可分為五個(gè)發(fā)展階段：手工操作階段、手工操作加機(jī)械化（普通通用機(jī)床與工具）階段、數(shù)字控制階段、計(jì)算機(jī)化階段和CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段。
中國幅員遼闊，模具制造企業(yè)眾多，技術(shù)發(fā)展水平參差不齊，各個(gè)階段同時(shí)并存，但目前主要以數(shù)字控制階段為主，有些骨干重點(diǎn)企業(yè)已發(fā)展到計(jì)算機(jī)化階段。但同時(shí)還有不少企業(yè)仍停留在手工操作加機(jī)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段初露端倪。就大多數(shù)模具制造企業(yè)而言，今後的發(fā)展方向應(yīng)以提高數(shù)控化和計(jì)算機(jī)化水平為主，積極采用高新技術(shù)，逐步走向CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化。模具無紙化制造將逐漸替代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工。
模具設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來依靠人的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械制圖來完成。自從二十世紀(jì)八十年代中國發(fā)展模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)以來，這項(xiàng)技術(shù)已獲得認(rèn)可，并且得到來快的發(fā)展。九十年代開始發(fā)展的模具計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）技術(shù)，現(xiàn)在也為許多企業(yè)應(yīng)用，它對(duì)縮短模具制造周期及提高模具質(zhì)量有顯著的作用。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具企業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)，已從二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)已達(dá)70%以上。中國大部分企業(yè)還停留在二維設(shè)計(jì)的水平上，能進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的企業(yè)還不到20%。CAE軟件在國外應(yīng)用已較普遍，國內(nèi)應(yīng)用還比較少，用於預(yù)測(cè)零件成形過程中可能發(fā)生缺陷的水平還比較低。
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(dǎo)和冷卻過程的分析、凝固及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等。計(jì)算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切應(yīng)變速率場(chǎng)和剪切應(yīng)力場(chǎng)的分布并分析其結(jié)果，是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的。這一模擬技術(shù)已從中面流技術(shù)發(fā)展到雙面流技術(shù)，不久即可發(fā)展到既正確又快速的實(shí)體流技術(shù)，產(chǎn)生滿足塑料件虛擬制造要求的三維注塑流動(dòng)模擬軟件；
提高設(shè)計(jì)和分析軟件的快速性、智能化和集成化水平，并強(qiáng)化它們的功能，以適應(yīng)模具的不斷發(fā)展。
除了模具CAD/CAE技術(shù)之外，模具工藝設(shè)計(jì)也非常重要。計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）技術(shù)已開始在中國模具企業(yè)中應(yīng)用。由於大部分模具都是單件生產(chǎn)，其工藝規(guī)程有別於批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此應(yīng)用CAPP技術(shù)難度較大，也難以有適合各類模具和不同模具企業(yè)的CAPP軟件。為了較好地應(yīng)用CAPP技術(shù)，模具企業(yè)必須做好開發(fā)和研究。雖然CAPP技術(shù)應(yīng)用和推廣的難度比CAD和CAE為高，但也必須重視這一發(fā)展方向。
基於知識(shí)的工程（KBE）技術(shù)是面向現(xiàn)代設(shè)計(jì)決策自動(dòng)化的重要工具，已成為促進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化的重要途徑，近年來受到重視，將對(duì)模具的智能、優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要的影響。
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(shù)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(xué)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(fù)合加工等。數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使它們?cè)谠S多模具加工方法中得到來廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)產(chǎn)品品種多樣化及個(gè)性化日益明顯，產(chǎn)品更新?lián)Q代來快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來激烈的情況下，用戶要求模具制造交貨期短、精度高、質(zhì)量好、價(jià)格低，帶動(dòng)模具加工技術(shù)向以下幾方面發(fā)展。
近年來中國模具制造業(yè)一些骨干重點(diǎn)企業(yè)，先後引進(jìn)高速銑床和高速加工中心，它們已在模具加工中發(fā)揮了很好的作用。當(dāng)前國外高速加工機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速已超過100000r/min，快速進(jìn)給速度可達(dá)120m/min，加速度可達(dá)1-2g，換刀時(shí)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(zhàn)。隨主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床結(jié)構(gòu)及其所配置的系統(tǒng)及關(guān)鍵部件和零配件、刀具等都必須配合，令機(jī)床造價(jià)大為提高。中國進(jìn)口的高速加工機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速在短期內(nèi)仍將以10000-20000r/min為主，少數(shù)會(huì)達(dá)到40000r/min左右。雖然向更高轉(zhuǎn)速發(fā)展是必然方向，但目前最主要的還是推廣應(yīng)用。
高速加工是切削加工工藝的革命性變革，從技術(shù)發(fā)展角度看，高速銑削正與超精密加工、硬切削加工相結(jié)合，開辟了以銑代磨的領(lǐng)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(yè)的應(yīng)用將會(huì)來多。并聯(lián)機(jī)床，又稱虛擬軸機(jī)床，和3D激光6軸銑床的誕生，及開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用更為高速加工增添光彩。
電火花加工（EDM）雖然已受到高速銑削的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但是EDM技術(shù)的一些固有特性和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是高速銑削所不能完全替代，例如模具的復(fù)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。復(fù)雜、精密小型腔及微細(xì)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(yīng)用的重點(diǎn)。為了在模具加工中進(jìn)一步發(fā)揮其獨(dú)特的作用，以下是EDM今後的發(fā)展方向：
模具未來的最大競(jìng)爭(zhēng)因素，是如何快速地制造出用戶所需的模具。RPM技術(shù)可直接或間接用於RT。金屬模具快速制造技術(shù)的目標(biāo)，是直接制造可用於工業(yè)化生產(chǎn)的高精度耐久金屬硬模。間接法制模的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)短流程工藝、減少精度損失、低成本的層積和表面光整技術(shù)的集成。RPM技術(shù)與RT技術(shù)的結(jié)合，將是傳統(tǒng)快速制模技術(shù)（如中低熔點(diǎn)合金鑄造、噴涂、電鑄、精鑄、層、橡膠澆固等）進(jìn)一步發(fā)展的方向。RPM技術(shù)與陶瓷型精密鑄造相結(jié)合，為模具型腔精鑄成形提供了新途徑。應(yīng)用RPM/RT技術(shù)，從模具的概念設(shè)計(jì)到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時(shí)間的1/3和成本的1/4左右，具有廣闊的發(fā)展前景。要進(jìn)一步提高RT技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要開發(fā)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)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。
隨模具向精密化和大型化方向發(fā)展，超精密加工、微細(xì)加工和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)於一體的復(fù)合加工將得到發(fā)展。目前超精密加工已穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)，納米精度的超精密加工技術(shù)也被應(yīng)用到生產(chǎn)。電加工、電化學(xué)加工、束流加工等多種加工技術(shù)，已成為微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分，國外更有用波長(zhǎng)僅0.5納米的輻射波制造出的納米級(jí)塑料模具。在一臺(tái)機(jī)床上使激光銑削和高速銑削相結(jié)合，已使模具加工技術(shù)得到新發(fā)展。
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