淺談現(xiàn)代模具的設(shè)計(jì)與制造

隨著人們對生活用品的美觀度及功能要求越來越高，特別是塑料制件，現(xiàn)代模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，模具結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。自由曲面所占比例不斷增加，因而模具設(shè)計(jì)與制造應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的形狀、尺寸與精度、質(zhì)量等技術(shù)要求與生產(chǎn)批量來設(shè)計(jì)并進(jìn)行制造。因此，研究模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、制造過程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及生產(chǎn)過程的技術(shù)管理使之形成規(guī)范，對提高模具生產(chǎn)技術(shù)與管理水平至為重要。

一、模具設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展歷史

上世紀(jì)30年代以前，一般采用簡單工具與設(shè)備，形成以手工制造模具的生產(chǎn)方式，也只能制造簡單模具，其制造精度與質(zhì)量完全取決于工人技藝和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。上世紀(jì)30～70年代后期，是模具工業(yè)化生產(chǎn)方式的發(fā)展過程。其主要成就與特征有:廣泛采用銑削、成形磨削工藝，并實(shí)現(xiàn)帶精密孔距的圓孔與型孔加工的精密坐標(biāo)磨削工藝技術(shù);電火花成形加工和NC電火花線切割加工工藝的廣泛應(yīng)用，為高硬材料的型件提供了關(guān)鍵加工技術(shù);實(shí)現(xiàn)了模具型件的專業(yè)化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。隨著模具標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，在生產(chǎn)中全面采用標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，不僅是模具工業(yè)化生產(chǎn)方式的重大成就和特征，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化模具生產(chǎn)方式的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著計(jì)算機(jī)和機(jī)床工業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，1980年以來模具CAD/CAM、CAD/CAM/CAE已成為廣泛的應(yīng)用技術(shù)，它們與標(biāo)準(zhǔn)化相配合實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)與制造的信息化、數(shù)字化的模具生產(chǎn)方式。

二、模具的設(shè)計(jì)與制造過程

研究表明，模具的使用壽命與熱處理、選材、結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工工藝、滑潤、設(shè)計(jì)水平等諸多因素有關(guān)。根據(jù)對大量失效模具的分析統(tǒng)計(jì)，在引起模具失效的各種因素中，熱處理不當(dāng)約占45%，選材和模具結(jié)構(gòu)不合理約占25%，工藝問題約占10%，滑潤和設(shè)備問題因素約占20%。因此，在模具設(shè)計(jì)和制造過程中，選材、模具結(jié)構(gòu)、熱處理工藝、加工工藝和改善模具的工作條件都能夠提高模具的質(zhì)量和使用壽命。

1.合理選用模具材料

選用模具材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)批量、工藝方法進(jìn)行選擇。在批量生產(chǎn)中，應(yīng)選用耐用的模具材料，如硬質(zhì)合金，高強(qiáng)韌、高耐磨模具鋼;小批量或新產(chǎn)品試制可采用鋅合金、鉍錫合金等模具材料;易變形、易斷裂失效的通用模具，需要選用高強(qiáng)度、高韌性的材料;熱鍛模要選用具有良好的韌性、強(qiáng)度、耐模性和抗冷熱疲勞性能的材料;壓鑄模要采用熱疲勞抗力高、高溫強(qiáng)度大的合金鋼;塑料模具則應(yīng)選擇易切削、組織致密、拋光性能好的材料。此外，在設(shè)計(jì)凸凹模時(shí)，選用不同硬度或不同材料的模具相搭配，模具使用壽命可提高5～6倍。

2.合理的模具結(jié)構(gòu)

模具設(shè)計(jì)的原則是保證足夠的強(qiáng)度、剛度、同心度、對中性和合理的沖裁間隙，并減少應(yīng)力集中，以保證由模具生產(chǎn)出來零件符合設(shè)計(jì)要求。因此，對模具的主要工作零件要求導(dǎo)向精度高、同心度和中性好及沖裁的間隙合理。

在模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮:凸模應(yīng)注意導(dǎo)向支撐和對中保護(hù)，特別是設(shè)計(jì)小孔凸模時(shí)采用自身導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可延長模具壽命;對夾角、窄槽等薄弱部位，為了減少應(yīng)力集中，要以圓弧過渡，圓弧半徑R可取3～5 mm;對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凹模采用鑲拼結(jié)構(gòu)，也可減少應(yīng)力集中;合理增大間隙，改善凸模工作部分的受力狀態(tài)，使沖裁力、卸件力和推件力下降，凸、凹模刃口磨損減少。

3.模具的熱處理工藝

從模具失效分析得知，45%的模具失效是由于熱處理不當(dāng)造成的。磨損、粘結(jié)均發(fā)生在表面，疲勞、斷裂也往往從表面開始，因此對模具表面的加工質(zhì)量要求非常高。但實(shí)際上由于加工痕跡的存在，熱處理時(shí)表面氧化脫碳在所難免，模具的表面性能反而比基體差。采用熱處理新技術(shù)是提高模具性能的有效措施。模具熱處理工藝包括基體強(qiáng)韌化和表面強(qiáng)化處理:基體的強(qiáng)韌化在于提高基體的強(qiáng)度和韌度，減少斷裂和變形;表面強(qiáng)化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。

4.模具的整體強(qiáng)韌化工藝

模具既要有優(yōu)良的整體強(qiáng)韌化性能，又要具有優(yōu)異的型腔表面性能，才能提高模具使用壽命。為此，出現(xiàn)了在對模具整體強(qiáng)韌化的基礎(chǔ)上再進(jìn)行表面強(qiáng)化的各種處理工藝;對普通冷作模具鋼采用低溫淬火與低溫回火處理，可達(dá)到增加韌性、減少脆性和折斷的良好效果;對熱作模具鋼采用高溫淬火與高溫回火處理，可顯著提高熱作模具鋼的強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性。例如，對于3Cr2W8V材料制成的壓鑄模，采用400～500℃及800～850℃的兩次預(yù)先正火，而后進(jìn)行高溫淬火、回火處理，可提高韌性40%，模具壽命可提高一倍。

除此之外，還可采用形變熱處理，形變熱處理是把鋼的強(qiáng)化與相變強(qiáng)化結(jié)合起來的一種強(qiáng)韌化工藝。形變熱處理的強(qiáng)韌化本質(zhì)在于獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，細(xì)化馬氏體，增加馬氏體中的位錯(cuò)密度，并形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)碳化物的彌散硬化作用。

5.模具的表面強(qiáng)化熱處理

模具表面強(qiáng)化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強(qiáng)化法、離子注入法等離子噴涂法等。

6.模具的機(jī)械加工工藝

模具的機(jī)械加工工藝直接影響模具的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量。由于模具形狀多種多樣而且精度要求高，因此在加工過程中除了使用普通機(jī)械加工設(shè)備外，還需一些電火花加工機(jī)床、電火花線切割機(jī)床和精密磨床等。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工藝要求特殊的模具，新型加工方法——模具特種加工(電加工)得到了快速發(fā)展。這種方法不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工過程中施加機(jī)械力，而是直接利用電能、化學(xué)能、光能和聲能對工件進(jìn)行加工，以達(dá)到形狀尺寸和表面粗糙度的要求。實(shí)踐證明，采用正確的加工工藝，能使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍，模具使用壽命提高50%，這一點(diǎn)對塑料模具尤為重要。

三、模具設(shè)計(jì)與制造的前景

模具CAM/CAPPE/CAPPC系統(tǒng)，是現(xiàn)代模具制造的主要方式，是模具CAD/CAE/CAM數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的重要組成部分，使工程技術(shù)人員借助于計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)，能顯著縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

采用計(jì)算機(jī)輔助制訂模具的制造工藝過程(CAPP)，進(jìn)行分析(CAPPE)，使之優(yōu)化。同時(shí)，對質(zhì)量、工時(shí)和費(fèi)用進(jìn)行控制(CAPPC)，形成模具CAM/CAPPE/CAPPC數(shù)字化制造技術(shù)系統(tǒng)。

上述論述表明，我們應(yīng)注重研究現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，即信息化、數(shù)字化制造技術(shù)的內(nèi)容:模具制造工藝過程設(shè)計(jì)、模具型件制造工藝過程及其成形加工工藝;模具標(biāo)準(zhǔn)零、部件和通用輔助機(jī)構(gòu)的配購與制造;模具裝配及工藝;模具制造工藝過程控制與管理。

(作者單位:廣東省工商技工學(xué)校)