淺論現代數控加工技術對模具制造的促進作用

李永

摘 要：數控加工技術的發展對模具制造業的發展產生了深刻的影響。文章通過分析現代模具制造的要求及特點、數控機床的加工特點、數控加工技術在我國制造業的地位及作用和模具與數控加工技術的關系等內容。從而得出數控加工技術對模具制造具有很大的促進作用。在現代模具制造企業中，數控機床得到了廣泛的使用，也為模具制造提高了效率、精度和復雜性等。數控加工技術為模具制造向高精密、壽命長、復雜和大型等方向發展提供了有力的推動和促進作用，得到了模具制造企業的廣泛使用。

關鍵詞：數控加工；模具制造；加工精度；加工效率

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0017-02

模具是現代制造業中的一種成型多種材料的一種成型加工工具。其在現代制造業中使用率是非常高的。據不完全統計塑料產品的成型95%以上要使用塑料模具；汽車上的零件部件有90%依靠模具來成形。可見模具的制造對于工業生是多么的重要。數控加工是利用數控機床來替代工人的操作進行零件加工的一種加工工藝。它適合品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等零件的加工。因其比傳統加工技術具有不可替代的優勢為模具制造提高了生產的效率、精度和復雜性。因此數控加工在現代精密模具企業中已得到了廣泛的使用。

1 模具制造的要求及特點

模具是用來使各種材料成型為我們所需形狀的產品的一種工具。模具的種類很多，例如成型塑料的模具有注塑模具、吹塑模具、壓塑模具等等；成型鈑金的有沖壓五金模具；成型實體零件的有鍛造模具和鑄造模具等。因其制造要求高，所以它集中了機械加工的精髓，除了傳統加工方法，還應用了最先進的加工技術，例如數控加工、電加工、化學加工和激光加工等等。主要的目的都是為了滿足模具制造的要求和特點。

1.1 加工精度要求高

模具成型后要容易脫模，產品的表面要光潔度高，所以模具零件的表面光潔度要求高一般要小于0.8 um，核心部分要小于0.4 um。尺寸精度和形位精度要比產品精度高兩個等級以上，一般公差的要求在±0.01 mm內。裝配要求也高，例如塑料允許模具飛邊的間隙值很小，PE或PA的允許值為0.02 mm，所以裝配的間隙必須小于這個值。

1.2 模具材料性能要求高

因模具都是反復在沖擊力的作用下使用的，又要求具有長壽命，所以材料的硬度、強度等綜合性能必須高，機械切削就會比較困難。因此模具用鋼都是最先進的，加工設備和刀具也是。

1.3 模具零件專用性強，單件生產概率高

一套模具可生產產品的數量大，模具使用壽命長，產品更新換代快，所以一個產品的模具往往只生產一套或幾套，制造模具的核心零件也就都是單件或小批量的生產了。

1.4 模具制造的系統性強

復雜產品的精確成型往往都是由多個步驟來完成，每一步驟要設計一副模具，幾副模具組成一套。例如汽車覆蓋件的五金沖壓模具，都需要由七、八道工序才能成型，基本就是一條復雜的生產線。對于小型件就可以采用級進模具來完成。因此在設計一個產品的模具時必須通盤考慮各副模具之間的互相牽連和制約。

1.5 模具制造周期長與客戶要求時間短之間有矛盾

由于模具設計復雜、零件高精加工、精確裝配困難，以致制造周期長，又因現代產品更新換代快，客戶為了搶占市場的先機，有縮短模具制造時間的要求。這與模具制造的要求是相反的，所以必須提高加工的效率和提高模具設計、制造、標準化水平來解決或緩解這個矛盾。

1.6 成本高

模具制造本身屬于高成本的開發工作，單套模具價格高，但使用的次數多和壽命長可以降低模具生產產品的單件成本。

1.7 模仁零件復雜

尤其是型腔類模具，產品的復雜程度都體現在模仁上。

2 數控加工的發展、現狀與特點

2.1 數控機床的發展

需求是促進發展的源動力，創新是企業發展壯大的動能。數控機床就是因美國發展先進飛機的需求而委托柏森斯公司研制形狀復雜多樣、精度高的螺旋葉片而發明的創新設備。從1948開始研究年到1952年誕生第一臺數控銑床應用與軍事開發，再到1957年正式大規模投產應用于民用，數控銑床用了十年。到現在，經過近七十年的發展，已經得到了普及性的應用，在模具行業中的使用最廣泛。早期數控機床的編程靠手工和利用打孔紙帶輸送到機床進行識別，到今天已是直接用計算機繪圖并自動生成程序，采用U盤或網絡進行數據傳輸，可以說是實現了質的飛躍。數控機床和可應用的編程軟件也是可以完成越來越多復雜的零件編程及加工。未來，計算機集成制造（CIMS）系統將使我們的數控加工更加的集成化、智能化、可視化、虛擬化。

2.2 數控機床應用現狀

在發達國家，所有制造企業的數控化率已達到70%以上，領先于我國的5%（是2013年的大約數據）。所以總的來說我國制造業的數控化率還遠遠落后于發達國家，還有很大的發展空間。進入新世紀以來，我國培養的數控技術人才得到了跨越式的提高，數控機床進口和國產的數量在不斷的攀升。據國新辦統計到2015年上半年的數據，我國在關鍵工藝流程數控化率達到了65%。

2.3 使用數控機床的特點

數控加工技術與傳統的切削加工相比較具有以下的一些特點。

①加工效率高、速度高、精度高和可靠性高。

切削速度比傳統方法高。主要體現在數控機床的轉速高和可以進行不間斷的完成粗加工和精加工等工序。減少了傳統機床的換刀、工件反復裝夾等的時間，所以也提高了效率。現在的數控機床加工精度基本都可以達到0.001 mm，而且加工過程主要由程序控制減去了人工操作的誤差，如果不考慮刀具的磨損產生的誤差，基本上每個零件之間的互換性是非常吻合的。也就是精度的可靠性也非常之高。

②勞動強度低，技術要求高，需要高素質的人才。

程序編制在計算機上進行，操作機床自動完成工作，要求技術人員要掌握編程技能、加工工序分析、機床的操作、刀具的選擇等知識。體力勞動強度雖然降低了但是要求技術人員的綜合素質提高了。這個無疑會提高用工成本，但可以通過提高效率和加工精度、難度來化解。

③可加工復雜的曲線、曲面和異形面。

使用普通機床進行零件加工很難實現幾個進給運動的一齊精確進給，也就是難于實現多軸精確的聯動使刀具的運動軌跡變得任意性。數控機床則不同，它可以實現多軸精確聯動。現在最先進的投入生產的加工中心可以同時實現五軸聯動，將來還會出現六軸、七軸等更多軸的聯動加工。正是有了這些多軸聯動才使我們的刀具軌跡實現“任意性”，能夠加工出來任意的曲線、曲面和異形面。

④勞動環境優于傳統加工方法。

數控機床屬于高科技產品，為了達到機床的最佳運行狀態和提高使用壽命，所以必須保證它在合適的環境中工作。例如，溫度要控制好不能太熱，不能潮濕，周圍要干凈衛生不能有灰塵等。

⑤便于實現現代化的生產管理。

需求在變化加工的零件亦會變化和反復，所以有時要根據不同時間來生產不同的產品，我們可以將加工程序編號存儲起來隨時可以根據需要來調用，不用反復的編程方便管理和提高效率。

⑥數控機床操作或編程技術人員需求旺盛，薪資高。

⑦使用數控機床存在的主要缺點是機床設備軟硬件價格昂貴，一次性投入多；要求操作使用人員和維修人員具有更高的水平。

3 數控加工技術的地位和作用

近年來我國的制造業受到國內外形勢的影響，必須轉型升級才能維持全球制造中心的地位。作為我國現階段經濟發展基石之一的機械制造業轉型升級應走在前沿，是提升國家綜合競爭力的基礎。先進制造技術的提高能夠通過整個國家的產品制造技術和能力，有利于提高國家的核心競爭力。例如火箭發動機的制造，航母的制造等等。

我國已基本掌握了全球的很多領先技術，在機械制造技術方面也發生了根本性的改變。尤其是以華中數控為代表的數控機床和軟件的發展也得到了很大的提高。生產出來的產品在結構、性能、精度及生產效率等方面得到了根本性的提高。

目前，雖然我國的GDP已經趕超德日上升為世界第二僅次于美國，但是我國的制造業工業增加值仍位居世界第四，約為美國的四分之一、日本的二分之一，落后于德國。而且，在機械產品中，我國單件或小批量產品所占的比例達到了80%左右，由于其加工難度高，生產效率難提高，產品質量難保證。為了解決這些難題，在現如今的技術環境下采用數控加工是關鍵。

隨著對產品的精度和復雜程度要求越來越高，模具的核心部分也越來越復雜而且精度要求極高。往往模具零件都是小批量或單套生產，改動頻繁。為了滿足要求，傳統機床加工已無法滿足，唯有采用更先進的數控技術來解決這類問題。數控加工的特點之一就是適合加工復雜而且精度高的零件。隨著模具標準化程度的不斷提高，一套模具所需加工的零件變少了，但是核心部分的加工還是少不了。為了提高核心零件的生產效率縮短工期和精度以適應市場的要求，如果采用傳統的鉗工、車工、銑工等加工方法，工序多流程長人為因素的影響等難以保證提高效率和保證精度。而采用數控機床加工，生產過程完全由程序自動控制執行，避免了繁瑣的工序變換、反復的零件裝夾從而產生的誤差和人為失誤。雖然一次性數控機床的投入有所增加，但是人工的減少、場地占用的減少等都可以省回來。尤其是數控加工中心，它綜合了多種加工于一身和多刀具的自動更換，適合加工多工位、工序集中和難測量的工件等。

4 模具與數控加工技術的關系

數控機床加工可以用于加工模具的各種零件，尤其是精度要求高、外形復雜的模具核心零件。模具制造的要求不斷提高也加速了數控技術的發展。

在完成一整套模具的整個過程中，模具零件的加工是最主要工作之一。由模具生產出來的制品精度取決于模具制造的精度，所以模具制造的精度非常重要。采用傳統的加工工藝其效率和精度都比不上采用數控設備來進行加工。而且，現代數控機床除了數字化控制程度不斷的提高，還向更加集約化和智能化的方向發展。例如，為了減少工件的反復裝夾帶來的誤差和人為的誤差，現在先進的加工中心已是五軸的，將來甚至還會出現更多軸的加工。當然就目前的情況而言，要充分發揮數控機床高性能、高精度等的特點還是需要編程和操作人員加工前進行周密的工藝分析和設計來確定最優的加工步驟和過程，最終才能加工出完美的模具零件。

數控加工技術的發展是基于計算機技術、微電子技術、PLC技術等技術的發展而取得了巨大的進步。現今的數控機床的自動控制采用的是PLC技術；而加工程序的編制和信息化處理是由計算機來完成，當然簡單的也可以采用手工輸入編程；而加工精度的保證主要靠自動檢測、反饋等微電子技術；所以說現代數控技術是集多種新技術于一身的高科技。

對于模具制造來說，主要掌握的是機床的操作技能、計算機操作技能和編程軟件的使用技能，當然各種加工工藝技能也是非常重要的。

操作方面，現代的數控機床智能化和簡單化越來越明顯，操作者主要掌握的操作技能的難點有兩個方面：一是工件的正確裝夾及對刀，也就是告訴機床工件的位置以及其與刀具的相對位置關系。

二是刀具的設置和各種刀具的選擇使用。尤其是隨著加工難度越來越高各種用途的刀具不斷出現，使刀具的選擇和刃磨變得越來越要求高，對操作者的要求也就高。而且這個對于加工效率、精度甚至于成敗都是有非常關鍵的影響。

在軟件使用方面，對于CAD/CAM/CAE軟件廣泛使用的有Auto CAD、Pro/E、UG、Solidworks、Master CAM等等。在模具制造編程中我們應用最多的是Master CAM中的mill模塊。它已經在模具核心零件編程加工中發揮了其獨有的優勢，是一個非常好用、功能齊全、操作方便的加工編程軟件。

隨著我國數控技術的不斷發展，也出現了一批很好的數控操作系統和編程軟件，操作系統的代表有華中數控系統、廣數系統，編程軟件有CAXA、cccam等。

5 結 語

通過以上的分析比較現代數控加工技術能夠很好的適應現代模具制造的要求，所以得到了廣泛的應用。現代模具正向著大型、精密、復雜的方向發展，客戶的要求是價廉、交貨快等。數控機床的高速、高精度加工提高了模具制造的效率，滿足了客戶對模具開發縮短周期的期盼。隨著模具生產制造的標準化程度越來越高，模具生產企業主要使用數控加工設備來加工模具的核心部件。

總之，數控加工技術的發展極大的促進了模具制造效率、復雜性和加工精度的提升，在模具企業中得到了越來越廣泛的使用。

參考文獻：

[1] 龔仲華.現代數控機床設計典例[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 許發樾.模具制造工藝與裝備（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2015.