模具制造新技術應用前景

■ 山西航天清華裝備有限責任公司 （山西長治 046012） 李曉波

高級技師 李曉波

模具是現代工業生產中的重要工藝裝備，廣泛應用于機械制造、電子電器、汽車、航空航天、農業和國防等行業，被稱為“工業之母”。借助模具生產能夠達到節約材料、降低產品成本和提高生產效率的目的，尤其是在大批量的生產模式中，更能體現出它的優越性。隨著社會的發展，生活水平的不斷提高，人們逐漸對產品的性能、功能和外觀有了更強、更全、更時尚的追求，意味著產品零部件向著更精巧、更輕便和更美觀的方向發展，追本溯源，零部件的發展決定了模具的精密程度更高、結構更復雜以及使用壽命更長，對模具的制造技術提出了更高的要求。

隨著現代工業技術的迅速發展，新材料、新設備及新工藝層出不窮，促使模具制造技術也發展得越來越快。

1. 數字化設計與制造技術

當今模具的發展趨勢愈來愈趨向于高精度、功能多樣化，模具結構也是愈來愈復雜，這對模具的設計提出了更高的要求。對于現在模具的高速發展態勢，傳統的設計手段就顯得相形見絀了，需要有更高級的設計手段來適應模具的發展。

數字化設計與制造技術基于CAD/CAE/CAM軟件技術，利用計算機軟件來完成模具產品的設計與制造。它借助計算機軟件的強大功能對模具的結構設計、加工參數等進行優化，對設計出的模具在顯示器上進行直觀的觀察和修改調整，將最優的設計結果進行仿真并生成加工程序，傳輸到數控機床進行加工。相對于傳統的設計方法，數字化設計能夠有效地減少設計和制造周期、降低模具生產成本以及提高模具的制造精度。

虛擬制造技術是CAD/CAE/CAM軟件技術發展的更高階段。它融合了計算機仿真技術和虛擬現實技術，能夠把模具從設計到制造，直至裝配、檢驗的全過程，在計算機上全部模擬完成，根據設計出的模具產品模型，利用軟件的強大功能，在計算機上模擬出實際加工過程以及各個零件最后裝配過程中的情況，對加工或裝配過程中出現的問題進行及時的修正，避免把問題帶到實際生產中。虛擬制造技術最突出的特點，是能夠模擬出模具最后裝配的情況，不需要加工實體模型，利用計算機建造的虛擬環境，可視化地觀察模具裝配過程中各個零件的干涉情況，并及時進行修正。而傳統模具裝配過程中，必須用實體模型進行反復的修改和調試，耗費大量的人工和時間，有時還難免出現零件報廢的情況，與之相較，虛擬制造技術的優勢不言而喻。

2. 高硬度材料加工技術

現代模具追求高的使用壽命，以平衡其較高的制造成本，獲得更高的性價比。使用高硬度材料來制造模具的關鍵零部件，是提高模具使用壽命最直接的方法。

高速切削技術（HSC）是近十年來迅速崛起的一項先進制造技術。高速切削技術基于高速切削理論，認為對于每一種零件材料，在常規的加工速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的增加而升高，如果用遠遠超過常規切削速度范圍的速度來加工的話，切削溫度反而會降低。20世紀20年代末德國物理學家薩洛蒙博士首次提出高速切削加工的概念。借助于集成了高速電主軸、高速伺服系統、高精度的快速進給系統和高性能控制系統等先進技術的高速切削機床，配備硬質合金、聚晶金剛石（PCD）及聚晶立方氮化硼（PCBN）甚至陶瓷等新型材料刀具，高速切削可以加工硬度達60HRC甚至更高硬度材料的零件。因此，高速切削能直接加工經熱處理硬化的工件，粗、半精和精加工只需要在機床上裝夾一次即可完成，還能省去熱處理后的電火花加工，簡化了工件的工藝流程，節約生產成本。

不僅如此，得益于高速切削機床很高的主軸轉速、進給速度和較小的切削力，高速切削具有很高的加工精度和加工效率。同常規切削方式相比，高速切削單位時間的材料切除率可提高3～6倍，而切削力卻降低了30%左右，工件和刀具熱變形都能得到有效控制，所以可以達到很高的加工精度和很小的表面粗糙度值，切削較硬材料時能達到表面粗糙度值Ra=0.2μm，切削較軟材料也能達到Ra=0.4μm，對于某些工件來說，可以直接省去最后的修磨拋光工序。

高速切削技術具有諸多優點，在工業發達國家得到廣泛的應用。高速切削技術在模具制造方面除了應用于高硬度材料模具型腔的直接加工外，在電火花加工（EDM）、快速樣件制作和模具快速修復等方面也得到了大量應用。

電火花加工技術是適用于高硬度材料加工的另一項技術。其實電火花加工技術在模具制造中的應用歷史比高速切削長得多。電火花加工原理是利用放電產生的電蝕作用蝕除需要去除的金屬，直至達到需要的形狀。電火花加工不同于一般的機械切削加工，它最大的特點是加工過程中沒有切削力，只要能導電，幾乎能加工任何硬度的材料，所以在高速切削技術出現以前的模具制造過程中，電火花加工技術在高硬度材料加工領域基本上是獨領風騷。盡管高速切削技術近年來在一定程度上有取代電火花加工的趨勢，但是受限于刀具的長度和直徑等因素，所能加工的模具型腔底部圓角最小半徑為0.3mm。在加工一些具有小深孔、尖角和窄槽等結構的復雜模具時，高速切削還是顯得有些力不從心。另外，對于一些超硬材料，高速切削也很難加工。所以在一些小型精密注射模具或超硬材料工件的加工方面，電火花加工技術仍然占有一席之地。其實電火花加工技術從產生至今，并不是墨守成規地一成不變，尤其是近期，隨著工業技術的不斷創新發展，電火花加工也取得了長足的進步。現代的高精密電火花加工技術融合了標準化夾具快速精密定位、混粉加工法、搖動加工法以及多軸聯動加工技術等多項先進的加工工藝，可以對復雜的模具型腔進行精密加工以及極小半徑的清角加工，能夠加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的精密表面，配備合適的工裝和電極，甚至可以加工超硬材料零件的高精度內螺紋。

電火花創成加工是近年來興起的一種加工技術，又被稱為電火花銑削，它可以看做是電火花加工和精密多軸數控機床相結合的產物。與傳統電火花加工必須使用與零件形狀相適應的復雜電極不同，電火花創成加工只需要簡單的電極（一般采用圓柱棒狀電極），像銑刀一樣在數控系統控制下按預設的軌跡來加工工件。電火花創成加工可以加工具有形狀非常復雜的空間自由曲面而采用高硬度、高強度和高脆性等材料制作的模具。不過電火花創成加工對編程的要求較高，不僅要進行幾何尺寸的編程，還要考慮不同加工條件下電火花順利加工的工藝編程，比如電火花的電源參數等。

3. 快速成形技術

快速成形（RP）技術是20世紀90年代發展起來的一項先進技術，現在已經在發達國家的制造業中得到廣泛應用。快速成形技術將計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數字控制（CNC）、激光技術、精密伺服驅動技術及新材料技術融為一體，其制造原理與傳統的加工方法截然不同。快速成形技術屬于“增材制造”。傳統的加工方法是將大的毛坯一點一點削減為零件，而快速成形技術則是用原料一點一點堆積疊加形成零件。

根據成形原理和系統特點以及所用成形材料的不同，快速成形技術分為3DP噴墨技術、FDM熔融層積成形技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光燒結技術和DLP激光成形技術等多種類型。盡管快速成形有多種技術類型，但它們的基本原理都一樣，就是“分層制造、逐層疊加”，就像一臺“立體打印機”，因此，形象地把快速成形稱為“3D打印”技術。

快速成形技術在生產前期不需要準備刀具、工裝等，它可以快速地將設計者的想法迅速轉化為看得見、摸得著的三維樣品，因此它非常適用于新模具投產之前的樣品試制或小批量生產，這樣可大幅提高產品開發的成功率，縮短新產品研發時間，降低模具的成本。如果利用網絡將設在不同地點的設計系統與3D打印設備連接起來，還可以進行異地產品的打印。

快速成形技術制造的零件，力學和物理性能往往不能直接滿足產品要求，需進行進一步的處理，通過精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極和陶瓷精密鑄造等配套制造技術對其進行物理性質轉換。現在已經出現了結合了鍛造技術的3D打印技術，用這種技術制造的零件的物理性能將大幅提高。隨著科技的發展，快速成形技術生產的零件直接應用于產品指日可待。

4. 結語

當前我國的模具制造業方興未艾，涌現出的各種模具制造新技術也如百花齊放，各領風騷，又很好地互相銜接，分別在模具制造的各個環節大顯身手。隨著科技的不斷發展，還會出現更多、更先進的新技術，應用到模具的制造過程中。