精密模具制造技術和應用現狀

蘇銘杰

廣州恒佳精工科技有限公司 廣東廣州 510000

1 序言

精密模具具有制造精度高、效率高等優點，在多個領域得到了廣泛應用。隨著制造業技術的不斷發展，對精密模具的需求也在不斷擴大和升級。深入探討精密模具制造技術和應用現狀，對促進我國制造業的發展、提高企業的競爭力和市場占有率，具有重要的現實意義和應用價值。

精密模具的研究始于20世紀初期，至今已經有了很大的進步和發展。國內外許多學者針對精密模具制造技術和應用方向都有不同的研究和探索。日本、德國等國家在精密模具的制造和應用方面處于領先水平。日本的制造企業通過引進國外的數控加工技術，開發了一系列高精度、高效率的精密模具產品，成功地應用于汽車、電子產品和航空航天等領域。德國的精密模具企業則注重研究新型材料和新型加工技術，在高速切削、光學成像等方面取得了重要進展。相比之下，我國的精密模具制造技術與國際先進水平還有一定的差距，特別是在高精度、高難度的復雜模具加工方面仍存在一些問題和挑戰。

2 精密模具概述

2.1 精密模具的定義

精密模具是以制造產品為目的，經數控加工等方式加工出來的用于成形、沖裁或其他加工工藝中直接作用于原材料（通常為金屬或塑料）的工具。精密模具具有高精度、高重復性和長壽命等特點，其制造過程需要借助先進的切削加工技術、傳統的熱處理、電火花加工及超精密加工等多種工藝方法。

2.2 精密模具的組成結構

精密模具的組成結構主要包括模架、模座、上模板、下模板、定位銷、引導柱、滑塊、落料器和開關等部件。其中，模架對其他所有部件進行支撐；模座與模具的拆卸、安裝和調試有關；上下模板負責壓鑄或壓力成形，往往分別采用自行脫模式和帶提升機構的不同方式來進行；定位銷和引導柱提供精確定位、穩定導向和可靠分離等功能；滑塊與落料器的功能與具體的模具用途和要求有關；而開關與加工環境和操作方式有關。大水口模架（又稱單分型面模架）如圖1所示[1]。

2.3 精密模具的分類

（1）按用途分類 主要分為壓鑄模具、沖壓模具、注塑模具、橡膠模具、泡沫模具、鑄造模具和剪切模具等多種類型。

（2）按加工方式分類 主要分為鉗工加工、數控加工、電火花加工、通用加工和超精密加工等類型。

（3）按制造材料分類 主要分為進口鋼材、優質碳素鋼、合金鋼、特殊鋼、無縫鋼管、鋁合金、硬質合金、陶瓷或非金屬等類型。

2.4 精密模具的特點

（1）高精度 精密模具的制造精度能夠達到亞微米級別或更高水平。這是因為制造精度的高低很大程度上取決于加工技術和材料的物理性質等因素。

（2）高重復性 精密模具具有良好的可持續性。經過相同的工藝加工后，能夠確保每個成品的精度和質量是相同的。

（3）長壽命 精密模具經過合理的設計和制造，往往能夠使用多年甚至數十年而不會出現明顯的損耗或損壞。

2.5 精密模具的應用范圍

精密模具廣泛應用于汽車、電子產品、航空航天、醫療器械、家電、機械制造及鋼鐵等領域。在這些領域，精密模具可以被用于壓鑄成形、注塑成形、拉伸成形、精密切削加工、模切加工和澆注成形等多種加工工藝中，可以生產出各種形狀復雜和高質量的產品，例如汽車發動機缸體、導軌、芯片封裝、消費類電子產品外殼、醫療器械零部件及高速列車制動盤等。

2.6 精密模具制造存在的問題與解決途徑

（1）加工精度和穩定性有待提升 目前，精密模具制造還存在一些技術上的瓶頸和困難，加工精度和穩定性有待進一步的提升。為解決這一問題，可以進一步將軟硬件進行結合，提高加工和檢測裝備的精度和準確性，完善整個制造流程的控制及質量檢測環節。

（2）缺乏系統化管理 由于精密模具的生產流程比較復雜，往往涉及設計、加工和檢測等諸多環節，因此在生產過程中容易出現信息斷層、溝通不暢等問題。為解決這些問題，可以嘗試引入先進的ERP、MES等信息化管理系統，實現全流程的系統化管理，保證各個環節之間的順暢協作。

（3）人才缺口 精密模具行業涉及多個學科領域，需要高水平的創新型人才支撐。當前人才缺口較大，急需培養高素質的專業人員。企業應加強與高等院校及科研機構的合作，加大對人才的培養力度。

（4）設計和工藝之間溝通不足 設計和制造之間存在很大差異，設計人員在與客戶溝通時，缺乏對客戶需求的理解，不能在客戶需要時提供必要的支持。為避免這種情況發生，設計團隊應定期評估技術與非技術組之間的信息交流程度，加強溝通管理和制定項目進度計劃，增強有效溝通、職責和目標的相關性。

綜上所述，精密模具制造行業在發展過程中依然面臨較多的挑戰和難題。應該從技術、管理和人力資源等多方面入手，探索出符合行業自身情況的解決途徑，不斷提升核心競爭力，促進行業健康快速發展。

2.7 精密模具制造的發展方向

（1）數字化技術的應用 精密模具制造工藝正逐漸向數字化轉型，數字化建模、可視化仿真和智能制造等新技術被廣泛應用，可以實現復雜精密結構的設計和加工，提高生產效率和產品質量[2]。

（2）智能化制造 隨著信息技術的迅速發展，精密模具制造也逐漸實現智能化生產。通過引入物聯網、人工智能、機器人和云計算等技術，可以實現設備之間的互聯互通、數據的實時采集與分析，減少信息傳遞的中間環節，加快生產節奏，提高生產效率和產品質量。

（3）新型復合材料的應用 未來高強度鋼、鋁合金、鎂合金、超高分子量聚乙烯及碳纖維等新材料將廣泛應用于精密模具制造，以滿足日益增長的客戶需求。復合材料相比傳統材料具有更高的強度，具有輕量化、防腐蝕等優點，逐漸成為精密模具制造領域的熱門材料。未來隨著復合材料技術的發展，將會催生出更多新型的精密模具材料，從而進一步推動整個行業的發展。

（4）精度和表面質量提高 隨著市場需求的升級，精度越來越成為關鍵指標。同時，表面質量好、抗氧化是另一種重要競爭指標，越來越多的生產商不僅要求精密模具準確可靠，而且要求模具外形美觀。

（5）輕量化技術的應用 由于精密制造件的質量限制較小，因此可迅速地推進輕量化技術的應用，降低制造成本，同時減輕質量，提高產品性能。

（6）快速成形技術的應用 傳統的制造方式往往需要大量時間進行設計、加工和檢測等，高昂的費用限制了產品的開發速度和效率。快速成形技術的出現有效地解決了這一問題，可以實現精密模具的快速、高效和低成本制造。

（7）專業化定制 隨著市場需求的不斷變化，精密模具的設計和制造也逐漸向著個性化、專業化方向發展，越來越多的企業開始注重研發定制化的精密模具，以應對市場需求的多樣化。

（8）高可靠性和高耐久性 在汽車、電子產品和航空航天等領域，對于精密模具的高可靠性和高耐久性要求日益提高。未來精密模具制造行業需要更加注重材料、工藝等方面的創新，進一步提升產品質量和競爭力。

3 精密模具制造技術

在先進制造業中，模具制造領域的技術發展影響了產品質量和生產效率。隨著制造技術的不斷發展，精密模具制造技術也在逐漸完善和升級。

3.1 數控加工技術

數控加工技術是一種數字化的高精度加工方法，在模具制造過程中被廣泛應用。其優點在于可以直接將計算機上的虛擬模型轉化為真實的物理模型，生產出來的產品尺寸準確度高、重復性好，可減少人為錯誤的發生。

目前常見的數控加工設備有數控銑床、數控車床和數控電火花加工機等。它們使用計算機程序進行操作，將設計圖樣上的數據和運動軌跡數值一一對應，通過高速旋轉的工具頭進行切削，從而得到高精度的零件和模具。

3.2 激光處理技術

激光處理技術是一種快速、高效和靈活的零件加工方法，可以加工各種復雜形狀的模具。激光加工的優點是精度高、速度快，在加工過程中不容易破壞零部件表面的結構。

激光處理技術主要有激光切割、激光打標和激光焊接等。其中激光切割和激光打標常用于金屬板材的加工，激光焊接主要應用于模具修復和復雜形狀的零部件制造。

3.3 電火花加工（EDM）技術

電火花加工（EDM）是一種利用連續移動的細金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成形的加工技術，廣泛應用于制造高精度的模具和工具零件。EDM加工的優點是對硬度較高的材料和脆性材料，比如強化鋼、硬質合金等材料的銑削加工更有優勢。

在電火花加工中，通過控制電極和工件之間的距離，在放電孔中注入液體介質，在電極和工件之間產生電火花，使工件材料局部熔化和蒸發，從而得到精湛的加工效果。

以上介紹的幾種精密模具制造技術，有著各自的優點和適用范圍。通常情況下需要根據加工對象的要求，以及設備的特性和成本等綜合考慮，確定最適合的加工方法。

在分析比較這些技術時，需要考慮加工時間、精度要求、適用的材料以及成本等各方面因素。在實際生產中，應根據具體需求進行選擇，以達到最佳生產效果。

4 精密模具在各領域的應用現狀

4.1 汽車領域

精密模具在汽車制造領域應用廣泛，主要包括汽車內外飾件成形，發動機、變速器等關鍵部件的制造。在汽車外觀方面，模具可用于車身零部件、門把手及側裙等的生產；在汽車關鍵部件方面，模具可用于發動機活塞、曲軸、凸輪軸、變速器齒輪及離合器盤等核心零部件的生產。汽車結構件模具如圖2所示。

圖2 汽車結構件模具

當前，汽車使用的模具種類越來越多，制造難度不斷提高。為避免出現失誤，降低制造難度，更多的廠商開始采用模具制造工藝，以確保整體生產效率。

4.2 電子產品領域

精密模具在電子產品制造領域具有重要的應用，例如智能手機、平板電腦等電子產品中的面板、機殼及電池等關鍵零部件都需要通過模具制造。此外，精密模具還應用于半導體元器件制造等諸多領域。電子產品結構件模具如圖3所示。

圖3 電子產品結構件模具

4.3 醫療器械領域

精密模具在醫療器械領域應用廣泛，主要應用于人工關節、牙科設備和手術器械等。該領域對于模具的制造質量和精度要求較高。通過使用精密模具，可以提高生產效率，同時可以確保醫療產品質量的穩定性和一致性。醫療產品模具如圖4所示。

圖4 醫療產品模具

4.4 其他領域

除上述領域外，精密模具在其他眾多領域都有廣泛的應用。例如，在航空航天領域，模具可用于加工精密的碳纖維零件，協助飛行器得以順利運行；在建筑領域，模具應用在建筑防水隔離材料的生產中，可增強產品質量。建筑領域產品模具如圖5所示。

圖5 建筑領域產品模具

精密模具制造技術在各個領域發揮著重要作用。隨著技術的不斷發展，精密模具的應用領域和加工方法將更加多樣化、靈活和高效[3]。

5 精密模具制造業的未來發展趨勢

（1）智能化 通過使用先進的智能控制技術，使模具具備自動調節、自動檢測等功能，并能夠實現遠程控制。可以大大提高精密模具的制造效率和質量，并且減少制造過程中的人工干預。

（2）通用化及高效能化 傳統型精密模具的制造周期較長，且個性化生產具有一定的難度。通用化及高效能化的模具制造已成為未來發展趨勢。

通用化模具是指能夠為多種類型產品提供生產技術支持的模具，可以實現多種類型產品的生產，提高模具的利用率。高效能化模具擁有更快、更穩定和更節能的性能，可以實現生產過程的高效運轉，從而提高制造效率及成本效益。

（3）大規模定制化 在許多領域，由于不同品牌、不同型號和不同規格產品對模具的精度、形狀和尺寸等要求都不相同，因此有必要研究和開發大規模定制化精密模具。

大規模定制化模具是指在規模化的基礎上，按照客戶的需求進行個性化設計，整合精密制造技術，合理規劃生產流程。模具制造中通過深度定制以實現工藝的持續優化，智能助力，實現生產加速，減少人力消耗，并保證制品質量，同時增強市場競爭力。

（4）轉型升級 當前，在市場競爭加劇、智能技術應用推動產業升級等新形勢下，精密模具制造業正在進行轉型升級。在發展過程中，構建具有體驗式和品質化特色的“新廠房”，通過協同創新實現智能制造、工業變革，實現精密模具制造業向高技術、高附加值和高質量的經濟增長方向持續升遷。

精密模具制造業未來將在技術和市場雙重驅動下，呈現更加智能化、通用化、定制化和環保化的發展趨勢。只有積極迎合新發展模式，不斷推動改革和創新，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

6 結束語

本文對精密模具制造領域的相關知識進行了深入探討，通過相關文獻研究和案例分析，得出以下結論。

（1）重要性 精密模具的加工精度和制造周期對于許多行業來說都至關重要。

（2）發展趨勢 精密模具制造技術在智能化、通用化、高效能化、大規模定制化和環保化等方面都將得到快速發展。

（3）合作化 通過與多個領域的企業和研究機構合作，可以加速技術研究與開發進度，提高精度，降低成本，實現更快的技術升級。

未來精密模具制造業的發展更加注重以下幾方面的研究和應用。

（1）智能化技術 在自動化、數字化、物聯網和智能控制等方面加大研究與投入，推動模具制造技術的智能化。

（2）綠色制造 采用環保材料、綠色設計，并在制造過程中減少對環境的影響，實現精密模具制造的環保化。

（3）協同創新 各個研究機構、企業之間在理念、技術和資源等方面進行深度合作，共同研制更加先進的精密模具制造技術，實現提質增效、創新發展的目標。

精密模具制造業的未來充滿機遇和挑戰。通過不斷深入的研究和創新，完善現有技術以及開展前沿技術研究，可以為精密模具行業的可持續發展做出更大的貢獻。

專家點評

文章結合當前的模具制造技術和發展趨勢，闡述模具制造中存在的問題與解決途徑，通過轉型升級和技術創新，引導精密模具制造業向高技術、高附加值和高質量方向發展。

文章主題明確，結構合理，內容廣泛，論據有力。亮點是文獻資料和實證研究方法，綜合國內外研究成果和實際應用案例，側重于精密模具的智能制造和前沿技術研究，迎合模具制造業的加工模式和發展方向，以智能化、通用化、定制化和環保化為目標，推動技術改革和工藝創新，具有很好的參考借鑒作用。