模具制造技术 ——第四至六部分

优胜模具～赵蜜

第四部分 发展中的模具先进制造技术
一、 模具加工的前沿技术——高速数控加工
高速数控加工的关键技术是①高速主轴及高速进给驱动系统机床；②高速加工刀具系统；③基于CAD/CAM自动化数控编程
1、 高速数控切削
主要针对车削和铣削。一般高速数控切削的主轴转速比普通数控切削转速高1～10倍。高速数控切削的另一个内涵是采用高的进给速度。维持切削力不变，提高转速就能够提高切除率，减少切削时间；维持进给速度在普通切削水平，提高转速就能够降低切削力，可以加工较细或较薄的模具零件。
高速主轴是高速数控切削的首要条件。目前主轴转速可达100000转/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以达到模具零件的镜面车削和镜面铣削。
1）高速主轴有以下几种渐变形式
(1)保持架采用陶瓷的滚珠轴承高速电动主轴，主轴回转精度达0.5μm，转速达到15000转/min以上
(2)采用液体静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度在0.2μm以下，转速达到100000转/min。
(3)采用空气静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度可在50nm以下，转速可高达200000转/min。正在开发之中。
(4)采用磁悬浮轴的高速电动主轴，主轴回转精度可达0.2μm，刚性非常好。正在开发之中。
2） 高速数控切削机床的结构
(1)进给驱动系统的高速化，即采用大导程滚珠丝杠和高速伺服电机；直线电机和精密直线导轨。进给速度可达60～120m/min。
(2)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化。
(3)已研制出三、四、五轴联动高速数控切削机床。可加工复杂型面的模具。
(4)新运动原理机床：高速数控切削领域出现并联结构的六杆机床、三杆五轴机床和四杆机床。正在不断完善和发展之中。
3） 高速数控切削刀具系统
(1)刀具材料：有镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基和氧化硅基陶瓷、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等。
(2)刀柄结构：要求具有很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时的完全可靠性。
(3)安装刀具的模块化：有典型的HSK型刀柄及其连接结构、液压膨胀夹头等。
4） 高速数据切削发展趋势
研制大功率高速主轴，功率≥100kW，转速≥100000转/min。
2、 高速数控磨削关键技术
1） 高速主轴
要求具有高速动平衡，可采用机电动平衡系统或电液动平衡系统。
2） 高速数控磨床结构
组合多种磨削功能，具有高动态精度、高阻尼、高抗振、高稳定性、高自动化和高可靠性。
3） 高速数控磨削砂轮
要求整体具有很高的机械强度，高速时完全可靠，外观锋利，结合剂必须具有很高的结合强度和耐磨性以减少砂轮的磨损，高速砂轮采用等强度来设计优化结构和形状。
4） 冷却系统
要求冷却液具有较高的热容量和热传导率以提高冷却效率，能承受较高的压力，有良好的过滤性、良好的防腐性和高附着力，有较高的稳定性，不起泡，不变色，对健康无害，易于清洗，有利于环境保护。
5） 高速数控磨削的发展趋势
研制大功率高速主轴，研制适应高速磨削的新型砂轮，改进磨床结构，优化冷却系统，磨速向超音速发展达250～350m/s以上。
3、 基于CAD/CAM自动化数控编程
高速数控加工作为模具加工的前沿技术，关键技术之一就是采用先进的CAD/CAM集成设计和制造系统，进行图形交互的自动数控编程，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。而解决高速数控加工编程的关键是NURBS插补技术，其特点如下：
(1)可以在NC控制器下进行样条曲线插补计算。
(2)减少数据量，提高数据的传输速度。
(3)在CAD-CAM-CNC之间进行数据的精确传递。
(4)易于生成光顺的刀具轨迹。这对加工高质量的复杂型面的模具极为有利。
二、 快速成形与快速制模技术
快速成形技术又称快速原型制造技术（即RPM技术），诞生于上世纪80年代后期，是基于材料累加成形的一种高新制造技术，被认为是20世纪制造领域的一次革命性突破。据专家估计，它的发展速度比当年数控技术的发展更快。快速成形技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动和新材料等技术集于一体的先进技术，它的成形过程是：依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，再依不同工艺将不同的材料逐层叠加形成，从而得到三维实体产品。
虽然快速成形技术问世时间不长，但由于它对制造业带来的巨大效益使得这一技术的应用日益广泛，特别是给模具的设计与制造带来了一次飞跃。在各种包装制品的成型过程中，大量使用了各种不同的模具，比如注射模具、吸塑模具和纸浆模塑模具等等。由于快速原型制造（RPM）这一新技术的应用，使包装模具的设计与制造逐步趋向于数字化、快速化，使模具制造在缩短周期，降低成本的进程中，大大前进了一步。
三、结束语
模具先进制造技术种类繁多，几乎大部分的先进制造技术都可以应用到模具制造中，而且在不断发展之中，在此不可能尽数概述。从我国的国情出发，所有模具企业都尽快采用高速数控加工技术是不现实的，因为设备及技术装备费用昂贵。而适当采用相对廉价的面向快速制造的特种加工技术，而值得某些模具企业考虑。从不同角度讲，除了上述发展中的模具先进制造技术以外，还有模具反求工程技术(Reverse Engineering)、模具虚拟制造技术(Virtual Manufacruring)、模具柔性制造技术(FMS)和模具集成制造技术(CIMS)等。而有人提出，下一代的先进制造技术采用可重构和可扩展的制造设备和系统、知识供应链和独立制造岛等。
第五部分 我国模具工业20年发展及未来20年发展方向
一、概述
模具，是金属与非金属压力成形加工工艺系统的专业工艺装备（工装），是专用成型工具，是专用技术产品。
模具实现工业化和商品化生产，是制造业生产技术进步和水平的标志，是制造业现代化的工艺基础。
现代模具设计与制造技术，涉及机械工程、信息与电子工程、冶金与材料工程、工程管理等学科专业范围。
模具生产（设计与制造）技术，可略分为下列三个阶段，即：
1．手工作坊制造阶段；主要依赖模具工人的手工技艺。只能制造单工序冲模，胶木压模等简单模具。
2．工业化生产阶段：采用通用切削机床和电火花机床，实现机械化，标准化生产技术。模具型件成形加工精度已可达0.0xmm级；其通用零部件已制订成标准，实现了批量生产，缩短了模具制造周期（一般为3~4个月）。
此间，已能设计和制造中大型、较复杂、精度较高的各种类模具。
3．现代化生产阶段：采用数控加工设备，在高度标准化的基础上，实现了模具CAD/CAE/CAM生产，其型件加工精度已可达微米级，按模具大小和复杂程度，生产周期已达90~20天或更短。模具标准化，对只能进行单件生产的模具，则具有特殊的技术、经济意义。其内容包括：模具设计参数的规范化：通用零部件的标准化、参数化；系列化产品生产用模具的系统结构原型设计及其参数。这是实现模具CAD/CAE/CAM的必备条件。
研究高精、高效CNC机床加工的工艺，降低作业量，是提高模具工艺水平的关键技术；试验、研究易切削、耐高温、耐磨模具材料是提高模具使用性能的技术基础；研究单件生产过程的控制与管理理论、模式、方法，对模具企业则具有特殊的技术、经济意义。
所以，在未来20年内，试验、研究模具生产技术、模具高性能材料和模具生产过程的控制与管理，不断提高、发展模具专业工作的水平，是非常重要、非常必要的。
二、技术发展现状与发展趋势
优化模具系统结构设计和型件的CAD/CAE/CAM，并使之趋于智能化，提高型件成形加工工艺和模具标准化水平，提高模具制造精度与质量，降低型件表面研磨、抛光作业量和制造周期；研究、应用针对各种类模具型件所采用的高性能、易切削的专用材料，以提高模具使用性能；为适应市场多样化和新产品试制，应用快速原型制造技术和快速制模技术，以快速制造成型冲模、塑料注射模或压铸模等，应当是未来5~20年的模具生产技术的发展趋势。
自上世纪80年代初（1980~2003年）到现在，国外模具发达国家的模具生产技术，随着信息与电子工程中计算机工业和NC、CNC机床工业的进步，有了长足的发展，如：
1．在广泛采用加工中心（MC）和普及CAD/CAM的基础上，一些先进企业已普及了高速成形铣削工艺和模具CAD/CAE/CAM一体化生产技术。其中，MC和CNC坐标磨已成为广泛采用的通用生产装备；模具CAD/CAE/CAM一体化生产技术，已成为模具设计、制造过程中关键性的核心技术。
2．在IT技术和模具CAE软件应用的基础上，一些先进企业已实现远程设计、资源共享，以及建立在核心技术CAD/CAE/CAM基础上的虚拟设计与制造。所谓虚拟设计与制造，是指应用模具CAE软件，通过仿真或模拟塑件、金属板材成形件的成形过程，优化型件结构、注射浇口与流道、冷却水道、分型与抽芯等模具系统结构设计，以减少试模、修模次数，提高模具系统结构设计的可靠性。
3．一些专业化模具企业，在高度标准化、通用化、全面实现CAD/CAE/CAM（企业核心生产技术）的基础上，已从单件生产方式趋于无研、抛作业、工艺过程可控的集成、流水线型的生产方式。
在模具生产线上，为优化型件制造工艺，还配制了具有组合加工工艺的CNC机床，如：成形铣削和电火花加工，成形铣削和激光加工，成形铣削和深孔加工等等。
4．近10余年来，应用快速原型制造（RPM）技术和硅橡胶应用技术相结合，快速制造小型塑料注射模、压铸模等成型模，已获得了应用，以适应市场多样化和产品试制的快速制造模具的要求。此外，多腔、多色、多种材料的塑料注射模，在国外已较常见。
5．近年来，采用掺有Zn、Cu、Mg、Mn元素的铝合金材料制造塑料注射模、吹塑模日趋增多。这是一大变革。如德国Hoogovens公司生产的三种铝合金系列：Hokotol、Weldura和Gianta具有重量轻（比重为钢的1/3）；切削抛光性能好，（许用切削速度为钢的5倍）；传热系数比钢高4倍，这可使塑件成形周期大幅缩短，并简化冷却系统，其导电率比钢高10倍，有利于电加工。
同时，铝合金性能可满足企业塑料注射模型件强度、耐磨耐蚀要求。且可轧成300~800mm厚的模块，其基本组织均匀、变形小，加工尺寸稳定。
关于我国模具工业发展和进步的问题。在中国模具工业协会（1984年10月成立）和全国模具标准化技术委员会（1983年4月成立）相继成立以后，很快形成了我国模具工业的发展高潮，仅用近20年时间，即形成了我国模具工业体系。此间——
1．中国模具工业协会成立前后，很多省、市也相继成立了模协，从而形成了模具行业组织体系。
2．建立起了我国模具技术标准体系和模具标准件生产及商品化供应体系。
3．相继建立了近20000个模具及与之相配套的企业，形成了中国模具工业的产业基础。其中，10~15％的模具生产企业已配置了加工中心（MC）和模具CAD/CAM系统。中小模具生产企业中用的模架、导向件、模板等标准零部件的覆盖率已达到60％以上。
4．在中专、大专院校中建立了模具技术专业，从事模具技术人才培养和生产技术试验、研究工作；在技工学校的基础上，建立了许多培养、培训模具工人的职业培训机构，即形成了模具技术人才的教育与培训体系。
近20年来，尽管我国模具工业建设实现了跨越式发展，已具有相当大、相当高的能力和水平，但与模具工业发达国家相比，在模具生产技术、模具企业管理和模具生产过程的控制与管理，模具生产装备、生产软件与工具配套诸方面，差距仍然很大，尚不在同一个水平、同一平台上，差距主要为：
1．模具技术人才的生产经验和生产知识、技术以及模具生产过程中的核心技术CAD/CAE/CAM的水平和内涵还不及模具发达国家。
模具是专业技术产品，是只能进行单件生产的成形工具，工业发达国家每年需设计、制造百万副以上模具。显然，模具设计与制造过程中的经验与技术则是非常重要的基础。而由经验、技能沉淀、固化成的生产知识或形成的传统技术，则更是模具生产过程中的关键、核心技术。模具CAD/CAE/CAM生产技术，当然也是为此形成的，或是建立在长期积累的生产经验——生产知识的基础上形成的。所以，尽快研究、掌握模具生产经验、技能，及以之固化成的知识，并使之形成模具设计与制造的专家系统或生产传统，是今后10~20年间必须解决的问题和任务。
2．模具企业管理，模具生产过程的控制与管理，也远不及模具发达国家模具企业精细、严谨、科学、效率高。
德国、美国、日本等国家模具企业是以质量、合理利益为用户服务，以建立企业信誉为宗旨，来组织教育员工、管理企业；以每副模具为计划项目，并以生产过程中为控制与管理单元，达到控制和保证每副模具的质量与性能。因此，不断进行技术创新和引进科学管理经验，以便在合理、节约企业资源的条件下，适时提升企业生产管理水平和经营理念，实现高效率运行。我国模具企业数量庞大，且多为新建的家庭式企业或由计划经济条件下转型的企业。引进或创新企业管理的科学方法与机制缓慢，受到人才、观念、习惯、投入和体制等多方制约。致使企业生产和经营服务运行机制落后，不能充分、合理利用企业拥有的高效、高精生产装备等资源，造成了许多不必要的浪费。此外，由于掌握模具制造质量的能力较低和不适当的延长模具生产周期，造成了有的模具企业与用户之间不该发生的合同纠纷。因此，研究或引进专用模具单件生产的管理与控制理论、模式、科学方法和软件，培养或引入规范、法规、转变或改造家庭式企业的体制、管理模式、习惯和观念，是今后10~20年间提高企业管理水平和企业素质必须要解决的问题。
三、模具市场需求分析
模具应用广泛，现代制造业中的产品构件成形加工，几乎都需要使用模具来完成。因此，凡制造业发达的国家，模具市场均极为广阔；凡模具发达国家，制造业也必定很发达和繁荣，也必定拥有国内、国外两个市场。所以，模具产业是国家高新技术产业的重要组成部分，是重要的、宝贵的技术资源。
1．市场对模具的基本要求。
（1）模具的精度、质量和使用性能，必须达到用户或相应类别模具的验收技术条件标准。
（2）模具生产周期、供模期，必须达到用户合同中规定的供模期限，以满足用户生产计划要求。一般，美国模具企业的供模期平均为2.5~3个月。日本模具协会则称其供模期可达到美国模具企业平均供模期的1/3~1/2。
（3）模具企业必须尽力降低生产费用，提高生产效率，使模具合同价格趋于合理，以提高市场竞争力。
（4）模具生产企业需根据用户的产品性质、生产批量提供相应种类和不同使用性能的模具。为此，广泛推广和提供适于产品试制或多品种、小批量生产用的快速制造与价格低的各类经济模具，对适应市场多样化需求和新产品开发，则具有重大技术、经济意义。
2．模具市场组成和特点。
目前，全球模具年销售总额为600余亿美元，亚洲为200亿美元左右，其中日本达100多亿美元，我国仅为40~50亿美元，且年进口金额达10~20亿美元。明显反映出我国模具生产能力的差距。
为此，分析模具市场组成和特点，确立今后模具技术发展的方向与趋势，极为重要。
（1）模具市场组成。
汽车生产用模具；主要需中大型板材成型冲模和中大型注射模、内衬件热压模、压铸模等。 IT-通讯-电子产品生产用模具：主要需塑料注射成型模具、发泡模、吸塑模；板材成形冲模等。家用电器产品生产用模具：主要需塑料注射成形模具、发泡模、吸塑模；板材成形冲模等。
电工-机械产品生产用模具：主要需中小型精密级进冲模与热固性精密塑料模，压铸模，精锻模，冷挤、冷镦模，以及拉丝模等。航空（天）器-铁路机车、船舶-动力机械生产用模具：主要需热锻模、铸造用金属模等。
建材-家俱生产用模具：主要需金属与塑料型材挤出模、塑管与塑管接头注射模、陶瓷模（如砖模）、玻璃板等。
（2）模具市场特点。
上述六大块市场现在及未来20年间，模具应适应产品市场多样化和多品种、小批量生产要求。模具市场则具有以下特点：
市场将需求产品外观美（如家电产品）、精致（如手机、钟表）、技术含量高（如电子元件、多色塑件）、惬意与豪华（如汽车）等。无疑，为适应市场对产品多样化需求，模具型件结构将趋于更复杂；尺寸精度的稳定性（工作过程中变形、磨损量极小）将要求更高；表面精糙度要求更低。总之，将进一步提高模具技术含量，进一步增加模具设计、制造难度。
在产品市场多样化的环境条件下，产品的市场寿命将缩短，产品改型速度将加快。这不仅将提高模具年需求量，供模期要求也越来越短。目前，为满足用户需求，许多模具厂的供模期已缩短到40天。同时，研制、推广通用、快换模具，如快换冲模、快换塑料注射模、当是重要的模具技术发展趋势。为保持企业产品的市场竞争力，企业产品技术储备将增加，新产品开发试制的速度和数量必将加快、加大。因此，加大研制、推广快速制造模具制造技术的力量，以适应新产品试制对模具的要求，已成为重要的模具技术的发展趋势。
四、未来发展的总体思路和总体目标
综观模具市场与模具生产技术现状、差距和发展趋势。我国模具在未来20年内，须以“十年生聚、十年生息”，发奋图强的精神，全面掌握、实现信息化、数字化模具生产技术，建设成为发达的模具工业国家。
1．未来十年内，在我国模具企业中全面普及模具CAD/CAM生产技术的基础上，以模具企业为主体，依靠大专院校的科技力量，研究模具的分类学、实现模具零部件的标准化、参数化，以及模具结构参数规范，并使之形成模具CAD/CAM系统软件的支持软件；加速研究、积累模具设计、制造的经验、技能，并使之沉淀为生产知识，固化为专家系统；研究、应用RPM快速制造模具技术等。并在此基础上，使我国模具骨干企业（约15~20％的模具企业）全面实现模具CAD/CAM生产技术。
2．同时，研究引入适于专用模具单件生产方式的企业管理、模具生产过程控制与管理和模具用户服务信息管理的理论、模式和方法及其软件。藉此，提高模具企业、模具行业在国际国内两个市场的核心竞争力。
3．未来20年内，模具企业在全面掌握模具CAD/CAE/CAM关键、核心技术和全面采用信息管理的基础上，使各类各种模具均形成各自的设计与制造的企业群体、企业体系；实现模具标准通用零部件的集成生产体系；全面实现型件表面无研、抛作业，使成形加工工艺完全可控；使通用、系列产品生产用模具，实现集成、柔性生产体系。即：在未来20年内，我国50％的模具企业，将达到国际水平的现代化工业生产，使我国成为模具发达国家。
五、战略重点和主要任务研究
未来20年内发展模具科学技术的战略重点为进行模具信息化、数字化生产技术发展与研究。主要任务为：
1．研究开发三维（3D）的模具CAD/CAE/CAM系统，并形成拥有自主知识产权的软件体系。
2．研究模具设计、制造参数，通用、标准、参数化构件及由经验构成的专家系统，并使之形成模具CAD/CAE/CAM数据库。
3．建立模具企业生产管理系统软件的应用与开发体系。
4．研究、开发金属板材成形工艺过程模拟分析软件。
5．研究精密电火花加工工艺及其柔性制造单元。
6．研究数字化快速制造模具技术。
7．研究模具成型件材料的应用体系和模具型件用新材料。
六、政策措施
1．模具设计与制造技术，与机械工程、信息与电子工程、冶金与材料工程、化工工程和工程管理等学科专业具有密切关系。同时，模具对现代制造业发展具有关键、核心技术的作用。
因此，模具科学及生产技术应当重点、独立立项进行发展研究。否则，将影响模具工业的发展与进步。
2．由于模具技术实践性强，因此其科学技术发展与研究应以模具企业为主体，依靠科研院所、大专院校科研力量进行开放式试验、研究，将取得更好效果。
3．为实现未来20年内的模具科学技术发展研究的总战略、总目标和主要任务，要充分发挥行业协会在规划、立项和实施中的组织协调作用，方能发动全行业、万众一心地完成。
4．由于模具是专用型技术产品，只能采用单件生产方式，其标准化对模具制造质量、周期和价格具有特殊意义。模具还具有巨大的社会效益，故国家应对模具标准化、标准件的研究、开发和生产加大支持力度。
5．模具是技术型产品，技术含量高，对模具设计、制造人才，特别是对从事数控机床和模具CAD/CAE/CAM的职工素质要求很高。因此，必须建立高素质的教师队伍，加强模具技术人才的培养与培训。
6．模具是制造业广泛使用的专用成型工具、专用技术产品，只能进行单件生产，其生产过程长、制造设备精度高、生产管理复杂，对技术人才素质要求高，致使生产成本高，造成模具企业只能获取微利。因此，国家仍须给予政策扶持，继续执行增值税返还政策，以促进模具企业的技术进步。