模具制造技術的現狀及發展

文/韓永志·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

模具制造技術的現狀及發展

文/韓永志·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

本文詳細介紹了當前模具制造技術的現狀，包括模具制造的機械加工方法、電加工和其他特種加工方法，特別是快速成形技術(RP)和快速制模技術(RT)的現狀，最后介紹了CAD/CAE/CAM集成技術在模具設計中的應用，并對模具制造技術的發展趨勢作了分析。

模具的加工技術

模具的一般性機械加工

去除加工法是指通過去除材料的方法得到模具型體和型腔。大多是在傳統加工及在其基礎上引申而來，主要包括機械加工、電加工（電火花成形、線切割等）和其他特種加工。

大約有90%左右的模具主要由銑削、車削、磨削等機械加工方法完成。它們主要用于完成模具輔助零件的最終加工，以及模具工作零件的預加工和最終加工。

⑴切削加工及高速銑削技術

傳統機加工切削手段，如車削、銑削、刨削、插削、鉆削等無一例外地都可用于模具加工。高速銑削是目前切削技術中應用最多的一種工藝技術，所使用的刀具包括鑲有可轉位刀片的立銑刀和球頭銑刀。這類刀具以美國Kennametal公司的產品最為有名，我國也開始使用這類產品。高速銑削技術的進一步完善和推廣應用是模具制造技術近年來的一個研究重點。高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩、加工質量好、加工效率高（為普通銑削加工的5～10倍）及可加工硬質材料（＜60HRC）等諸多優點，因而在模具加工中日益受到重視。

⑵磨削加工

成形磨削是工作型面精加工的一種方法，具有高精度、高效率的優點。在模具制造中，成形磨削主要用于精加工凸模、拼塊凹模及電火花加工用的電極等零件。成形磨削可在成形磨床或平面磨床上進行。

⑶研磨及拋光

經機加工的工件表面，無論其表面粗糙度值如何，都必須進行再次拋光。對于粗糙表面的修平有3種方法：去除材料、重新配置材料和增添材料。模具的研磨拋光目前仍以手動為主或借助電動或氣動設備手動拋光，效率低、勞動強度大、質量不穩定。傳統的拋光方法是從型腔側壁上去除材料以平整表面。模具表面的光整加工問題至今仍未能得到很好地解決。

模具的電加工

電加工技術中的電火花加工在模具制造中具有重要地位。其原理是基于工具電極與工件電極之間脈沖性電火花放電時的電腐蝕現象去除多余材料。其中以電火花線切割和型腔電火花成形為主。

⑴電火花線切割加工

電火花線切割加工是利用火花放電使金屬融化或氣化，并把融化或氣化了的金屬去除掉，從而實現各種形狀金屬零件的加工。線切割用于加工精密細小、形狀復雜、材料特殊的沖模零件，解決了許多機械加工困難或根本無法解決的加工問題，愈是形狀復雜、精密細小的沖模，特別是硬質合金模具，其經濟效果愈顯著。

慢走絲線切割加工是近年來的主要發展熱點。隨著無電解脈沖電源、優化能量脈沖電源、去離子水對離子的控制以及一系列精密加工技術的開發應用，使慢走絲線切割加工的發展達到了一個新的階段。

⑵型腔電火花加工

型腔電火花加工是利用火花放電的方法，將工具電極的形狀復印在模具坯件上而形成型腔的復制成形加工工藝。電極可由車、銑、刨、磨、冷熱成形、火焰噴涂或電鑄等方法獲得。型腔電火花加工工藝在當今模具制造業占有重要的位置，用它可以在鋼塊及燒結金屬中加工出用常規方法無法加工或很難加工的形狀復雜、尺寸精細的工件，正確選擇和使用電極可使模具制造費用比常規方法要低40%左右。

模具的其他特種加工方法簡介

不同于傳統的切削加工方法，特種加工是用機械能或者間接用聲能、熱能進行加工的一種方法。特種加工可以分為磨料流動加工、噴射加工、液力加工、低應力磨削、熱輔助加工、超聲波加工、噴水加工等多種加工方法，適用于切割、穿孔、研磨、拋光、去毛刺、蝕刻、磨削、拉削和鏜削等加工范疇。在一般用金屬切削刀具難以加工的場合宜采用機械特種加工，它是借助水、磨料、超聲波、熱能等對工件進行精密加工。

快速成形和快速制模(RP／RT)技術

快速成形法（RP）是一種基于離散和堆積原理的嶄新制造技術，依據計算機上構成的工件三維設計模型，對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓，然后按照這些輪廓，成形頭選擇性地固化一層層的液態樹脂（或切割一層層的紙，燒結一層層的粉末材料，噴涂一層層的熱熔材料或粘結劑）。近年來，由于快速成形技術的迅速發展，出現了一個新的領域——快速模具制造（RT），RT采用RP技術直接或間接制作模具，由于它不必采用傳統的加工機床，只需傳統加工方法的10%～30%的工時和20%～35%的成本，就能直接制造出產品樣品或模具，使模具的制造時間和制造成本大大縮短。

用快速成形機直接制作模具

由于一些快速成形機直接制作的工件有較好的機械強度和穩定性，因此可以直接用來制作某些模具。例如，用SLS（選擇性燒結）快速成形機能有選擇地燒合包裹熱塑性粘結劑的金屬粉，并在孔隙中滲入第二種金屬（如銅），從而制作金屬模。

用快速成形機制作母模，復制軟模具

用快速成形機制作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環氧樹脂、聚氨酯等軟材料，構成軟模具。其中蠟模用于熔模鑄造，硅橡膠模、環氧樹脂模等可用于制作注塑模，或低熔點合金鑄造模。

用快速成形機制作母模，復制硬模具

用快速成形機制作母模，或據其復制的軟模具，可澆注石膏、陶瓷、金屬基復合材料、金屬，構成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟模的壓印、拉伸模），從而批量生產塑料件和金屬件。這種模具有良好的機械加工性能，可進行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲嵌塊、冷卻系統、澆注系統等。用金屬基復合材料澆注成的蠟模的壓印，其模具壽命可達1000～10000件。

CAD/CAE/CAM技術的應用

CAD/CAE/CAM包括概念設計、優化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖、計算機輔助設計過程管理等。應用CAD技術可能設計出產品的大體結構，再通過CAE技術進行結構分析、可行性評估和優化設計。采用模具CAD/CAE/CAM集成技術后，一般不需要再進行原型實驗，采用幾何造型技術，制件的形狀能精確、逼真地顯示在計算機屏幕上，有限元分析程序可以對其力學性能進行檢測。模具CAD/CAE/CAM技術是改造傳統模具生產方式的關鍵技術，能顯著縮短模具設計與制造周期，降低生產成本，提高產品質量。

目前，世界上大型的CAD/CAE/CAM軟件系統有英國Delcam公司的系列化軟件，以色列Cimatron公司的Cimatron系統，美國PTC公司CAD/CAE/CAM集成軟件系統Pro/E，美國Solidworks公司的Solidworks軟件，實物造型的Surface，材料成形分析軟件比較成功的是用于板料成形 （如沖壓）的DYNAFORM、用于體積成形 （如鍛造）的DEFORM和用于流動成形（如壓鑄、注射）的MoldFlow。

由于數控技術的推廣普及，使得模具行業中CAD/CAM的集成得以實現，目前CAD/CAE/CAM已呈現出以下三大發展趨勢：混合模型、設計制造系統數據庫管理、車間現場3D程序編制。

模具的材料、表面工程技術以及加工新理念

模具的材料選擇

模具工業因選材和用材不當，致使模具過早失效，大約占失效模具的45%以上。在模具材料方面，常用冷作模具鋼有CrWMn、Cr12、Cr12MoV、9SiCr、W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等；常用新型熱作模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V，美國的H10、H11、H13等；常用塑料模具用鋼有預硬調質鋼 （如P20、T19等）、時效硬化型鋼（如PMS、SM2等），冷擠壓成形模（LT鋼、8416鋼等）。多工位精密沖模常采用鋼結硬質合金及硬質合金YG20等。

模具的表面處理技術

模具材料是模具工業的基礎，但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求，采用表面工程技術可在一定程度上彌補模具材料的不足?？捎糜谀＞咧圃斓谋砻婀こ碳夹g十分廣泛，既包括傳統的表面淬火技術、熱擴滲技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術，又包括近20年來迅速發展起來的激光表面強化技術、物理氣相沉積技術（PVD）、化學氣相沉積技術（CVD）、離子注入技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術、復合電鍍技術、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等。而稀土表面工程技術和納米表面工程技術的進展必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發展。在模具表面處理方面，其主要趨勢是：由滲入單一元素向多元素共滲、復合滲（如TD法）發展；由一般擴散向CVD、PVD、PCVD、離子滲入、離子注入等方向發展；可采用的鍍膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C 等，同時熱處理手段由大氣熱處理向真空熱處理發展。另外，激光強化、輝光離子氮化技術及電鍍（刷鍍）防腐強化等技術也日益受到重視。

模具工業新工藝、新理念和新模式

在成形工藝方面，主要有沖壓模具功能復合化、超塑性成形、精密塑性成形技術、塑料模氣體輔助注射技術及熱流道技術、高壓注射成形技術等。同時模具制造業將隨著相關行業（如計算機技術、電子技術、通訊技術、光學技術等）的不斷發展，在新的制造理念（如柔性制造、并行工程、敏捷制造、虛擬制造、智能制造等）的引導下，朝著低成本、高效率、高質量、安全環保的方向發展。還有廣泛采用標準件和通用件的生產模式，及在科技哲學的指導下運用綠色設計方法的原則進行模具設計，使之適應可持續發展戰略等。

韓永志，工程師，主要從事汽車整車沖壓件工藝分析及審查，關鍵外板件的CAE分析；模具結構圖審查、驗收及現場調試等工作。