論先進制造技術在模具行業的運用

楊國強

（廣東省輕工業技師學院 廣東廣州 510315）

近年來，我國先進的模具制造技術取得了很大進步，著眼于模具制造技術的發展，分析了先進技術在模具制造中的應用，并展望了其發展前景。改革開放以來，我國計算機信息技術和自動化技術得到了前所未有的發展。傳統制造技術再次成為人們關注的焦點。目前，我國先進制造技術正在系統化、集成化發展。此外，對先進模具制造技術的開發和應用具有重要的現實意義和應用價值。模具是材料成形過程中的重要工藝設備，所生產產品的價值通常是模具本身價值的數倍。使用該模具，可以輕松生產出滿足質量要求的許多有價值的零件。因此，模具廣泛應用于機械、電子、汽車、信息、航空、輕工業、軍工、交通、建材、醫藥、生物、能源等行業。在上述行業中，大約60%—80%的零部件需要用模具制作生產。因此，模具制造的水平是測量中國制造業水平的重要標志。而且，金屬成形產業的快速發展也能為制造業提供強大的支持。模具產業的產業周轉率約為1:100。中國的模具產業雖然在后退，但是模具制造技術正在急速發展，特別是隨著模具制造技術的發展，模具制造業經歷了從制造業到現代先進技術制造業的過程。

一、我國模具制造的發展現狀

（一）模具制造業的基本狀況

作為工業生產的基本工藝裝置，模具廣泛用于汽車、電力、機械、信息、航空航天、輕工業產業、日常必需品以及其他產業的生產。據統計，75%的工業原料和50%的成品是由模具構成的產品，80%以上是用模具加工的。模具制造被稱為所有產業的母親，在相當大的范圍內，產品的質量和效率、新開發能力和國內制造業的國際競爭力都是由其決定的。自2005 年以來，中國將建設擁有模具總產值180 億元以上和300萬套年產量的大規模產業鏈。從2000 年到2005 年，中國的模具產業的產量平均增加了約18%。目前，國內模具市場有著龐大的需求和廣泛的前景，對大型、精密、復雜、耐用的模具的需求急劇增加。

改善產品質量和生產效率，減少生產成本，最大化模具產業的適應性，模具產業是全世界經濟生存和發展的道路，現在越來越多的人接受“輕工業模具化制造的優點”的概念。在模具制造行業，作為促進模具產業繁榮的方法，廣泛的用途和各種先進的制造技術的開發正在進行中。

（二）模具CAD/CAE/CAM 技術概述

在數字技術和三維建模技術的支持下，CAE 和CAM-CAD集成技術在我國主要行業得到了廣泛應用。目前，CAD-CAM技術廣泛應用于輕工業板材。DNC 不僅通過模具制造、制造和沖壓實現，還通過NC 程序的技術支持實現。此外，CAD-CAE-CAM 技術也應用于塑料模具。中國自主開發的軟件，如CAXA 軟件，被廣泛使用。在新的時代，我國的CAD、CAE、CAM 技術得到了進一步的發展：第一，模具CAD 是對傳統設計計算方法的首次模擬試驗。這是一個基于高級設計理論、過去的實踐經驗和專業知識的理論，結果更加合理、科學。第二，在刀具結構設計過程中，將組織、管理和信息交換技術貫穿于刀具設計、裝配和檢驗的全過程，以確保三維結構，研究該工具的三維思維和三維參數特征。此外，它還可以科學地評估模具的可制造性、成本估算、模具的實用性以及零件的制造過程。

（三）模具先進制造技術的發展

作為模具空心加工的重要組成部分，高速加工技術以其加工穩定、加工質量好、加工效率高等優點在模具加工中得到廣泛應用。首先，這項技術是有效的。高速銑床的主軸轉速通常保持在15000—40000 轉速之間，通常高達100000 轉速。切削速度可達400m/min，加工效率高。以殼體鑄造工藝為例，傳統銑床和電火花加工所需時間約為60 小時，可由14小時的先進高速刀具完成。隨著國外機床機電技術的快速發展，其性能、工程指標和自動化程度均處于世界前列。近年來，隨著電火花加工技術的不斷發展，加工過程中的安全防護越來越受到重視。目前，電火花加工技術存在的問題主要集中在輻射危害上，輻射危害不僅會導致許多安全事故，而且會對環境造成破壞性影響。因此，國際市場開始關注綠色產品的研究。以日本公司為例，它不僅響應速度快，而且定位精度高，體現了直線伺服電機不易變形的優點。采用加工技術和脈沖功率微加工技術，提高加工效率。20 世紀中葉和20 世紀下半葉，在美國興起的2.3RPM 快速成形技術是制造業的一項新的創新和突破。數控技術和機械工程實現了從零件設計到三維實體造型的發展。長期以來，RPM 技術已經演變為快速觸發技術，成為國內外RPM 領域的研究熱點。在應用先進噴嘴技術的新時期，我國的科技水平有了很大提高。刀具高度加工技術的應用越來越多。目前，超聲波加工精度為0.01-0.02mm 與刀具制造技術相比，粗糙度大大降低。在充模、線切割、銑削等方面取得了良好的應用效果。目前，我國汽車、發動機等產品的輕量化設計程度不斷提高，壓鑄模具所占比例不斷增加。同時，它也對客戶的生活和質量提出了更高的要求。此外，隨著現代成形技術的發展，氣輔模具得到了廣泛的應用，廣泛應用于精密腔體的冷卻，它具有良好的剛度和高強度。結合熱流道支撐技術，可大大提高零件質量和生產效率。減少對原材料的依賴，降低生產成本。目前，中國模具公司的熱流利用率超過85%。

（四）模具的綠色技術

目前，綠色模具技術主要有兩種形式。首先，快速原型制造技術是集計算機、激光、數控和精密傳動于一體的最先進制造技術，根據產品的CAD 數據，采用傳統加工工藝中材料“淘汰”的原則，破壞“層壓”材料層，可以快速生產出具有特定結構和功能的產品，加快新產品的開發。新模具和原型的快速開發可以縮短、改變新模具和產品的開發周期，降低在現代模具制造下新產品快速進入市場的風險。。第二，虛擬制造技術，虛擬制造技術是對產品設計、加工、裝配、生產組織、管理和調度等制造過程中的所有連接進行建模，形成虛擬制造環境。在專用虛擬軟件技術和高性能硬件的支持下，在虛擬制造環境中生成數字產品，實現產品設計、性能分析、工藝決策、裝配制造和質量測試。為了縮短模塑產品的設計和制造周期，降低模塑件的開發成本，它可以快速響應市場的變化。

二、先進制造技術在模具制造中的應用

（一）高速數控切削

基于高速數控加工的關鍵技術，自動編程數控車銑主軸：高速數控切削主軸的速度通常是普通數控切削主軸的1.1 倍。高速數控切削的另一個特點是高速進給，在不改變切削力的情況下提高了切削速度。通過提高進給速度和在正常切削平面上的速度，可以縮短切削時間。高速主軸是高速數控切割的主要條件，高速主軸具有以下梯度：

靜壓軸承高速電主軸的旋轉精度小于0.2mm，轉速為100000rpm，高速電主軸也可以與靜電軸承一起使用，主軸旋轉精度小于50nm，轉速可達20000 轉。

（二）高速數控刀具的結構特性

高速進給驅動系統，即大型直升機螺桿、高速伺服電機和直線電機，直線導軌的進給精度可達行程60-120m/min；開發了三軸、四軸和五軸高速數控刀具，以控制運動部件的輕量化和伺服進給。復合表面加工工具系統包括涂層、超硬合金、未涂層金屬陶瓷、氧化鋁和氧化硅基陶瓷、聚晶金剛石，立方氮化硼和多晶硅刀架結構適用于高幾何精度的高速數控加工。在反復高速運轉的過程中，模具的安裝要求精度高、夾緊剛度高、可靠性好。

（三）高速數控磨削

數控高速磨床的結構具有動態精度高、抗震性好、穩定性好、自動化程度高、可靠性高等特點。需要幾種銑削功能的組合，數控高速砂輪機械強度高，對速度、精度和綜合可靠性要求高。黏合劑必須具有高附著力和耐磨性，以減少對砂輪的磨損，基于CAD/CAM 的數控自動編程，該方法快速、準確、直觀、易于使用和測試。

（四）模具制造的發展要面向先進制造的特種加工技術

特殊加工技術的最先進技術是材料技術、控制技術、微電子技術、計算機技術等傳統特殊加工技術的緊密結合。基于簡單工具的階段制作的想法，使用特殊的加工除去技術實現三維成形，包括NC-EDM 技術、NC 放電加工技術、NC 超聲波加工技術。電化學加工、超聲波加工一般的工序是使用模具復制原理將工具的模具復制到工作中。為了精確獲得矩陣的三維形狀，必須匹配凸矩陣和凹矩陣的形狀，并嚴格控制加工間隙中工作流體的分布。為了降低復雜模具的制造成本和時間，簡化加工液的流動控制，可以通過NC 工具的運動成型來加工復雜的三維形狀，這個問題必須解決。

為了實現過程建模，明確材料處理和工具損耗的法則，以實現機械加工的穩定控制，對應的CAD-CAM 軟件正在開發中。為了有效地簡化該問題的復雜性，使用與級聯處理相同的級聯處理，嚴格控制各層的加工方式，使其能夠加工工具的底面，而且復雜的三維模態表面處理不被認為是一系列的層處理問題。

三、三維空腔反射鏡放電加工機的精密集成成型技術

在腐蝕中，成形品需要微放電能量和加工間隙，因此，加工面積大的情況下，在動作電極和電極之間形成大的寄生電容，容易產生集中放電，影響表面加工品質，并且混合物會在被加工物表面形成高硬度涂層，提高模具腔表面的硬度和耐磨耗性，實現三維腔和鏡面腐蝕的一體化。

基于RP 的特殊處理技術的特殊處理技術和組合技術，拉皮德斯原型技術是制造模具的有效方法，將模具制造轉變為獨立的生產理念。未來的模具制造系統應結合材料生長、制造原理和加工技術，實現高速模具制造和特殊材料（功能材料等）的生產，它使人們能夠根據機械和電磁特性長期設計和制造新材料零件。我們需要研究原型的復合加工技術和特殊成型方法，如電成型、電弧束、等離子噴射成型、鑄造、精密鑄造和電火花加工，為金屬模具的快速生產提供一種特殊的組件材料和新工藝。

四、模具及制造技術發展趨勢

模具也被開發成多功能復合材料，多工位連續壓力機和多功能符合產業生產是我國精密模具的主要類型。大型型材的發展趨勢是為了開發原始的模擬實驗室，必須改進工具的尺寸和生產效率。提高刀具精度，十年前，精密工具一般為5米；現在已達到1—3 米，工具得到快速發展。

隨著輕工業制造、發動機等輕量化建筑產品的發展，壓鑄模具所占比例越來越大。同時，由于鑄造工作的復雜性和使用壽命，對其提出了更高的要求，快速經濟形式的前景非常廣闊。

21 世紀是一個多樣化的大量生產時代。這種生產形式占工業生產的75%以上。另一方面，產品的使用壽命縮短，樣式變化的情況也多，需要縮短模具的制造周期。因此，模具的快速發展越來越引人注目，輔助模具越來越被使用。

隨著塑料成型過程的不斷改良和開發，出現了適合高壓注塑的氣體輔助模具，可以精確控制模具溫度，鑄鋼性能非常嚴格。

使用熱流道技術可以提高零件性能，并逐漸增加熱流道的比例。因此，明膠的應用技術迅速發展起來。許多塑料模具廠生產的塑料模具中有一半以上采用熱流道技術，部分廠商的利用率達到80%以上，在中國制作熱流通道頻道方向，一部分企業的利用率是20%—30%。

結語

隨著模具制造技術的不斷進步，模具制造領域的數字化、集成化和自動化已成為必然。從加工技術標準化和創新，到旅游和加工廠的改進和創新，自動化技術覆蓋生產和生產的所有環節，系統地提高質量，降低成本，形成一套完整的自動化系統。建立標準化、集成化的制造理論和一系列強大、高效、優質的制造企業。展望未來，各種進步和新興科技發展應用于輕工業行業，以及中國制造業的先進趨勢、新理論和新技術。網絡化和智能化逐漸與自動化技術相結合，以平衡兩者的優勢，先進制造技術是先進制造技術的基礎。先進的自動控制系統可以取代先進制造技術的功能?？梢哉f，制造業的技術水平在很大程度上決定了制造業的技術水平。工具制造技術多種多樣，最先進的制造技術可以應用于模具制造，這里不可能一概而論。由于設備和技術成本較高，所有模具企業盡快采用高速數控加工技術是不現實的，對于某些類型的企業來說，適當使用相對廉價的特殊加工技術進行快速制造是值得的。