精密模具制造技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著制造業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)精密模具的需求也在不斷擴(kuò)大和升級(jí)。深入探討精密模具制造技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)促進(jìn)我國制造業(yè)的發(fā)展、提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)占有率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

精密模具的研究始于20世紀(jì)初期，至今已經(jīng)有了很大的進(jìn)步和發(fā)展。國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)精密模具制造技術(shù)和應(yīng)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(yīng)用方面處于領(lǐng)先水平。日本的制造企業(yè)通過引進(jìn)國外的數(shù)控加工技術(shù)，開發(fā)了一系列高精度、高效率的精密模具產(chǎn)品，成功地應(yīng)用于汽車、電子產(chǎn)品和航空航天等領(lǐng)域。德國的精密模具企業(yè)則注重研究新型材料和新型加工技術(shù)，在高速切削、光學(xué)成像等方面取得了重要進(jìn)展。相比之下，我國的精密模具制造技術(shù)與國際先進(jìn)水平還有一定的差距，特別是在高精度、高難度的復(fù)雜模具加工方面仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。

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(chǎn)品為目的，經(jīng)數(shù)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(fù)性和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，其制造過程需要借助先進(jìn)的切削加工技術(shù)、傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)

精密模具的組成結(jié)構(gòu)主要包括模架、模座、上模板、下模板、定位銷、引導(dǎo)柱、滑塊、落料器和開關(guān)等部件。其中，模架對(duì)其他所有部件進(jìn)行支撐；模座與模具的拆卸、安裝和調(diào)試有關(guān)；上下模板負(fù)責(zé)壓鑄或壓力成形，往往分別采用自行脫模式和帶提升機(jī)構(gòu)的不同方式來進(jìn)行；定位銷和引導(dǎo)柱提供精確定位、穩(wěn)定導(dǎo)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(guān)；而開關(guān)與加工環(huán)境和操作方式有關(guān)。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(shù)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(jìn)口鋼材、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、特殊鋼、無縫鋼管、鋁合金、硬質(zhì)合金、陶瓷或非金屬等類型。

2.4 精密模具的特點(diǎn)

（1）高精度 精密模具的制造精度能夠達(dá)到亞微米級(jí)別或更高水平。這是因?yàn)橹圃炀鹊母叩秃艽蟪潭壬先Q于加工技術(shù)和材料的物理性質(zhì)等因素。

（2）高重復(fù)性 精密模具具有良好的可持續(xù)性。經(jīng)過相同的工藝加工后，能夠確保每個(gè)成品的精度和質(zhì)量是相同的。

（3）長(zhǎng)壽命 精密模具經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)和制造，往往能夠使用多年甚至數(shù)十年而不會(huì)出現(xiàn)明顯的損耗或損壞。

2.5 精密模具的應(yīng)用范圍

精密模具廣泛應(yīng)用于汽車、電子產(chǎn)品、航空航天、醫(yī)療器械、家電、機(jī)械制造及鋼鐵等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)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(chǎn)出各種形狀復(fù)雜和高質(zhì)量的產(chǎn)品，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、導(dǎo)軌、芯片封裝、消費(fèi)類電子產(chǎn)品外殼、醫(yī)療器械零部件及高速列車制動(dòng)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(wěn)定性有待提升 目前，精密模具制造還存在一些技術(shù)上的瓶頸和困難，加工精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的提升。為解決這一問題，可以進(jìn)一步將軟硬件進(jìn)行結(jié)合，提高加工和檢測(cè)裝備的精度和準(zhǔn)確性，完善整個(gè)制造流程的控制及質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)。

（2）缺乏系統(tǒng)化管理 由于精密模具的生產(chǎn)流程比較復(fù)雜，往往涉及設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)等諸多環(huán)節(jié)，因此在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)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(jìn)的ERP、MES等信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全流程的系統(tǒng)化管理，保證各個(gè)環(huán)節(jié)之間的順暢協(xié)作。

（3）人才缺口 精密模具行業(yè)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，需要高水平的創(chuàng)新型人才支撐。當(dāng)前人才缺口較大，急需培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人員。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與高等院校及科研機(jī)構(gòu)的合作，加大對(duì)人才的培養(yǎng)力度。

（4）設(shè)計(jì)和工藝之間溝通不足 設(shè)計(jì)和制造之間存在很大差異，設(shè)計(jì)人員在與客戶溝通時(shí)，缺乏對(duì)客戶需求的理解，不能在客戶需要時(shí)提供必要的支持。為避免這種情況發(fā)生，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)定期評(píng)估技術(shù)與非技術(shù)組之間的信息交流程度，加強(qiáng)溝通管理和制定項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，增強(qiáng)有效溝通、職責(zé)和目標(biāo)的相關(guān)性。

綜上所述，精密模具制造行業(yè)在發(fā)展過程中依然面臨較多的挑戰(zhàn)和難題。應(yīng)該從技術(shù)、管理和人力資源等多方面入手，探索出符合行業(yè)自身情況的解決途徑，不斷提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)行業(yè)健康快速發(fā)展。

2.7 精密模具制造的發(fā)展方向

（1）數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用 精密模具制造工藝正逐漸向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字化建模、可視化仿真和智能制造等新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

（2）智能化制造 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，精密模具制造也逐漸實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。通過引入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人和云計(jì)算等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析，減少信息傳遞的中間環(huán)節(jié)，加快生產(chǎn)節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）新型復(fù)合材料的應(yīng)用 未來高強(qiáng)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(yīng)用于精密模具制造，以滿足日益增長(zhǎng)的客戶需求。復(fù)合材料相比傳統(tǒng)材料具有更高的強(qiáng)度，具有輕量化、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為精密模具制造領(lǐng)域的熱門材料。未來隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)催生出更多新型的精密模具材料，從而進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

（4）精度和表面質(zhì)量提高 隨著市場(chǎng)需求的升級(jí)，精度越來越成為關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，表面質(zhì)量好、抗氧化是另一種重要競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)，越來越多的生產(chǎn)商不僅要求精密模具準(zhǔn)確可靠，而且要求模具外形美觀。

（5）輕量化技術(shù)的應(yīng)用 由于精密制造件的質(zhì)量限制較小，因此可迅速地推進(jìn)輕量化技術(shù)的應(yīng)用，降低制造成本，同時(shí)減輕質(zhì)量，提高產(chǎn)品性能。

（6）快速成形技術(shù)的應(yīng)用 傳統(tǒng)的制造方式往往需要大量時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)等，高昂的費(fèi)用限制了產(chǎn)品的開發(fā)速度和效率?？焖俪尚渭夹g(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這一問題，可以實(shí)現(xiàn)精密模具的快速、高效和低成本制造。

（7）專業(yè)化定制 隨著市場(chǎng)需求的不斷變化，精密模具的設(shè)計(jì)和制造也逐漸向著個(gè)性化、專業(yè)化方向發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始注重研發(fā)定制化的精密模具，以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的多樣化。

（8）高可靠性和高耐久性 在汽車、電子產(chǎn)品和航空航天等領(lǐng)域，對(duì)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(yè)需要更加注重材料、工藝等方面的創(chuàng)新，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。

3 精密模具制造技術(shù)

在先進(jìn)制造業(yè)中，模具制造領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，精密模具制造技術(shù)也在逐漸完善和升級(jí)。

3.1 數(shù)控加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)是一種數(shù)字化的高精度加工方法，在模具制造過程中被廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于可以直接將計(jì)算機(jī)上的虛擬模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)的物理模型，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，可減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生。

目前常見的數(shù)控加工設(shè)備有數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控電火花加工機(jī)等。它們使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行操作，將設(shè)計(jì)圖樣上的數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值一一對(duì)應(yīng)，通過高速旋轉(zhuǎn)的工具頭進(jìn)行切削，從而得到高精度的零件和模具。

3.2 激光處理技術(shù)

激光處理技術(shù)是一種快速、高效和靈活的零件加工方法，可以加工各種復(fù)雜形狀的模具。激光加工的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)。

激光處理技術(shù)主要有激光切割、激光打標(biāo)和激光焊接等。其中激光切割和激光打標(biāo)常用于金屬板材的加工，激光焊接主要應(yīng)用于模具修復(fù)和復(fù)雜形狀的零部件制造。

3.3 電火花加工（EDM）技術(shù)

電火花加工（EDM）是一種利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成形的加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于制造高精度的模具和工具零件。EDM加工的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)硬度較高的材料和脆性材料，比如強(qiáng)化鋼、硬質(zhì)合金等材料的銑削加工更有優(yōu)勢(shì)。

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(zhì)，在電極和工件之間產(chǎn)生電火花，使工件材料局部熔化和蒸發(fā)，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(shù)，有著各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍。通常情況下需要根據(jù)加工對(duì)象的要求，以及設(shè)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(shù)時(shí)，需要考慮加工時(shí)間、精度要求、適用的材料以及成本等各方面因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇，以達(dá)到最佳生產(chǎn)效果。

4 精密模具在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 汽車領(lǐng)域

精密模具在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要包括汽車內(nèi)外飾件成形，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等關(guān)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(cè)裙等的生產(chǎn)；在汽車關(guān)鍵部件方面，模具可用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎn)。汽車結(jié)構(gòu)件模具如圖2所示。

圖2 汽車結(jié)構(gòu)件模具

當(dāng)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(xiàn)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(chǎn)效率。

4.2 電子產(chǎn)品領(lǐng)域

精密模具在電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，例如智能手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品中的面板、機(jī)殼及電池等關(guān)鍵零部件都需要通過模具制造。此外，精密模具還應(yīng)用于半導(dǎo)體元器件制造等諸多領(lǐng)域。電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件模具如圖3所示。

圖3 電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件模具

4.3 醫(yī)療器械領(lǐng)域

精密模具在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)、牙科設(shè)備和手術(shù)器械等。該領(lǐng)域?qū)τ谀＞叩闹圃熨|(zhì)量和精度要求較高。通過使用精密模具，可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)可以確保醫(yī)療產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。醫(yī)療產(chǎn)品模具如圖4所示。

圖4 醫(yī)療產(chǎn)品模具

4.4 其他領(lǐng)域

除上述領(lǐng)域外，精密模具在其他眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，模具可用于加工精密的碳纖維零件，協(xié)助飛行器得以順利運(yùn)行；在建筑領(lǐng)域，模具應(yīng)用在建筑防水隔離材料的生產(chǎn)中，可增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量。建筑領(lǐng)域產(chǎn)品模具如圖5所示。

圖5 建筑領(lǐng)域產(chǎn)品模具

精密模具制造技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，精密模具的應(yīng)用領(lǐng)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(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)

（1）智能化 通過使用先進(jìn)的智能控制技術(shù)，使模具具備自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)檢測(cè)等功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制?？梢源蟠筇岣呔苣＞叩闹圃煨屎唾|(zhì)量，并且減少制造過程中的人工干預(yù)。

（2）通用化及高效能化 傳統(tǒng)型精密模具的制造周期較長(zhǎng)，且個(gè)性化生產(chǎn)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(fā)展趨勢(shì)。

通用化模具是指能夠?yàn)槎喾N類型產(chǎn)品提供生產(chǎn)技術(shù)支持的模具，可以實(shí)現(xiàn)多種類型產(chǎn)品的生產(chǎn)，提高模具的利用率。高效能化模具擁有更快、更穩(wěn)定和更節(jié)能的性能，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高制造效率及成本效益。

（3）大規(guī)模定制化 在許多領(lǐng)域，由于不同品牌、不同型號(hào)和不同規(guī)格產(chǎn)品對(duì)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(fā)大規(guī)模定制化精密模具。

大規(guī)模定制化模具是指在規(guī)?；幕A(chǔ)上，按照客戶的需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，整合精密制造技術(shù)，合理規(guī)劃生產(chǎn)流程。模具制造中通過深度定制以實(shí)現(xiàn)工藝的持續(xù)優(yōu)化，智能助力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加速，減少人力消耗，并保證制品質(zhì)量，同時(shí)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（4）轉(zhuǎn)型升級(jí) 當(dāng)前，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇、智能技術(shù)應(yīng)用推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)等新形勢(shì)下，精密模具制造業(yè)正在進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。在發(fā)展過程中，構(gòu)建具有體驗(yàn)式和品質(zhì)化特色的“新廠房”，通過協(xié)同創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)智能制造、工業(yè)變革，實(shí)現(xiàn)精密模具制造業(yè)向高技術(shù)、高附加值和高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方向持續(xù)升遷。

精密模具制造業(yè)未來將在技術(shù)和市場(chǎng)雙重驅(qū)動(dòng)下，呈現(xiàn)更加智能化、通用化、定制化和環(huán)?；陌l(fā)展趨勢(shì)。只有積極迎合新發(fā)展模式，不斷推動(dòng)改革和創(chuàng)新，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

6 結(jié)束語

本文對(duì)精密模具制造領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了深入探討，通過相關(guān)文獻(xiàn)研究和案例分析，得出以下結(jié)論。

（1）重要性 精密模具的加工精度和制造周期對(duì)于許多行業(yè)來說都至關(guān)重要。

（2）發(fā)展趨勢(shì) 精密模具制造技術(shù)在智能化、通用化、高效能化、大規(guī)模定制化和環(huán)?；确矫娑紝⒌玫娇焖侔l(fā)展。

（3）合作化 通過與多個(gè)領(lǐng)域的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)合作，可以加速技術(shù)研究與開發(fā)進(jìn)度，提高精度，降低成本，實(shí)現(xiàn)更快的技術(shù)升級(jí)。

未來精密模具制造業(yè)的發(fā)展更加注重以下幾方面的研究和應(yīng)用。

（1）智能化技術(shù) 在自動(dòng)化、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)和智能控制等方面加大研究與投入，推動(dòng)模具制造技術(shù)的智能化。

（2）綠色制造 采用環(huán)保材料、綠色設(shè)計(jì)，并在制造過程中減少對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)精密模具制造的環(huán)?；?。

（3）協(xié)同創(chuàng)新 各個(gè)研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)之間在理念、技術(shù)和資源等方面進(jìn)行深度合作，共同研制更加先進(jìn)的精密模具制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效、創(chuàng)新發(fā)展的目標(biāo)。

精密模具制造業(yè)的未來充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。通過不斷深入的研究和創(chuàng)新，完善現(xiàn)有技術(shù)以及開展前沿技術(shù)研究，可以為精密模具行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

專家點(diǎn)評(píng)

文章結(jié)合當(dāng)前的模具制造技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，闡述模具制造中存在的問題與解決途徑，通過轉(zhuǎn)型升級(jí)和技術(shù)創(chuàng)新，引導(dǎo)精密模具制造業(yè)向高技術(shù)、高附加值和高質(zhì)量方向發(fā)展。

文章主題明確，結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容廣泛，論據(jù)有力。亮點(diǎn)是文獻(xiàn)資料和實(shí)證研究方法，綜合國內(nèi)外研究成果和實(shí)際應(yīng)用案例，側(cè)重于精密模具的智能制造和前沿技術(shù)研究，迎合模具制造業(yè)的加工模式和發(fā)展方向，以智能化、通用化、定制化和環(huán)?；癁槟繕?biāo)，推動(dòng)技術(shù)改革和工藝創(chuàng)新，具有很好的參考借鑒作用。