现代模具的先进制造方法综述(共11页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上现代模具的先进制造方法综述摘要：本文主要介绍了当今模具行业的先进加工制造方法。从现阶段的发展状况出发，合理分析了今后的发展趋势，并对现代模具的几种先进加工制造方法进行了概括性的介绍。关键词：模具制造；先进方法； 综述Abstract: In this paper, the mold industry in todays advanced manufacturing methods. Starting from the current state of development, rational analysis of the development trend of

2、the future, and several modern mold manufacturing methods of advanced general are introduced.一、模具行业发展现状级今后趋势1.模具和模具行业 模具（mold; mould; die; tooling；matrix; pattern）是用来成型物品的工具，这种有各种零件构成，不同的模具由不同的构成1。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力，以工程塑料、橡胶、等制品的压塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸

3、的制件的工具2。在现代化工业生产中，60%90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为工业发展的基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上以来模具的生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出3。而作为制造业基础的机械行业，据国际生产技术协会预测，实际机械制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依赖模具完成。因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。模具工业发展的关键是模具技术的进步，模具技术有涉及到许多学科的交叉。模具作为一种高附加值和技术密集型产品，其技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造水平的重要标志之一。世界上许多国家，特别是一些工业发达的国家都十分重视模具技术的

4、开发，大力发展模具工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造水平，已经取得了显著的经济效益。美国是世界超级经济大国，也是世界模具工业领先的国家，早在20世纪80年代末，美国模具行业就有一万两千多个企业，从业人员有十七万之多，模具总产值叨叨64.47亿美元。日本模具工业是从1957年开始发展起来的，当年模具总产值仅有106亿日元，到1998年总产值已经超过4.88万亿日元，在短短的40余年内增加了460多倍，这也是日本经济能飞速发展并在国际市场上占有一定优势的重要原因之一。纵观世界经济的发展，模具工业在经济繁荣和经济萧条时代都不可或缺。经济发展较快时，产品畅销，自然要求模具能跟上；而经济发展滞缓

5、时期，产品不畅销，企业必然千方百计开发新产品，这同样会给模具带来强劲的需求。因此，模具行业是一个经久不衰的工业4。2、我国模具技术的现状及发展趋势我国模具工业起步晚，底子薄，与工业发达国家相比有很大差距，但在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具工业发展迅速。据统计，我国现有模具生产厂家近两万家，从业人员有50万人5。但总体上看，自产自用占主导地位，商品化模具近卫1/3左右，国内模具生产仍供不应求，特别是精密、大型、复杂、长寿命模具，仍主要依赖进口。目前，就整个模具市场来看，进口模具约占总量的20%左右，其中，中高档模具进口比例达到40%以上，因此我国模具产业任重而

6、道远。可喜的是近年来我国的模具技术和水平也取得了长足的进步主要表现在一下方面6：1)研究开发模具新钢种及硬质合金、钢结硬质合金等新材料，一些新的热处理工艺，延长了模具的使用寿命。2)开发了一些多工位级进模和硬质合金模等新产品，并 根据国内生产需要研制了一批精密塑料注射模。3)研究开发一些模具加工新技术和新工艺，如三维曲面数控、仿形加工；模具钢的超塑性成形技术和各种快速制模技术等。4)模具加工设备已得到较大发展，国内已能批量生产精密坐标磨床、计算机数字控制(CNC)铣床、CNC电火花线切割机床和高精度电火花成形机床等。5)模具计算机辅助设计和制造已在国内开发和应用。我国的模具技术虽然得到了较大的

7、发展，但仍然还需花费大量资金向国外进口模具，其原因是：1)专业化生产和标准化程度低。2)模具品种少，生产效率低、经济效益较差。3)模具生产制造周期长、精度不高，制造技术落后。4)模具寿命短，新材料使用量少。5)模具生产力量分散、管理落后。根据我国模具技术发展的现状及存在问题，今后的发展方向为：1)开发和发展精密、复杂、大型、长寿命的模具，以满足国内外市场的需要。2)加速模具的标准化和商品化，以提高模具质量，缩短模具生产周期。3)大力开发和推广应用模具CAD/CAM技术，提高模具制造的自动化程度。4)积极开发模具新品种、新工艺、新技术和新材料。5)发展模具加工成套设备，以满足高速发展模具工业的需

8、要。二、模具制造的基本要求和特点1、模具制造的要求(1)制造精度高 为了生产合格的产品和发挥模具的效能，设计、制造的模具必须具有较高的精度。模具的精度主要是由模具零件精度和模具结构的要求来决定的。为了保证制品精度，模具工作部分的精度通常要比制品精度高 24 级；模具结构对上、下模之间的配合有较高要求，因此组成模具的零件都必须有足够的制造精度7,8。(2)使用寿命长(3)制造周期短 模具制造周期的长短主要取决于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产需要，提高产品竞争能力，必须在保证质量的前提下尽量缩短模具制造周期。(4)模具成本低 模具成本与模具结构的复杂程度、模具材料、制造精度要求及加工方

9、法等有关，必须根据制品要求合理设计模具和制订其加工工艺。2、模具制造的特点 模具制造属于机械制造范畴，但与一般机械制造相比，它具有许多特点：(1)单件生产 用模具成型制品时，每种模具一般只生产 12 副，所以模具制造属于单件生产。每制造一副模具，都必须从设计开始，制造周期比较长。(2)制造质量要求高(3)形状复杂 模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而不是一般机械的简单几何体。(4)材料硬度高 模具实际上相当于一种机械加工工具，硬度要求高，一般用淬火工具钢或硬质合金等材料，采用传统的机械加工方法制造有时十分困难9。三、模具先进制造技术1.先进制造技术的范畴：一般认为先进制造技术有以下四部

10、分组成，但它是动态的，变化的。1.1现代设计技术合理的设计是决定产品品质、环境相容性、经济性和满足需求的基础，设计的水平、质量和效率是决定产品开发能力和市场竞争能力的重要环节。在新的技术环境下，现代设计技术以计算机辅助工具和包含丰富的数据库、知识库支撑体系的智能技术为基础，将设计、制造和生产过程有机结合在一起，形成一些新的理论和方法。主要包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、反求工程技术（RE）、并行工程（CE）、协同设计技术（CSCW）、稳健设计技术（Robust Design）与质量功能配置、再生工程、绿色产品设计等10,11。1.2先进制造工艺技术先进制造工艺是先进制

11、造系统的基础，是实现优质、高效、低耗、清洁生产和保证产品质量与市场竞争力的前提。例如金属超塑性的发现、金属紧密铸锻冲压工艺的进步已经可以实现不经切削加工或极少加工余量即可成形，使得成型制造技术正在从制造工件毛坯或接近零件形状向直接制成工件或净成形的方向发展；用于汽车、飞机、精密机械的精密加工精度已达（um）级，用于磁盘、磁鼓制造的精密加工精度已达到亚微米级（0.01um），用于超精密电子器件的精密加工精度已经达到毫微米级（0.001um），而超精密加工的精度也已经达到纳米级（0.1-100nm）级的阶段，这些都是实现高效清洁生产的关键技术。主要包括：计算机辅助制造（CAM）、少无切削制造技术、

12、精密加工和超精密加工技术、非机械加工制造技术、快速原型制造（RPM）、仿生制造、虚拟制造技术（VMT）等。1.3综合自动化技术综合自动化技术事实上是一个包含计算机技术、网络技术、自动化技术的运作系统，通过现代系统管理思想贯穿在一起，以实现从信息、功能、过程直至企业的集成和优化技术的物化环节，能过将制造企业的人、技术、管理和资源以及物流、信息流、与价值流有机结合在一起。主要包括：分布式数控技术（DNC）、柔性制造技术（FMT）、集成制造技术（CIMT）、智能制造技术（IMT）12。1.4现代系统管理技术 现代系统管理技术是一项富有哲学意味的系统理论和方法，它在信息集成、功能集成、过程集成和企业集

13、成的基础上，着重讨论如何最大限度的发挥已有技术、设备、资源和人员的作用和最大限度的提高企业经济效益和竞争能力的组织与经营管理策略13。主要包括：制造资源计划（MRPII）、准时制造（JIT）和精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、全球化制造（GM）和星系管理系统（IMS）、可持续发展战略及相关技术等。2.传统加工与特种加工的比较2.1传统的模具加工制造方法，也就是机械加工，即用传统的切削与磨削加工与现代数控机床加工，机械加工也常作为零件粗加工和半精加工的主要方法。机械加工的主要特点是加工精度高、生产效率高，而且用相同的设备和工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。但是，用机械加工方法加工形状复杂的工

14、件时，其加工速度很慢，高硬度材料难以加工。2.2特种加工 特种加工是有别于传统机械加工的加工方法，例如电加工。从广义上讲，特种加工是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工过程中施加明显的机械力，而是直接利用电能、声能、光能、化学能等来除去工件上的多余部分，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法14。3.几种先进制造技术方法：3.1.高速切削技术它是一项高新技术，以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在模具制造行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。高速刀具技术模具制造业中将普遍应用高速(超高速)干式切削技术。超硬刀具材料的

15、应用、复合(组合)式各类高速切削刀具(工具)的结构设计与制造技术，是刀具(工具)品种发展的主导技术。其中无屑加工工艺的搓、挤滚压成形类刀具(工具)应用会更加广泛；超硬刀具材料将在各类刀具的涂层材料、SiN陶瓷及Ti基陶瓷领域发展更快、应用更加广泛。高速机床技术我国高速机床技术重点：一是研发机床关键功能部件，如转速20000 r.P.m以上的大功率高刚度主轴、无刷环形扭矩电机、直线电机、快速响应数控系统等；二是多功能复合机床设计、制造网络、通讯网络技术的应用等。随着数控系统，关键功能部件、网络通讯技术的进步与完善，将促使多轴联动、多面高速加工中心，铣、车功能为一体的复合加工中心技术达到实用化；相

16、应出现各类数控专用高效率加工机床；将激光技术更加广泛应用于机械成形加工、切割加工领域；机床数控系统的功能将可实施网络化通讯与生产，进一步提升数控机床的利用率15。零件毛坯制造技术快速成形技术的实用化，将进一步提升目前的精铸、精锻及其它成形制造技术，使其几何尺寸精度能满足少无切屑加工的要求，其材料的选择将适应绿色制造工程的技术要求，零件材料的可加工性能将适应高速切削技术要求。其它技术自动生产线技术：将以各类高速加工中心组成，大力发展柔性、敏捷制造工程技术；测量技术：随着高速加工系统工程技术广泛应用，数字化CCD、激光图形处理测量技术和随机在线高速测量技术将广泛应用于柔性数控生产线及数控专用高效率

17、加工机床上；网络技术：将在不断进步的计算机技术支持下，大力发展宽带网及网络安全技术。3.2特种加工技术面向快速制造的特种加工技术是在传统的特种加工技术与材料技术、控制技术、微电子技术和计算机技术紧密结合的基础上，随着快速响应市场需求而逐步发展起来的。分层制造技术为有效地简化问题的复杂性，将采用类似快速成形的分层制造加工模式，并严格控制每一层的加工余量，确保工具只有底面实现加工，而侧面不参与加工，从而使复杂的模具三维型面加工问题转化为一系列平面加工问题。基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工技术以钝性工作液为纽带，结合电场控制策略，探索这些工艺的复合方法，以充分发挥其各自的长处，可发展出复杂曲

18、面形状和光整一体化加工技术。具体包括电化学机械复合加工技术，化学机械加工技术，超声放电复合、时变场控制、磁场辅助的电化学及电化学机械复合加工技术，时变场控制的电解在线修整砂轮磨削加工技术，时变场控制电化学及磁粒研磨的复合加工技术等16。电化学加工3.3 面向RP技术的特种加工工艺组合技术直接利用RP工艺，结合相应的后处理工艺或快速精密铸造工艺制造模具的方法，利用金属粉末烧结(SLS)制成的原型件，直接进行金属熔渗处理，形成金属模具零件。利用SLA、FDM或LOM方法，直接制造树脂、ABS塑料模具零件。用SLS方法直接制造铸造用的消失蜡模，实现零件的快速精密铸造。基于RP原型件，结合相应的特种加

19、工工艺，间接制造模具的方法。基于RP原型，与电铸工艺、金属喷涂、陶瓷涂覆工艺相结合，快速制造金属或陶瓷模具的工艺技术；浇注硅橡胶、环氧树脂或聚氨脂等软材料，直接制造软模具。基于RP原型，结合相应的特种加工工艺，快速制造电加工的电极，实现复杂模具零件的快速电火花成形加工。在原型或原型制作的母模上刷涂导电层，再电铸或电镀形成金属电极。直接在原型上进行金属冷喷涂形成金属电极。利用原型制造母模，充实粉末，再压实烧结形成电极。在原型制作的母模内充人石墨粉与粘接剂的混合物，固化形成石墨电极。在原型制作的母模内充入环氧树脂与碳化硅粉的混合物，首先形成研磨模，再在专用振动研磨机上研磨出石墨电极。4.模具CAD

20、/CAE/CAM技术CAD（Computer Aided design）指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等

21、有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法17。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来

22、描述真实连续体场变量的微分方程组，得到的是近似的数值解，求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数18。CAM（Computer-aided manufacturing）是工程师大量使用产品生命周期管理计算机软件的产品元件制造过程19。计算机辅助设计中生成的元件三维模型用于生成驱动数字控制机床的计算机数控代码。这包括工程师选择工具的类型、加工过程以及加工路径.四、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。从企业的实际出发，尽快采用适合自己企业的先进制造技术。从不同角度讲，除了上述发展中的模具先进制

23、造技术以外，还有模具反求工程技术(Reverse Engineering)、模具柔性制造技术(FMS)和模具集成制造技术(CIMS)等20。参考文献1陈国聪，杜峥机械CAD/CAE应用技术基础M北京：机械工业出版社，20022张建钢，胡大泽数控技术M武汉：华中科技大学出版社，20003姚建国，吕栩权，等CAD/CAM/CAE/PDM技术，技术开发与创新M南京：东南大学出版社，20004赵波.模具加工的前沿技术-高速加工期刊论文-模具技术 20005郭东明.王晓明.面向快速制造的特种加工技术期刊论文-中国机械工程 2000(11)6王昌.于同敏.表面工程技术在模具制造中的应用及展望期刊论文-模具

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