现代模具的先进制造方法综述

现代模具的先进制造方法综述现代模具的先进制造方法综述 摘要 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 关键词 模具制造 先进方法 综述 Abstract In this paper the mold industry in today s advanced manufacturing methods Starting from the current state of development rational analysis of the development trend of 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一 模具行业发展现状级今后趋势 1 1 模具和模具行业模具和模具行业 模具 mold mould die tooling matrix pattern 是用来成型物品的工具 这种工具有各种零件构成 不同的模具由不同的零件构成 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 压力铸造 以工程塑料 橡胶 陶瓷等制品的压 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 2 我国模具技术的现状及发展趋势 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要 二 模具制造的基本要求和特点二 模具制造的基本要求和特点 1 1 模具制造的要求 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 2 4 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 2 模具制造的特点 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 1 2 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 模具先进制造技术三 模具先进制造技术 1 1 先进制造技术的范畴先进制造技术的范畴 一般认为先进制造技术有以下四部分组成 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 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 2 传统加工与特种加工的比较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 3 几几种种先先进进制制造造技技术术方方法法 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 4 模具模具 CAD CAE CAM 技术技术 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 具先进制造技术以外 还有模具反求工程技术 Reverse Engi neering 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 2002 2 张建钢 胡大泽 数控技术 M 武汉 华中科技大学出版社 2000 3 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 2000 4 赵波 模具加工的前沿技术 高速加工 期刊论文 模具技术 2000 5 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 模具制 造 2001 7 李发致 模具先进制造技术 M 北京 机械工程出版社 2003 8 陈剑鹤 模具设计基础 M 北京 机械工业出版社 2010 9 付建军 模具制造工艺 M 北京 机械工业出版社 2012 10 洪慎章 现代模具技术的现状及发展趋势 M 航空制造技术 2006 11 张正修 张镇 模具产业的现状与发展态势 五金科技 2005 8 1 21 27 12 田福祥 现代模