分享模具先进制造技术发展趋势综述

小黄豆

　在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业，许多新产品的开发和生产，在很大程度上依赖于模具制造技术，特别是在汽车、轻工、电子和航天等行业中尤显重要。模具工业发展的关键是模具技术的进步，模具技术又涉及到多学科的交叉：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成为衡量一个国家制造业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，美国模具行业有12000多个企业，从业人员有17万多人，模具总产值达64.47亿美元；日本模具工业是从1957年发展起来的，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。可见研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。
　　1  模具CAD，／CAE／／CAM技术的集成及其特点现代化的模具制造加工业，应以使用模具CAD／CAE／IEAM技术来实现优质、高效、低成本的产品生产为目标以适应用户对产品个性化的追求，在我国，有许多模具企业大都凭经验或已经在设计、制造等方面分散使用CAD、CAE、CAM单项技术来实现生产，这种“自动化孤岛”的方法使整个生产过程资源共享率低、信息不流畅，导致研制产品周期长、更新换代慢，难以在国际竞争中生存和发展。国外推广CAD／CAE／CAM技术成功的经验表明：企业取得显著效益，很多是从集成应用中得到的，而不是单项应用的结果。
　　CAD／CAE／CAM一体化的角度来说，其发展趋势是集成化、三维化、智能化和网络化，其中心思想是让用户在统一的环境中实现CAD／CAE／CAM协同作业，以便充分发挥各单元的优势和功效。
; D; A, {/ k; _% U) v' O# }　　1.1模具软件功能集成化模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益之目的。
6 G! X) {- O8 ~7 `4 n5 }　　如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面。实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等；以色列Cimatron公司的Cimatron系统中包括几何造型、模具专家、逆向工程、模架库、NC加工及产品数据管理系统；澳大利亚moldflow公司注塑成型系列分析软件MPA（塑件顾问）、MPx（注塑专家）、MPI（流动、冷却、翘曲等）以及模具设计系统等；美国PTC公司CAD／CAE／CAM集成软件系统Pro／E；美国EDS公司的ug；美国sDRC：公司的I-DEAS集成化CAD／CAE／CAM软件，该软件在曲面设计、实体造型、仿真分析、制造、测试和并行工程等方面具有强大的功能，国际上有福特等许多汽车公司将它作为主流软件；美国Solidworks公司的S0lidworks软件、C-mold公司的注塑模cAE分析软件C-mold；具备复杂曲面设计和数据仿真功能的法国Dassault公司CATIA软什的曲面造型功能较强；法国Mi ssler公司的Topsolid系统提供了注射模Mold和级进模Progres完全集成的CAD／CAM全面解决方案；德国MAGMA公司的铸造过程流动与凝固分析软件MAGAMASOFT及IKV研究所的CAD、MOULD；国外使用较多的还有外型设计的Alias／ICEM、实物造型的Surface、板料冲压仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具设计的VAMOS及制造系统仿真的SIMPLE++等。
　　国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD／CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的：中压模CAD／CAE／CAM系统，其主要功能有板料冲压过程模拟、预示成形缺陷、压机速度分析、坯料形状优化和各向异性、回弹预测等。
; a8 w- L- e) a5 q　　1.2模具设计、分析及制造的三维化传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设汁模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形（型）过程模拟及信息的管理与共享。如Pro／E、UG、I-DEAS、CA TIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert、Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E／mold均采用了3D专业注射模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers受到用户广泛的应用和好评。
! p) \) ^* ]; I( \3 F　　美国C-mold公司3D Quickfil l也有类似功能。
5 [7 X" y6 e( |7 ]- w+ Q# l6 M　　国内有华中科技大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学Z-mold软件。上海交通大学开发了金属塑性成形三维有限元仿真系统。北航海尔软件公司的CAXA三维电子图板2000和制造工程师2000能进行3D零件设计和NC加工，其特点是基于3D、参数化特征设计，实现了实体、曲面和NC加工的协调统一。
　　1.3模具软件的智能化趋势新一代模具软件要求模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论指导下，充分运用模具专家的丰富知识和成功经验，来克服具体设计、工艺人员的经验局限，通过人工智能CAI等方法，实现设计的合理性和先进性，逐步达到从设计、分析评估到制造过程的完全自动化。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如Cimatron公司的注射模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。
　　1.4模具软件应用的网络化趋势随着模具在企业竞争、合作、生产和管理的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，又有可能。美国在其《2l世纪制造企业战略》中指出，到2006年要实现汽车工业敏捷生产／虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。Delcam公司最近推出的CAD／CAM集成化系统PowerSolution覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数控编程、测量分析等方面。系统的每一个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其它系统兼容，便于实现开放性、兼容性和专业化的统一。
　　2现代模具加工技术2.1高速铣削技术早在2 0世纪3 0年代，德国切削物理学家Carl Salomon根据一些实验曲线，即现在被称为··SalomonI~t线”，提出了高速切削（High SpeedCutting，简称HSC）的概念。铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小，加工平稳、如工质量良好、加工效率高（为普通铣削加工的5～10倍）及可加工硬材料（<60HRC）等诸多优点，因而在模具的加工中日益受到重视。高速铣肖j具有以下一些特点：
　　（1）高效。高速铣蔗j约主蜒转速一般为15000~40000转／min，最高可达100000转min。
3 S- ~' {" V0 V9 J2 w5 B7 o　　在切削钢时，其切削线速度约~400m min，比传统的铣削加工高5～10倍；在如二至茬骥时·与传统的加工方法相比（传统铣肖4、电火花或型加工、抛光）其效率提高4～5倍；与完全采号E DM加工相比，其加工速度提高4～8倍。例如，墨工一个插座外壳的压铸模，若采用传统铣削、电火花成型加工、抛光等工艺，约需50～60h，而采用高速铣削加工约需14h，效率提高近4倍。
　　（2）高精度。一般加工精度为10u m，有的精度更高。
　　（3）高表面质量。由于高速铣削的工件温升小（约3℃），故表面没有变质层，微裂纹热变形也小。最好的表面粗糙度值Ra≤1u m。
　　（4）可加工高硬材料，可铣削50～54HRC的钢材，铣削的最高硬度可达60HRC。以上这些特点都优于EDM加工，由此可见，高速铣削加工工艺及装备无疑是模具制造技术重要的发展方向。
) k6 W9 @; a1 [) U/ @　　瑞士米克朗公司UCP710型五轴联动加工中心，其机床定位精度可达8 u m，自制的具有矢量闭环控制电主轴，最大转速为42000转／min。
/ U8 d3 c" j/ e: ~! E4 u& Z$ ~  W　　意大利RAMBAUDI公司的高速铣床，其加工范围达2500mm×5000mmX 1800mm，转速达20500转／min，切削进给速度达20m／min。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模等曲面加工，其曲面加工精度可达0.01mm。
　　2.2  电火花加工技术和绿色产品技术电火花加工是在一定的液体介