模具制造技术的现状及发展

文/韩永志·安徽江淮汽车股份有限公司技术中心

模具制造技术的现状及发展

文/韩永志·安徽江淮汽车股份有限公司技术中心

本文详细介绍了当前模具制造技术的现状，包括模具制造的机械加工方法、电加工和其他特种加工方法，特别是快速成形技术(RP)和快速制模技术(RT)的现状，最后介绍了CAD/CAE/CAM集成技术在模具设计中的应用，并对模具制造技术的发展趋势作了分析。

模具的加工技术

模具的一般性机械加工

去除加工法是指通过去除材料的方法得到模具型体和型腔。大多是在传统加工及在其基础上引申而来，主要包括机械加工、电加工（电火花成形、线切割等）和其他特种加工。

大约有90%左右的模具主要由铣削、车削、磨削等机械加工方法完成。它们主要用于完成模具辅助零件的最终加工，以及模具工作零件的预加工和最终加工。

⑴切削加工及高速铣削技术

传统机加工切削手段，如车削、铣削、刨削、插削、钻削等无一例外地都可用于模具加工。高速铣削是目前切削技术中应用最多的一种工艺技术，所使用的刀具包括镶有可转位刀片的立铣刀和球头铣刀。这类刀具以美国Kennametal公司的产品最为有名，我国也开始使用这类产品。高速铣削技术的进一步完善和推广应用是模具制造技术近年来的一个研究重点。高速铣削具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高（为普通铣削加工的5～10倍）及可加工硬质材料（＜60HRC）等诸多优点，因而在模具加工中日益受到重视。

⑵磨削加工

成形磨削是工作型面精加工的一种方法，具有高精度、高效率的优点。在模具制造中，成形磨削主要用于精加工凸模、拼块凹模及电火花加工用的电极等零件。成形磨削可在成形磨床或平面磨床上进行。

⑶研磨及抛光

经机加工的工件表面，无论其表面粗糙度值如何，都必须进行再次抛光。对于粗糙表面的修平有3种方法：去除材料、重新配置材料和增添材料。模具的研磨抛光目前仍以手动为主或借助电动或气动设备手动抛光，效率低、劳动强度大、质量不稳定。传统的抛光方法是从型腔侧壁上去除材料以平整表面。模具表面的光整加工问题至今仍未能得到很好地解决。

模具的电加工

电加工技术中的电火花加工在模具制造中具有重要地位。其原理是基于工具电极与工件电极之间脉冲性电火花放电时的电腐蚀现象去除多余材料。其中以电火花线切割和型腔电火花成形为主。

⑴电火花线切割加工

电火花线切割加工是利用火花放电使金属融化或气化，并把融化或气化了的金属去除掉，从而实现各种形状金属零件的加工。线切割用于加工精密细小、形状复杂、材料特殊的冲模零件，解决了许多机械加工困难或根本无法解决的加工问题，愈是形状复杂、精密细小的冲模，特别是硬质合金模具，其经济效果愈显著。

慢走丝线切割加工是近年来的主要发展热点。随着无电解脉冲电源、优化能量脉冲电源、去离子水对离子的控制以及一系列精密加工技术的开发应用，使慢走丝线切割加工的发展达到了一个新的阶段。

⑵型腔电火花加工

型腔电火花加工是利用火花放电的方法，将工具电极的形状复印在模具坯件上而形成型腔的复制成形加工工艺。电极可由车、铣、刨、磨、冷热成形、火焰喷涂或电铸等方法获得。型腔电火花加工工艺在当今模具制造业占有重要的位置，用它可以在钢块及烧结金属中加工出用常规方法无法加工或很难加工的形状复杂、尺寸精细的工件，正确选择和使用电极可使模具制造费用比常规方法要低40%左右。

模具的其他特种加工方法简介

不同于传统的切削加工方法，特种加工是用机械能或者间接用声能、热能进行加工的一种方法。特种加工可以分为磨料流动加工、喷射加工、液力加工、低应力磨削、热辅助加工、超声波加工、喷水加工等多种加工方法，适用于切割、穿孔、研磨、抛光、去毛刺、蚀刻、磨削、拉削和镗削等加工范畴。在一般用金属切削刀具难以加工的场合宜采用机械特种加工，它是借助水、磨料、超声波、热能等对工件进行精密加工。

快速成形和快速制模(RP／RT)技术

快速成形法（RP）是一种基于离散和堆积原理的崭新制造技术，依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，然后按照这些轮廓，成形头选择性地固化一层层的液态树脂（或切割一层层的纸，烧结一层层的粉末材料，喷涂一层层的热熔材料或粘结剂）。近年来，由于快速成形技术的迅速发展，出现了一个新的领域——快速模具制造（RT），RT采用RP技术直接或间接制作模具，由于它不必采用传统的加工机床，只需传统加工方法的10%～30%的工时和20%～35%的成本，就能直接制造出产品样品或模具，使模具的制造时间和制造成本大大缩短。

用快速成形机直接制作模具

由于一些快速成形机直接制作的工件有较好的机械强度和稳定性，因此可以直接用来制作某些模具。例如，用SLS（选择性烧结）快速成形机能有选择地烧合包裹热塑性粘结剂的金属粉，并在孔隙中渗入第二种金属（如铜），从而制作金属模。

用快速成形机制作母模，复制软模具

用快速成形机制作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料，构成软模具。其中蜡模用于熔模铸造，硅橡胶模、环氧树脂模等可用于制作注塑模，或低熔点合金铸造模。

用快速成形机制作母模，复制硬模具

用快速成形机制作母模，或据其复制的软模具，可浇注石膏、陶瓷、金属基复合材料、金属，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的压印、拉伸模），从而批量生产塑料件和金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基复合材料浇注成的蜡模的压印，其模具寿命可达1000～10000件。

CAD/CAE/CAM技术的应用

CAD/CAE/CAM包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。应用CAD技术可能设计出产品的大体结构，再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。采用模具CAD/CAE/CAM集成技术后，一般不需要再进行原型实验，采用几何造型技术，制件的形状能精确、逼真地显示在计算机屏幕上，有限元分析程序可以对其力学性能进行检测。模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术，能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量。

目前，世界上大型的CAD/CAE/CAM软件系统有英国Delcam公司的系列化软件，以色列Cimatron公司的Cimatron系统，美国PTC公司CAD/CAE/CAM集成软件系统Pro/E，美国Solidworks公司的Solidworks软件，实物造型的Surface，材料成形分析软件比较成功的是用于板料成形 （如冲压）的DYNAFORM、用于体积成形 （如锻造）的DEFORM和用于流动成形（如压铸、注射）的MoldFlow。

由于数控技术的推广普及，使得模具行业中CAD/CAM的集成得以实现，目前CAD/CAE/CAM已呈现出以下三大发展趋势：混合模型、设计制造系统数据库管理、车间现场3D程序编制。

模具的材料、表面工程技术以及加工新理念

模具的材料选择

模具工业因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的45%以上。在模具材料方面，常用冷作模具钢有CrWMn、Cr12、Cr12MoV、9SiCr、W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等；常用新型热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V，美国的H10、H11、H13等；常用塑料模具用钢有预硬调质钢 （如P20、T19等）、时效硬化型钢（如PMS、SM2等），冷挤压成形模（LT钢、8416钢等）。多工位精密冲模常采用钢结硬质合金及硬质合金YG20等。

模具的表面处理技术

模具材料是模具工业的基础，但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求，采用表面工程技术可在一定程度上弥补模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术（PVD）、化学气相沉积技术（CVD）、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的进展必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。在模具表面处理方面，其主要趋势是：由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗（如TD法）发展；由一般扩散向CVD、PVD、PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展；可采用的镀膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C 等，同时热处理手段由大气热处理向真空热处理发展。另外，激光强化、辉光离子氮化技术及电镀（刷镀）防腐强化等技术也日益受到重视。

模具工业新工艺、新理念和新模式

在成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、精密塑性成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。同时模具制造业将随着相关行业（如计算机技术、电子技术、通讯技术、光学技术等）的不断发展，在新的制造理念（如柔性制造、并行工程、敏捷制造、虚拟制造、智能制造等）的引导下，朝着低成本、高效率、高质量、安全环保的方向发展。还有广泛采用标准件和通用件的生产模式，及在科技哲学的指导下运用绿色设计方法的原则进行模具设计，使之适应可持续发展战略等。

韩永志，工程师，主要从事汽车整车冲压件工艺分析及审查，关键外板件的CAE分析；模具结构图审查、验收及现场调试等工作。