机械模具数控加工制造技术研究

李铭秋

（江苏省常熟中等专业学校，江苏 常熟 215500）

随着计算机科学技术和数字控制技术的发展，中国模具加工早已迈入了数控时代，当前大多数精密模具制造都以数控加工为基础。一方面，基于数控加工的模具制造，可以显著提高产品生产加工精度；另一方面，基于数控加工方式制作模具的效率更高，由于产品多样化生产的需要，工厂每天需要调整大量的制造模具，对模具的种类切换和产品生产效率均有较为严格的要求，依靠传统的人工或半自动的模具加工方式，会由于生产效率过低而错失很多市场机遇。本文通过具体分析机械模具数控加工的特点、相关要求，进一步明确了模具的生产加工流程，并基于此展望了模具加工行业未来的发展趋势。

1 机械模具制造的基本要求

机械模具的设计和加工工艺十分复杂，在加工过程中对模具精度控制的要求同样非常严格，如果模具的精度无法满足要求，会直接影响到加工产品的合格率和成品的一致性。

在机械模具加工制造过程中，必须要明确模具加工产品的特征属性与结构特点，并以此为基础选择适合模具的母材。如，加工产品为铁质工件或塑料工件，对于模具材质、工艺和加工方式有本质的区别。只有在确定产品属性的前提下设计模具，才能获得预期的效果。

在规范模具的设计和制作流程方面，对于高精度模具的设计和制造而言，必须强化动态流程化作业。机械模具加工对于操作人员的基本素质和经验要求均较高，必须按照技术工艺部分指定的操作流程逐步实施。机械模具设计和制造的每一个环节都要有相应的工艺指导，且流程卡上有操作人员和检验人员的签字，并由检验人员记录相关的加工数据，供后续加工同类模具时参考。

机械模具加工误差控制范围给定的不宜过小。机械模具对于精度的要求十分严格，只有提升模具精度，才能保证加工工件的精度和加工一致性。在最大化地控制模具误差的基础上，操作人员才可以保证加工产品的误差在合格范围之内。严格控制加工误差需要从2方面着手并加以控制：其一是确保数控加工中心处于良好的工作状态，无论硬件系统还是软件程序都要进行无缝调试和匹配，相关的参数值处于合理范围；其二是每一道工序操作人员都要选用经验丰富的技术人员，提高对数控加工中心的控制能力，以避免某一道工序出现严重，失误导致模具损坏进而出现难以挽回的经济损失。

机械模具在设计和加工时还要考虑到后续的可拓展性。通常情况下机械模具的单位成本投入较大，尽管在销售部门签订合同时已经将模具费用摊入产品中，但对于模具加工企业或产品生产企业而言，模具投入仍旧是一项重大费用支出，不得不考虑老旧模具的改造和二次利用问题。

由此可见，在一种模具设计之初就考虑到后续拓展性问题，使其保留有一定的改动空间。目前，已有一部分企业开始使用组合式模具，例如在设计模具的底座部分时，都采用通用式的设计方式，来提高模具退役以后的再利用价值。提升机械模具的可拓展性和兼容性，对于降低企业的模具成本投入意义重大，能够为企业节省一部分费用开支。

2 机械模具数控加工制造的技术特点与优势

数控加工是一种机械加工技术的数字化表达，通过电脑控制和软件程序控制，自动化地完成对模具产品的机械加工与制造。数控加工在全球范围内拥有几十年的发展历史，目前机械模具加工，尤其是高精度模具加工普遍采用数控加工中心的操作方式。机械模具数控加工具有最显著的2个特点：①数控加工技术的引入能够极大地提高机械模具的加工精度。②可以确保模具加工的一致性，进而确保模具制造出的产品工件的一致性。数控加工中心由复杂的计算机程序控制，计算机的精度控制能力和可靠性要显著优于操作人员的人工控制，只要操作人员将初始值和程序设定完毕，加工中心系统就会严格按照程序指令完成加工，且加工精度更好；在机械模具加工一致性方面，数控加工中心的优势更加明显，在同一套计算机程序指令条件下，几乎可以获得同样精度的产品。机械模具数控加工制造技术的优势，主要体现在以下3个方面。

第一，机械模具数控加工制造的精度更高。在数控加工模式下，只要为数控设备设定好程序和各种参数，加工精度通常不会受到影响。此外，数控加工的方式还大大降低了操作者的工作强度，操作人员只需要监测数控加工中心运行状态，就能够确保加工出合格的模具产品。机械模具的数控加工方式离不开人的操作和后台控制，数控中心的运行程序也是由技术人员来编写，但该种基于数控加工的方式却极大地提升了机械模具的制造精度，降低了一线操作人员的工作量，还可以显著降低机械模具产品加工过程中产生的误差值。

第二，机械模具的加工效率更高。机械模具属于特殊的产品，为了满足产品模具塑型的需要，机械模具的造型往往复杂多变且呈现出不规则的特点，加工难度较大。在传统基于人工或半自动的机械模具加工方式下，制造一套模具往往需要较长的时间，有时根本无法满足产品批量生产的需要。而在数控加工模式下，机械模具的加工效率会显著提高：一方面，数控技术能够借助工业计算机采集相关的数据，并将匹配结果及时反馈给程序的编写者，节省了大量的基础数据测量耗时；另一方面，利用数控加工中心可以实现24 h不间断的作业，只要数控加工中心的状态良好，就能够连续不断地创造价值，工作效率远高于传统人工作业的方式。此外，在数控加工中心夜间工作时，借助远程监控系统也可以实现对数控加工中心的实施监控。

第三，可以实现对某些特殊用途机械模具的定制化加工。基于数控加工的方式制造机械模具，具有更大的灵活性，在机械加工过程中往往需要面对各种复杂模具造型设计需求，有些特殊的设计要求依靠传统加工方式根本无法实现。而数控加工方式的意义在于通过复杂加工程序的设计和编写，为数控加工提供了一个自由发挥的平台，可以实现对特殊机械模具的个性化定制，但定制设计往往也需要付出更多的成本。数控加工中心通常具有良好的开源性特征，即可以利于Linux系统、MATLAT软件和其他各种设计软件，实现从机械模具设计到加工的完美兼容。此外，还可以将机械模具设计加工的方式推广到其他工业制造领域，实现数控加工技术的跨领域应用。

3 机械模具数控加工制造基本流程和发展方向

机械模具数控加工中心的复杂程度远高于普通的数控机床，其结构通常包括伺服系统、控制系统、传动系统、通信系统、检测系统和其他的辅助系统。其中，伺服系统根据控制系统的指令，负责驱动加工中心向各个轴向移动；控制系统是机械模具加工中心的大脑，负责根据输入的程序指令和系统参数管理和控制数控加工中心的运动情况；传动系统负责将驱动元件的力传递到执行单元，完成具体的指令和动作；通信系统主要负责分析各传感器采集到的数据，并远程传递和接收相关指令；检测系统使机械模具加工中心自带自检功能，即可以通过对自身参数状态的判定，确定出加工中心是否处于一种良性的工作状态。数控加工中心的加工能力远强于普通的数控机床，由于模具制造工艺十分复杂，只有利用数控加工中心，才能确保模具成品的加工精度。机械模具数控加工制造的基本流程如图1所示。

图1 机械模具数控加工制造的基本流程

机械模具数控加工制造的首个流程是模具产品信息的确认与核对。信息确认包括从客户方获取到有技术人员和负责人签字的图纸，或得到客户邮寄过来的样品，通过测量样品获得一手的数据，此外，零件的基础数据和图纸的基础数据也可以远程获取，但必须经过对方确认无误。零件信息或图纸信息必须准确无误，如果原始图纸有错误或测量信息有错误，那么后续的一系列环节都没有实际的意义。

确认原始信息准确无误后，样品和原始图纸都会转交到企业的技术部门重新二次设计开发，形成符合本企业的制图标准和工艺标准。下发到生产部门的图纸必须经过严格的校对、审核和批准流程，使图纸和工艺标准处于可控状态。工业制图通常采用CAD制图或CAXA制图，有时模具制造会涉及到三维制图软件的使用。当技术标准或工艺发生变更时，按照企业质量体系的要求收回旧的文件，并增发新的文件。

数控加工中心的代码程序由专业的编程人员编写，并通过培训等方式让一线操作人员可以熟练掌握设备参数的设定和程序的调用。利用CAM系统能够生成标准化的程序代码，并且与主流的程序语言兼容。

加工模型和程序代码确认无误后，可以基于这些程序进行机械模具的加工制造。CAM系统提供了模具图形数据的编辑功能，数控加工中心现场配有操作台和数字显示系统，能够模拟出机械模具的三维图像状态，并实时监控模具产品的加工情况。输入设定好的程序。模具数控加工系统提供了标准化的数据转换接口，用于临时存储相关的数据信息。CAM系统可以实现模拟出模具加工的轨迹，实际加工过程中数控加工中心按照设定好的刀具轨迹路线，实现对标物的精确切割和打磨。

成品模具加工完成以后，先基于图纸的各项参数检验模具成品的精度是否达标，合格后再进入小批量验证环节，如果加工的产品存在瑕疵和缺陷，还需要再对模具进行修复和完善，直到零件产品合格为止。

在未来，机械模具数控加工制造会继续朝着自动化和智能化的方向迈进，同时加工效率也会得到进一步提高。首先，在机械设计和制图方面，三维软件会被更加普遍地采用，与传统的二维设计软件相比，三维软件图能够更直观完整地展现出模具的状态，并可以更准确地监控各项参数指标；其次，数控加工中心的自动化程度和数字化程度会不断提高，在计算机科学技术和自动控制技术推动下，各种全新的软件算法和仿生算法会被不断地应用到机械模具的加工制造中，提高模具产品的加工效率和加工精度；最后，机械模具数控加工中心的智能化水平也将不断提高。人工智能化作业是未来机械制造和模具制造的发展趋势，借助人工智能技术能够让数控加工中心控制精度和可靠性得到本质上的提升。目前，中国机械加工行业已经普遍采用了数控加工的方式，但在高精度机械模具制造方面与德国、日本、美国等发达国家还有不小的差距。企业是技术创新的主体，而创新的关键在于人才的培养，在未来，企业应做好人才的引入和储备工作，重点培养有潜力的年轻人，鼓励机械模具加工行业范围内的创新创造。

4 结束语

现阶段，数控加工制造是机械加工的最主要方式之一，在现代制造业中占据重要地位。对于机械模具加工而言，对加工精度和加工效率均有更高的要求，传统基于手工或半自动的加工方式无法满足加工精度的需要，而传统加工方式效率较低也会使企业丧失更多市场机遇。利用数控加工中心制造机械模具，首先，可以保证机械模具的加工精度，因为加工中心的硬件基础和程序设计均较为完善，可以同时从多个轴向加工产品，保障加工结果满足系统要求；其次，数控加工中心的加工制造效率，相对于传统方式有较大幅度的提高，自动化和智能化的作业方式无需人工参与，提升了机械模具产品加工的可靠性，也给机械模具加工企业带来更多的市场机遇。