模具加工中的智能化技术研究及应用

唐增亮，陈明耀，李勇华

（广西玉林农业学校，广西 玉林 537000）

模具加工是制造业中不可或缺的一个环节，其主要任务是将零部件、产品等制造成所需要的形状、尺寸和表面质量等。传统的模具加工方式存在着效率低下、制造成本高等问题。随着智能化技术的发展，智能化加工技术在模具加工中得到了广泛应用，为模具行业的升级转型提供了技术支撑和有效手段。

1 智能化技术的功能特点及应用

随着智能化技术的发展，越来越多的智能化设备和系统被应用到模具加工中。目前，智能化技术主要包括数字化加工、自动化加工、智能化监控等方面。

1.1 数字化加工

1.1.1 数字化加工的特点

数字化加工是指通过计算机辅助设计、制造等技术手段将模具加工过程实现数字化。数字化加工可以有效降低制造成本，提高加工效率，同时保证产品质量。数字化加工是一种基于数字信息技术的精密制造方法，其将设计图纸、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机数控加工（CNC）系统有机结合，将数字模型转换为具体的真实产品。数字化加工使得生产过程变得更高效、更准确和更灵活，同时也能够提高生产质量和降低生产成本。数字化加工涉及到许多方面的技术，其中包括三维扫描技术、逆向工程技术、虚拟加工技术、快速原型制作技术、激光切割技术等。利用这些技术，数字化加工可以在各种材料上进行生产制造，例如金属、塑料、陶瓷和木材等。

1.1.2 在模具行业中的应用

数字化加工是目前智能化技术在模具加工中应用最为广泛的一种方式。通过计算机辅助设计、制造等技术手段将模具加工过程实现数字化，可以使加工过程更加精确、高效、安全，同时大大降低了制造成本。目前，数字化加工主要应用于数控加工中，其主要流程如图1 所示。

图1 数控加工流程图

建模：将物理实体或零件的三维几何形状转换为计算机可以理解和处理的数字模型。这个数字模型可以通过计算机辅助设计（CAD）软件创建，以便将其导入到计算机数控系统（CNC）中进行加工。在建模过程中，需要考虑零件的几何形状、尺寸、材料和制造工艺等因素。一个好的建模过程可以确保零件完整、精确地加工出来。

规划路径：根据已建模的零件几何形状和加工要求，在计算机系统中自动化生成用于控制刀具行进轨迹的数字化路径。这个路径包含了刀具在零件表面上行进的所有信息，如起点、终点、路径方向、穿刺角度、切削深度和进给速率等。这些信息可以由CNC 系统翻译和执行，使得刀具按照预定的路线，以精确的速度和深度进行切削加工，最终将零件制造出来。规划刀具路径的优化可以提高加工效率、降低成本和提高制造质量。

生成程序：通过计算机辅助制造（CAM）软件自动生成，编写过程中需要考虑零件的几何形状、材料、加工工艺等因素，以确保能够高效、准确地加工出所需的零件。

数控加工：将计算机辅助制造（CAM）软件生成的程序导入数控机床，由数控机床进行加工。

检测：对加工出来的工件进行质量检测，检查加工精度是否符合要求，并在必要时调整加工参数，重新进行数字化加工。

入库：检测合格的成品进行入库分类管理。

数字化加工通过将手工操作转变为计算机控制，大大提高了生产效率和产品质量，并且可以针对不同的工件需求进行自动化加工，同时也减少了人员劳动强度。

1.2 自动化加工

1.2.1 自动化加工的特点

自动化加工是指通过计算机控制，使机器自动进行加工、装配和生产过程的技术。相较于人工操作的传统加工方式，自动化加工具有高效、精确等优势，并被广泛应用在工业制造领域。与传统的手动操作相比，自动化加工可以大幅提升生产效率。通过数字化信息的处理，不但消除了工装制作与安装的繁琐，同时，也减少了人力成本。此外，自动化加工还能够确保产品质量的稳定性。机器通过程序对加工参数的准确控制，能够保证每个产品都具有相对一致的良好品质。

目前，在自动化加工技术方面，我国取得了很多重要进展。例如，智能制造系统的研发、以机器人为代表的自动化生产线的建设等。这些项目旨在将人工参与的制造流程转换为自动化生产模式。近年来，自动化加工理念受到了越来越广泛的关注。与此同时，激光加工、电化学蚀刻、精密光刻、3D 打印等技术的不断发展，为自动化加工技术的深度与广度提供了可靠的基础和支撑。

1.2.2 在模具加工中的应用

自动化加工是一种广泛应用于制造业的技术，可以有效地提高各种产品生产的效率和质量，帮助企业实现制造业的数字化和智能化，可以大大降低人工成本，提高加工的精度和效率。其主要应用于模具制造过程，见表1。

表1 自动化加工的应用

1.3 智能化监控

1.3.1 智能化监控的特点

智能化监控是指通过运用先进的信息技术、网络技术和数字信号处理技术来实现对监控对象的全方位智能感知、分析、预测，为监管人员提供有效的管理手段。智能化监控主要将“感知-分析-决策”3 个环节紧密结合起来，实现对各种事件场景的精准识别与判定，并且依托先进的计算机学习算法，优化监控效果提高识别准确性。例如，可以配置足够多的情景模式，在模拟虚拟环境中开展动态测试经验，快速累积大量目标数据并进行挖掘，反馈对实时监控方案的改善建议。随着物联网、云计算、大数据等技术的逐步成熟，智能化监控将会得到更加广泛的应用，未来产业将会更多地将其应用到生产管理过程中，以降低生产成本，增加操作员与设备的联结度，并保证生产安全与稳定性。

1.3.2 在模具加工中的应用

智能化监控通过传感器、计算机等设备对模具加工进行实时监控，并对加工过程进行分析和处理。智能化监控可以及时发现加工过程中的异常情况，并对异常情况进行处理，保证加工质量和安全。目前，智能化监控主要应用于以下方面。

1）设备状态监测：通过传感器等设备监测机床各个部位的运转状态和温度、振动等情况，利用数据采集设备将数据实时反馈给控制系统，并对设备运行故障进行早期预警和预防。

2）制程监控：运用数字化技术对模具加工过程中的质量参数进行跟踪检测，如零件精度、表面光洁度等。通过实时数据分析、统计判定与比对，在生产过程中及时发现问题并解决。

3）自适应控制：通过运用人工智能算法，实现模具加工过程自适应控制，根据加工状态动态调整刀具运行速度、进给速度等参数，保证加工过程高效稳定。

4）知识管理：智能化监控还可实现对模具加工过程知识的记录、积累、共享和传递，形成模具加工知识库，为后续生产提供参考和支持。

智能化监控在模具加工中广泛应用，不仅可以帮助企业降低生产成本，提高生产效率和质量，还有望缩短交货时间，同时也为应对市场需求的变化提供了强有力的支持。

2 智能化技术在模具加工中的效果分析

2.1 智能化技术深度融合提升模具加工全链条效率

智能化技术已经深入到模具加工的各个环节中，包括设计、制造、质量控制和生产管理等，主要体现在以下几个方面。

2.1.1 智能化技术能够优化模具的设计和制造流程

基于计算机辅助设计软件（CAD）建立数学模型，利用虚拟试验和数值分析进行优化，从而实现对模具结构和性能的完美协调。由此，研发周期和成本大幅缩短。同时，数字化工序使得整个生产过程可通过自动化完成，降低因手工操作误差所导致的问题，并提高了产品精度和制造的稳定性，大幅提升整体制造效率。

2.1.2 智能化技术可以实现智能化的质量控制

通过远程监测和数据分析，偏离标准动态进行预警和异常分析，在加工后期能够针对性地修改工艺参数，及时调整生产。这种方式可以避免质量问题的扩散或重新处理造成的浪费，并提高检测的速度和准确性。此外，智能化技术能够通过追踪每个模具的历史数据，快速排查问题，提高质量反应的精度和效率。

2.1.3 智能化技术能够优化模具的生产管理

通过信息技术与物联网相结合进行生产监控和数据采集分析，实现生产计划自动下达，生产过程协调合理，流水线式加工等，以最少成本、最少时间和人力资源完成项目任务和量产要求，支撑决策，并随时跟踪生产的状况。运用这些成果，可以提高企业的整体协调性、减少缺陷率，并不断强化品牌竞争优势，推动模具制造向更高水平迈进。

2.2 智能化技术在模具加工中的多重效益

智能化技术应用在模具加工中可以有效提高加工效率和降低制造成本，并且还可以保证加工质量和安全。下面将从这几个方面进行分析。

2.2.1 提高加工效率

传统的模具加工方式需要人工完成大量重复性劳动，效率低下。而智能化技术的应用可以实现自动化生产，大大提高生产效率。比如，数字化加工可以使加工过程更加精确、高效、安全，同时通过灵活的工作流程，提高加工效率。

2.2.2 降低制造成本

智能化技术的应用可以降低制造成本。比如，数字化加工通过全自动化、动态监控等方式不断优化制造流程，减少人力和物料浪费，从而降低人工成本和制造周期，有效地降低制造成本。

2.2.3 保证加工质量和安全

智能化技术的应用可以保证加工质量和安全。比如，数字化加工可以实现加工过程数字化，从而保证加工精度；自动化加工可以通过自动测量系统对加工后的产品进行精度检测；智能化监控可以及时发现加工过程中的异常情况，并对异常情况进行处理，保证加工质量和安全。

3 智能化技术在模具行业应用遇到的难题

在对区内传统模具加工企业进行调研中，企业负责人介绍到，企业迫切需要转型升级，否则将与时代脱节，最终只能被淘汰。但是，传统生产理念对企业在智能制造方面的发展产生很大的影响，主要表现为以下几方面。

3.1 生产模式缺乏变革

传统生产理念下企业经营者、管理人员、技术人员习惯于用大量设备和工人来完成生产目标，缺乏用新技术和新工艺来创新生产模式的意识。

3.2 对新技术的认知较低

与传统设备相比，智能装备需要全新的技术认知和产品理念，技术人员需要具备更强的前瞻性和先进性认识，但由于缺乏学习和掌握相关技术的先进经验，技术人员的使用经验较少。

3.3 资金投入问题

对于智能制造领域的新技术和新设备投入负担较大，而其试用和应用过程中，也会经历调试阶段、切换等各种困难，由此对企业产出能力带来一定影响。

3.4 技术成熟度不高

智能化设备需要配合一系列技术手段来实现其有效运用，如操作流程、安全策略等，由于智能化技术发展时间不长，相关技术还在不断完善，使得企业现有的操作人员、维修人员等方面极其缺乏。

4 应用智能化技术的解决思路

带着智能化技术在模具行业应用遇到的难题，对区内外转型升级较为成功的模具企业、科研机构进行调研。该企业通过与科研机构合作，建立小型化模具加工智能生产线（图2），实现了模具的快速化、智能化生产，模具生产周期缩短了一半以上。

图2 智能生产线

通过调研，为应用智能化技术提供了可行的解决思路。①企业可以通过与设备制造厂商联系和合作，派遣相关人员到先进制造企业学习，还可以参观省内外先进的智能制造应用典型企业并学习先进经验，以此提升企业生产和技术管理人员对生产工艺的思维方式。②邀请专业的智能化技术培训机构或设备生产厂家派遣技术人员到企业内部进行相关知识的培训和技能的交流。建立企业内部技术交流平台，鼓励技术人员参与智能化技术的研究和探讨，分享使用经验和解决方案以促进技术人员之间的合作和学习。寻求外部合作，与专业技术团队、高职院校进行合作，获取更多先进经验和专业技术支持，提高技术人员的使用经验。③将投资成本纳入长期规划中，进行有效的资金管理和利用，使原有产出能力得以保持基本水平。在使用新设备、新技术过程中，尽量选择生产淡季进行产线改进。④对于智能化技术人才短缺问题，一方面，国内的设备制造厂商通常会为新采购和安装产线的企业提供专业培训，并不定期开展技术培训班，为企业技术人员提供培养服务；另一方面，当前大部分中高职院校已开设智能化技术相关的专业，倾向于与智能化技术相关企业建立校企合作关系，从而让学校培养的专业人才与企业之间无缝对接，以便学生毕业后更快速地适应工作岗位。这不仅解决了中高职院校实训基地资源和教学资源不足的问题，同时还可以帮助企业快速培养满足应用智能化技术需要的专业人才。

5 结束语

为了帮助模具加工企业克服发展中的困境并实现升级转型，智能化技术是一个关键的突破口。为了解决企业在实际应用中所遇到的种种困难，企业可以与设备制造厂商合作，派遣管理人员和技术骨干等进行专业培训，参观学习先进的智能制造企业应用案例，并与中高职院校联合培养智能化技术应用和维护等专业技术人才。在智能化技术的推动下，模具加工将变得更加高效、精确、安全，从而实现企业的升级转型。