2022年行業(yè)分析模具設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的發(fā)展方向

模具設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的發(fā)展方向模具造技術(shù)包括設(shè)計(jì)和加工，本文從這兩方面分析中國(guó)模具業(yè)的技術(shù)進(jìn)展方向。文章首先指出CAD/CAE、CAPP和KBE為模具設(shè)計(jì)技術(shù)的主要趨勢(shì)；接探討模具加工技術(shù)的進(jìn)展方向，例如高速銑削、電火花加工、快速原型造、快速模等。最後分析模具造綜合技術(shù)的前景。

從技術(shù)角度來看，模具制造（包括設(shè)計(jì)和加工）技術(shù)大致可分為五個(gè)進(jìn)展階段：手工操作階段、手工操作加機(jī)械化（一般通用機(jī)床與工具）階段、數(shù)字掌握階段、計(jì)算機(jī)化階段和CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段。

中國(guó)幅員寬闊，模具制造企業(yè)眾多，技術(shù)進(jìn)展水平參差不齊，各個(gè)階段同時(shí)并存，但目前主要以數(shù)字掌握階段為主，有些骨干重點(diǎn)企業(yè)已進(jìn)展到計(jì)算機(jī)化階段。但同時(shí)還有不少企業(yè)仍停留在手工操作加機(jī)械化階段。純粹手工操作階段基本上已成為歷史，CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化階段初露端倪。就大多數(shù)模具制造企業(yè)而言，今後的進(jìn)展方向應(yīng)以提高數(shù)控化和計(jì)算機(jī)化水平為主，樂觀采納高新技術(shù)，逐步走向CAD/CAE/CAM信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化。模具無紙化制造將漸漸替代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工。

模具設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展方向

模具設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來依靠人的閱歷和機(jī)械制圖來完成。自從二十世紀(jì)八十年月中國(guó)進(jìn)展模具計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)以來，這項(xiàng)技術(shù)已獲得認(rèn)可，并且得到來快的進(jìn)展。九十年月開頭進(jìn)展的模具計(jì)算機(jī)幫助工程分析（CAE）技術(shù)，現(xiàn)在也為很多企業(yè)應(yīng)用，它對(duì)縮短模具制造周期及提高模具質(zhì)量有顯著的作用。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模具企業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)，已從二維設(shè)計(jì)進(jìn)展到三維設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)已達(dá)70%以上。中國(guó)大部分企業(yè)還停留在二維設(shè)計(jì)的水平上，能進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的企業(yè)還不到20%。CAE軟件在國(guó)外應(yīng)用已較普遍，國(guó)內(nèi)應(yīng)用還比較少，用於猜測(cè)零件成形過程中可能發(fā)生缺陷的水平還比較低。

模具設(shè)計(jì)技術(shù)及CAD和CAE軟件，今後應(yīng)提高在下列幾方面的水平：

*模具設(shè)計(jì)資料庫和學(xué)問庫系統(tǒng)；

*模具工程規(guī)劃及方案設(shè)計(jì)；

*模具材料和標(biāo)準(zhǔn)件的合理選用；

*模具剛性、強(qiáng)度、流道及冷卻通路的設(shè)計(jì)；

塑料模具塑料成形過程的各種模擬分析（注塑成形，包括塑料充模、保壓、冷卻、翹曲、收縮、纖維取向等模擬分析）、熱傳導(dǎo)和冷卻過程的分析、凝固及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等。計(jì)算澆注系統(tǒng)及模腔的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切應(yīng)變速率場(chǎng)和剪切應(yīng)力場(chǎng)的分布并分析其結(jié)果，是特別簡(jiǎn)單和費(fèi)時(shí)的。這一模擬技術(shù)已從中面流技術(shù)進(jìn)展到雙面流技術(shù)，不久即可進(jìn)展到既正確又快速的實(shí)體流技術(shù)，產(chǎn)生滿意塑料件虛擬制造要求的三維注塑流淌模擬軟件；

*壓模金屬成形過程的模擬、起皺及裂開分析、應(yīng)力應(yīng)變和回彈分析等；

*壓鑄模壓鑄件成形流淌模擬、熱傳導(dǎo)及凝固分析等；

*鍛模鍛件成形過程模擬及金屬流淌和充填分析等；

*提高設(shè)計(jì)和分析軟件的快速性、智能化和集成化水平，并強(qiáng)化它們的功能，以適應(yīng)模具的不斷進(jìn)展。

除了模具CAD/CAE技術(shù)之外，模具工藝設(shè)計(jì)也特別重要。計(jì)算機(jī)幫助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）技術(shù)已開頭在中國(guó)模具企業(yè)中應(yīng)用。由於大部分模具都是單件生產(chǎn)，其工藝規(guī)程有別於批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此應(yīng)用CAPP技術(shù)難度較大，也難以有適合各類模具和不同模具企業(yè)的CAPP軟件。為了較好地應(yīng)用CAPP技術(shù)，模具企業(yè)必需做好開發(fā)和討論。雖然CAPP技術(shù)應(yīng)用和推廣的難度比CAD和CAE為高，但也必需重視這一進(jìn)展方向。

基於學(xué)問的工程（KBE）技術(shù)是面對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)決策自動(dòng)化的重要工具，已成為促進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化的重要途徑，近年來受到重視，將對(duì)模具的智能、優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要的影響。

模具加工技術(shù)的進(jìn)展方向

中國(guó)的模具分為10大類46小類。不同類型的模具有不同的加工方法，同類模具也可以用不同加工技術(shù)去完成。模具加工的工作主要集中在模具型面加工、表面加工和裝配，加工方法主要有精密鑄造、金屬切削加工、電火花加工、電化學(xué)加工、激光及其他高能波束加工，以及集兩種以上加工方法為一體的復(fù)合加工等。數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)展，使它們?cè)诤芏嗄＞呒庸し椒ㄖ械玫絹韽V泛的應(yīng)用。在工業(yè)產(chǎn)品品種多樣化及共性化日益明顯，產(chǎn)品更新?lián)Q代來快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來激烈的狀況下，用戶要求模具制造交貨期短、精度高、質(zhì)量好、價(jià)格低，帶動(dòng)模具加工技術(shù)向以下幾方面進(jìn)展。

高速銑削技術(shù)

近年來中國(guó)模具制造業(yè)一些骨干重點(diǎn)企業(yè)，先後引進(jìn)高速銑床和高速加工中心，它們已在模具加工中發(fā)揮了很好的作用。當(dāng)前國(guó)外高速加工機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速已超過100000r/min，快速進(jìn)給速度可達(dá)120m/min，加速度可達(dá)1-2g，換刀時(shí)間可提高到1-2s。這樣可大幅度提高加工效率，并可獲得Ra≤1的加工表面粗糙度，可切削60HRc以上的高硬度材料，給電火花成形加工帶來挑戰(zhàn)。隨主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床結(jié)構(gòu)及其所配置的系統(tǒng)及關(guān)鍵部件和零配件、刀具等都必需協(xié)作，令機(jī)床造價(jià)大為提高。中國(guó)進(jìn)口的高速加工機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速在短期內(nèi)仍將以10000-20000r/min為主，少數(shù)會(huì)達(dá)到40000r/min左右。雖然向更高轉(zhuǎn)速進(jìn)展是必定方向，但目前最主要的還是推廣應(yīng)用。

高速加工是切削加工工藝的革命性變革，從技術(shù)進(jìn)展角度看，高速銑削正與超精密加工、硬切削加工相結(jié)合，開拓了以銑代磨的領(lǐng)域，并大大地減輕了模具的研拋工作量，縮短了模具制造周期，在中國(guó)模具企業(yè)的應(yīng)用將會(huì)來多。并聯(lián)機(jī)床，又稱虛擬軸機(jī)床，和3D激光6軸銑床的誕生，及開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用更為高速加工增加光榮。

電火花加工技術(shù)

電火花加工（EDM）雖然已受到高速銑削的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但是EDM技術(shù)的一些固有特性和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是高速銑削所不能完全替代，例如模具的簡(jiǎn)單型面、深窄小型腔、尖角、窄縫、溝漕、深坑等處的加工。雖然高速銑削也能滿意上述部分加工要求，但成本比EDM高得多。較之銑削加工，EDM更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。簡(jiǎn)單、精密小型腔及微細(xì)型腔和去除刀痕、完成尖角、窄縫、溝漕、深坑加工及花紋加工等，將是今後EDM應(yīng)用的重點(diǎn)。為了在模具加工中進(jìn)一步發(fā)揮其獨(dú)特的作用，以下是EDM今後的進(jìn)展方向：

*不斷提高EDM的效率、自動(dòng)化程度和加工的表面完整性；

*EDM設(shè)備的精密化和大型化；

*EDM設(shè)備的加工穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單操作及優(yōu)良的性能價(jià)格比；

*滿意不同要求的高效節(jié)能及反電解等新型脈電源的研發(fā)，電源波形檢測(cè)及其處理和掌握技術(shù)的進(jìn)展；

*高性能綜合技術(shù)專家系統(tǒng)的研發(fā)及EDM智能化技術(shù)的不斷進(jìn)展和自適應(yīng)掌握、模糊掌握、多軸聯(lián)動(dòng)掌握、電極自動(dòng)交換、雙線自動(dòng)切換、防電解作用及放電能量安排等技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展；

*混粉加工等鏡面光亮加工技術(shù)的進(jìn)展；

*微細(xì)EDM技術(shù)的進(jìn)展，包括三維微細(xì)輪廓的數(shù)控電火花銑削加工和微細(xì)電火花磨削及微細(xì)電火花加工技術(shù)等；

*WEDM中人工智能技術(shù)的運(yùn)用、走絲系統(tǒng)和穿絲技術(shù)的改進(jìn)等；

*電火花銑削加工技術(shù)及機(jī)床和EDM加工中心（包括成型機(jī)和線切割機(jī)）將得到進(jìn)展；

*作為可持續(xù)進(jìn)展戰(zhàn)略，綠色EDM新技術(shù)是將來重要進(jìn)展趨勢(shì)。

快速原型制造（RPM）和快速制模（RT）技術(shù)

模具將來的最大競(jìng)爭(zhēng)因素，是如何快速地制造出用戶所需的模具。RPM技術(shù)可直接或間接用於RT。金屬模具快速制造技術(shù)的目標(biāo)，是直接制造可用於工業(yè)化生產(chǎn)的高精度耐久金屬硬模。間接法制模的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)短流程工藝、削減精度損失、低成本的層積和表面光整技術(shù)的集成。RPM技術(shù)與RT技術(shù)的結(jié)合，將是傳統(tǒng)快速制模技術(shù)（如中低熔點(diǎn)合金鑄造、噴涂、電鑄、精鑄、層、橡膠澆固等）進(jìn)一步進(jìn)展的方向。RPM技術(shù)與陶瓷型精密鑄造相結(jié)合，為模具型腔精鑄成形供應(yīng)了新途徑。應(yīng)用RPM/RT技術(shù)，從模具的概念設(shè)計(jì)到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時(shí)間的1/3和成本的1/4左右，具有寬闊的進(jìn)展前景。要進(jìn)一步提高RT技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要開發(fā)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)生成更簡(jiǎn)單、高精度、尺寸及材料限制小的直接快速制造金屬模具的方法。

超精密加工、微細(xì)加工和復(fù)合加工技術(shù)

隨模具向精密化和大型化方向進(jìn)展，超精密加工、微細(xì)加工和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)於一體的復(fù)合加工將得到進(jìn)展。目前超精密加工已穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)，納米精度的超精密加工技術(shù)也被應(yīng)用到生產(chǎn)。電加工、電化學(xué)加工、束流加工等多種加工技術(shù)，已成為微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分，國(guó)外更有用波長(zhǎng)僅0.5納米的輻射波制造出的納米級(jí)塑料模具。在一臺(tái)機(jī)床上使激光銑削和高速銑削相結(jié)合，已使模具加工技術(shù)得到新進(jìn)展。

先進(jìn)表面處理技術(shù)

模具熱處理和表面處理，是能否充分發(fā)揮模具材料性能的關(guān)鍵。真空熱處理、深冷處理、包括PVD和CVD技術(shù)的氣相沉積（TiN、TiC等）、離子滲入、等離子噴涂及TRD表面處理技術(shù)、類鉆石薄膜掩蓋技術(shù)、高耐磨高精度處理技術(shù)、不沾粘表面處理等技術(shù)已在模具制造中應(yīng)用，并呈現(xiàn)良好的進(jìn)展前景。模具表面激光熱處理、焊接、強(qiáng)化和修復(fù)等技術(shù)及其他模具表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)，也將受到進(jìn)一步重視。

模具研磨拋光

模具的研磨拋光目前仍以手工為主，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定。中國(guó)已引進(jìn)了可實(shí)現(xiàn)三維曲面模具自動(dòng)研拋的數(shù)控研磨機(jī)，自行討論的仿人智能自動(dòng)拋光技術(shù)已有肯定成果，但目前的應(yīng)用很少，估計(jì)會(huì)得到進(jìn)展。今後應(yīng)連續(xù)留意進(jìn)展特種研磨與拋光技術(shù)，如擠壓珩磨、激光珩磨和研拋、電火花拋光、電化學(xué)拋光、超聲波拋光以及復(fù)合拋光技術(shù)與工藝裝備。

模具自動(dòng)加工系統(tǒng)

隨各種新技術(shù)的快速進(jìn)展，國(guó)外已消失模具自動(dòng)加工系統(tǒng)。模具自動(dòng)加工系統(tǒng)應(yīng)有以下特征：多臺(tái)機(jī)床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的夾具和刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)以及有質(zhì)量監(jiān)測(cè)掌握系統(tǒng)。也有人稱同時(shí)完成粗加工和精加工的機(jī)床為模具加工系統(tǒng)。這些今後都會(huì)得到進(jìn)展。

模具CAM/DNC技術(shù)及軟件

隨數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)展，CAM/DNC技術(shù)已在中國(guó)模具企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前眾多軟件中，針對(duì)模具加工特點(diǎn)而開發(fā)的專用軟件不多，針對(duì)高速加工的軟件也少。適應(yīng)模具加工特點(diǎn)、具有高水平數(shù)控加工力量和後處理程序、有完善的精密加工和高速加工功能、界面友好、簡(jiǎn)潔易學(xué)、備有多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能和能為系統(tǒng)集成預(yù)備條件的軟件將是今後進(jìn)展的方向。

除上述進(jìn)展方向，還有切削加工刀具的正確選用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，刀具占模具生產(chǎn)總成本的3-5%，假如能正確選用刀具，可提高生產(chǎn)效率20%以上。

模具制造綜合技術(shù)的進(jìn)展方向

在模具制造中，模具設(shè)計(jì)和模具加工往往不能分割。因此，除了設(shè)計(jì)技術(shù)和加工技術(shù)之外，還必需重視一些綜合技術(shù)，其進(jìn)展方向?qū)?duì)模具制造產(chǎn)生重大影響。目前，以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)，正以強(qiáng)大的滲透力影響社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)制造業(yè)信息化勢(shì)在必行。

模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)

模具CAD/CAE/CAM技術(shù)已進(jìn)展成為比較成熟的共性技術(shù)，硬件和軟件的價(jià)格已降到中小企業(yè)普遍可以接受的水平，再加上微機(jī)的普及和應(yīng)用及微機(jī)版軟件的推出，模具行業(yè)普及CAD/CAM的條件已經(jīng)成熟，今後必將快速進(jìn)展。模具CAD/CAE/CAM一體化及軟件的宜人化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化將是今後的進(jìn)展方向。有條件的企業(yè)應(yīng)樂觀做好CAD/CAE/CAM技術(shù)的深化應(yīng)用工作，即應(yīng)用KBE技術(shù)和開展企業(yè)信息化工程?？梢詮腃APP→PDM→CIMS→VM逐步深化和提高，也有不少人認(rèn)為推行C3PCAD/CAE/CAM/PDM)技術(shù)可能更有效。

精密測(cè)量和高速掃描及數(shù)字化系統(tǒng)將在逆向工程和并行工程中發(fā)揮更大作用

隨高精密模具的進(jìn)展，模具測(cè)量技術(shù)顯得來重要。模具應(yīng)力、磁力測(cè)量技術(shù)和三維測(cè)量技術(shù)及R部位外形尺寸精度、表面粗糙度測(cè)量技術(shù)等都是模具測(cè)量技術(shù)的重點(diǎn)所在。面世不久的4D激光測(cè)量機(jī)可以自標(biāo)定，不但能進(jìn)行3D測(cè)量，而且可以得出質(zhì)量指標(biāo)，說明每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的精確性。數(shù)控加工過程的在線激光測(cè)量，不但有助於保工件的加工質(zhì)量，而且大大提高NC機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)平安。高速掃描機(jī)和模具掃描系統(tǒng)供應(yīng)了從模型或?qū)嵨飹呙瑁郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧亩囗?xiàng)功能，可大大縮短模具制造周期。逆向工程和并行工程將在今後的模具生產(chǎn)中，發(fā)揮來重要的作用。

模具標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提高

正確合理地選用模具標(biāo)準(zhǔn)件和提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度，可以有效縮短模具制造周期、提高質(zhì)量和降低成本，因此，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度將不斷提高。

虛擬技術(shù)將得到進(jìn)展

計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展，使虛擬技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。虛擬技術(shù)可以形成虛擬空間環(huán)境，既實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)模具虛擬裝配等工作，也可在企業(yè)之間實(shí)現(xiàn)虛擬合作設(shè)計(jì)、制造、合作討論開發(fā)，以致建立虛擬企業(yè)。

管理技術(shù)快速進(jìn)展

機(jī)械行業(yè)中常說的“三分技術(shù)七分管理”說明白管理的重要性。模具企業(yè)中現(xiàn)代