佛山市南海奔达模具有限公司
摘要：模具制造技术是制造业十分重要的基础装备。它是一个无与伦比的巨大效益放大器。如果没有比较高水平的模具制造技术，那也就没有比较高水平的机械工业产品，因而模具制造技术也成为了一种衡量世界各国机械制造水平的非常重要的标志之一。本文作者对我国模具工业的现状进行了分析，并提出了模具工业的发展目标及主要任务，为此本文探讨了先进制造技术在模具制造中的应用。
关键词：模具；制造技术；分析
一、模具工业的现状及差距
我国模具工业处于世界中等水平，与国际先进水平相比，仍有大约10年以上的差距，模具加工在线测量和计算机辅助测量及企业管理的差距在15年以上。主要表现为：模具使用寿命低30%～50%（精冲模寿命一般只有国外先进水平的1/3左右），生产周期长30%一50%，质量可靠性与稳定性较差，制造精度和标准化程度较低，等等。与此同时，我国在研发能力、人员素质、对模具设计制造的基础理论与技术的研究等方面也存在较大差距，因此造成在模具新领域的开拓和新产品的开发上较慢，目前我国中低档模具已供过于求，而以大型、精密、复杂、长寿命模具为主要代表的高技术含量模具自给率还较低，只有60%左右，有很大一部分依靠进口。我们还处于以向先进国家跟踪学习为主的阶段，创新不够，尚未到达信息化生产管理和创新发展阶段。
二、模具先进制造技术
2.1 电火花加工
电火花加工（EDM）也称放电加工或电蚀加工，其基本原理是利用工件和工具电极之间所产生的火花放电现象。在火花放电的瞬间，会产生约一万度的高温，从而使金属熔化、汽化而被去除，不断的火花放电，就会不断的蚀去金属，最终达到加工成型的目的。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛，尤其在模具制造业有着极为重要的地位。电火花加工主要应用于模具中型孔、型腔的加工。
2.1.1 电火花穿孔成型加工：主要用于型腔加工（加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件）和穿孔加工（加工各种冲模，挤压模、粉末冶金模、各种异型孔及微孔等），约占电火花加工总数的30%。
2.1.2 电火花线切割加工：主要用于切割各种冲模和具有直纹面的零件；下料、截割和窄缝加工，约占电火花加工总数的60%。还有电火花内孔、外圆和成型磨削，电火花同步共轭回转加工，电火花高速小孔加工，电火花表面强化刻字等。
电火花加工属于非接触加工，因此加工中无宏观切削力。故适用于薄壁、低刚度工件和微细结构的加工。由于可以简单地将工具电极的形状比较简单的复制在工件上，特别适合于复杂的型孔和型腔加工。采用数控技术，可以将形状比较简单的工具电极加工出复杂形状的型腔。电火花型腔加工主要用于注射模、压铸模和热锻模等模具的型腔成形。为了节省加工时间，经常采用切削加工和电火花加工相结合的方法。即在模具淬火之前将型腔的主要材料用切削加工的方法切除，淬火后，再采用电加工的方法最后成形。虽然有时零件不需要淬火，也可以采用类似的方法。采用高速数控铣削时，这种方法十分常见，并在生产中逐渐演变成电火花成型加工的竞争对象。
2.2 高速切削加工
由于模具大多是由高硬度、耐磨损的合金材料并经过热处理来制造，加工难度大。以往广泛采用电火花加工成型，但电极的设计制造本身也是一个费时费力的工艺过程。同时电火花是一种靠放电烧蚀的微切削加工方式，生产效率极低。用高速切削代替电火花加工是加快模具开发速度，提高模具制造质量的一条崭新的途径。
2.2.1 加工电极。应用高速切削技术加工电极，对电火花加工效率的提高起到了很大作用。用户可以用同样的CNC程序进行电极的粗、精加工，并获得很高的表面质量和精度，大大减少了对电极和模具的后续加工，从而提高多次成型的重复精度，并能大幅度地降低成本。
2.2.2 直接加工淬硬的模具。由于新型刀具材料（如PCD、CBN、金属陶瓷等）的出现，HSC可以加工硬度达到60HRC，甚至硬度更高的工件材料。加工淬硬后的模具，其高速切削的材料可与电火花加工相媲美，甚至更优，不但节省了电极制造，而且在加工时间相同的情况下可以获得更好的表面质量。
2.2.3 样件的快速成型。用高速切削技术加工如塑料和铝合金等易加工材料时，可以采用与常规切削几乎相同的切削宽度和深度，加工效率可提高10倍以上。高速切削技术可以使设计者和造型者尽快看到产品的真实模型。
2.3 快速模具的制造
将RPM技术与传统的模具制造技术相结合，称之为基于RPM的快速模具技术，客观上它可以大大缩短模具的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径，RT技术与传统模具技术相比，能够节省1/3的时间和成本。目前很多采用RP技术的公司并不是单单是制作快速成型的原型，而是将快速成型与快速模具制造技术相结合，进行快速模具或成品制造。常用的基于RP技术的快速模具制造技术有以下几种：
2.3.1 基于RP原型的精密铸造模具：根据实物的RP原型（正型）可翻制成硅胶型腔（负型）再翻制成陶瓷型腔（正型）；利用陶瓷正型可精铸出一个金属（如锌铝合金、铍铜）型腔（负型），用以注塑成型。
2.3.2 喷涂法：采用喷枪将金属喷涂到RP原型上，并形成一个金属硬壳层，将其分离下来，用填充铝粉的环氧树脂或金属做背衬，即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略了传统加工工艺中的详细绘图、数控加工和热处理三个耗费时间和财力的过程，因而成本只有传统方法的几分之一，生产周期也从3-6周减少至1周，模具寿命可达一万次。
2.3.3 熔模铸造：RP技术的最大优势在于它能迅速制造出复杂的原型，而熔模铸造的长处是有了原型就可以制造出复杂的零件。两者结合在一起，可快速制造出各种零件。这一方法已得到实际应用，并产生了巨大的经济效益。
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2.3.4 直接制造金属模具：SLS工艺的最大优势在于可直接制造金属模具。对于由金属粉末烧结后所得的原型，可渗入熔点较低的金属并最终得到一个金属基复合材料的金属型。LOM工艺也具有直接制造金属模具的潜力，用金属箔材作为造型材料可直接获得金属型模具。
三、模具行业及技术发展
在信息化社会和经济全球化不断发展的进程中，模具行业的主要发展趋势是：模具产品向以大型、精密、复杂、长寿命模具为代表的，与高效、高精工艺生产装备相配套的高新技术模具产品方向发展；模具生产向管理信息化、技术集成化、设备精良化、制造数字化、精细化、加工高速化及自动化和智能控制及绿色制造方向发展；企业经营向品牌化和国际化方向发展；行业向信息化、绿色制造和可持续方向发展。为此对模具技术发展有如下要求：
3.1 模具数字化设计制造及企业信息化管理技术（以推广应用为重点，并进行软件集成和二次开发），包括模具全三维CAD和CAD/CAE/CAM/生产技术及CAPP、ERP、MES、PLM等管理技术。深化信息化应用，通过信息化渗透到模具生产各个环节，建立新型的模具生产制造模式。
3.2 模具加工新技术，如高速高精加工、复合加工、精细电加工、表面光整加工及处理新技术、快速成型与快速制模技术、新材料成型技术、智能化成型技术、热压成型技术、厚板精冲技术、连续复合精冲技术、标准化自动化加工技术、大规模定制生产技术、网络虚拟技术等。
3.3 具有自主知识产权的模具生产和管理的专用软件的开发及升级。
3.4 模具精细化制造和精益生产。精细化制造与精益生产不是单纯的技术问题，而是设计、加工、管理技术和科学化、信息化的有机结合的综合反映，对提高模具质量和企业效益至关重要，应作为发展重点予以特别关注。
3.5 与模具直接关联的模具制品成型过程在线智能化控制技术。它利用信息化和现代控制技术，对模具制品成型过程中的相关工艺参数进行实时检测和在线智能化控制，以进一步提高模具制品的性能质量和成型效率，甚至使原来无法成型的模具制品成为可能，实现模具及模具成型的重大创新。
四、模具的设计与制造过程
研究表明，模具的使用寿命与热处理、选材、结构、机械加工工艺、滑润、设计水平等诸多因素有关。根据对大量失效模具的分析统计，在引起模具失效的各种因素中，热处理不当约占45%，选材和模具结构不合理约占25%，工艺问题约占10%，滑润和设备问题因素约占20%。因此，在模具设计和制造过程中，选材、模具结构、热处理工艺、加工工艺和改善模具的工作条件都能够提高模具的质量和使用寿命。
1.合理选用模具材料
选用模具材料时，应根据不同的生产批量、工艺方法进行选择。在批量生产中，应选用耐用的模具材料，如硬质合金，高强韧、高耐磨模具钢；小批量或新产品试制可采用锌合金、铋锡合金等模具材料；易变形、易断裂失效的通用模具，需要选用高强度、高韧性的材料；热锻模要选用具有良好的韧性、强度、耐模性和抗冷热疲劳性能的材料；压铸模要采用热疲劳抗力高、高温强度大的合金钢；塑料模具则应选择易切削、组织致密、抛光性能好的材料。此外，在设计凸凹模时，选用不同硬度或不同材料的模具相搭配，模具使用寿命可提高5～6倍。
2.合理的模具结构
模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙，并减少应力集中，以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此，对模具的主要工作零件要求导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。
在模具设计时，应着重考虑：凸模应注意导向支撑和对中保护，特别是设计小孔凸模时采用自身导向结构，可延长模具寿命；对夹角、窄槽等薄弱部位，为了减少应力集中，要以圆弧过渡，圆弧半径R可取3～5 mm；对于结构复杂的凹模采用镶拼结构，也可减少应力集中；合理增大间隙，改善凸模工作部分的受力状态，使冲裁力、卸件力和推件力下降，凸、凹模刃口磨损减少。
3.模具的热处理工艺
从模具失效分析得知，45%的模具失效是由于热处理不当造成的。磨损、粘结均发生在表面，疲劳、断裂也往往从表面开始，因此对模具表面的加工质量要求非常高。但实际上由于加工痕迹的存在，热处理时表面氧化脱碳在所难免，模具的表面性能反而比基体差。采用热处理新技术是提高模具性能的有效措施。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理：基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度，减少断裂和变形；表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。
4.模具的整体强韧化工艺
模具既要有优良的整体强韧化性能，又要具有优异的型腔表面性能，才能提高模具使用寿命。为此，出现了在对模具整体强韧化的基础上再进行表面强化的各种处理工艺；对普通冷作模具钢采用低温淬火与低温回火处理，可达到增加韧性、减少脆性和折断的良好效果；对热作模具钢采用高温淬火与高温回火处理，可显著提高热作模具钢的强韧性和热稳定性。例如，对于3Cr2W8V材料制成的压铸模，采用400～500℃及800～850℃的两次预先正火，而后进行高温淬火、回火处理，可提高韧性40%，模具寿命可提高一倍。
除此之外，还可采用形变热处理，形变热处理是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。形变热处理的强韧化本质在于获得细小的奥氏体晶粒，细化马氏体，增加马氏体中的位错密度，并形成胞状亚结构，同时促进碳化物的弥散硬化作用。
5.模具的表面强化热处理
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法等离子喷涂法等。
6.模具的机械加工工艺
模具的机械加工工艺直接影响模具的使用寿命和产品的质量。由于模具形状多种多样而且精度要求高，因此在加工过程中除了使用普通机械加工设备外，还需一些电火花加工机床、电火花线切割机床和精密磨床等。对结构复杂且工艺要求特殊的模具，新型加工方法――模具特种加工（电加工）得到了快速发展。这种方法不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工过程中施加机械力，而是直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工，以达到形状尺寸和表面粗糙度的要求。实践证明，采用正确的加工工艺，能使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍，模具使用寿命提高50%，这一点对塑料模具尤为重要。
五、模具设计与制造的前景
模具CAM/CAPPE/CAPPC系统，是现代模具制造的主要方式，是模具CAD/CAE/CAM数字化设计与制造技术的重要组成部分，使工程技术人员借助于计算机对产品生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术，能显著缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和提高产品质量。
采用计算机辅助制订模具的制造工艺过程（CAPP），进行分析（CAPPE），使之优化。同时，对质量、工时和费用进行控制（CAPPC），形成模具CAM/CAPPE/CAPPC数字化制造技术系统。
结束语
随着我国科学技术的不断发展以及社会的不断进步，人们对产品各个方面的要求越来越高，现代的模具制造行业也会随之逐渐完善，新的设计理念与设计制造手段也会不断的丰富与提高。因此，应用开放的和动态的新型思维观念来理解当今模具设计的理论发展体系，不断的将新型生产物与其相结合，使其具有更多的应用特点和丰富内容以及全新的发展趋势，是其稳定性更强、工艺质量更高、产品功能更多。在机械模具设计中应用越来越多的新型技术，促使模具设计制造行业向着多元化的方向不断发展，从而在我国乃至世界市场当中具有更多的竞争力。
参考文献
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论文作者:麦俊逸
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年6期
论文发表时间:2019/7/12
标签：模具论文; 加工论文; 电火花论文; 技术论文; 表面论文; 材料论文; 强韧论文; 《建筑学研究前沿》2019年6期论文;