浅谈现代模具的设计与制造

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欢迎访问e展厅 展厅 1 塑料模具展厅 注塑模具, 吹塑模具, 挤出模具, 吸塑模具, 瓶胚模具, ... 现代生活中越来越多的产品，特别是各种塑料制品及大型覆盖件等产品形状结构比较复杂，单使用图纸已很难正确和详尽地表达产品的形状和结构，这就要求模具设计制造者必须使用计算机辅助设计文件描述的手段，同时要求模具制造者必须充分掌握产品的各种资料，包括产品的形状、尺寸、原料的特性、精度要求、特殊表面效果等。有些产品还需客户提供实物或模型。当前，我国工业生产的特点是产品品种多，更新换代快，市场竞争残酷激烈。在这种情况下，用户对模具制造的要求是制件质量要好，交货期要短，模具精度要高，模具价格要低。因此，现代模具的制造应与当前经济发展的形势及以上要求相适应。 一、现代模具的设计 将客户提供的图纸或计算机文件资料输入电脑，使用计算机辅助设计与加工系统（CAD/CAM）进行设计并做模拟试验，得出所需要的计算机文件。在此设计过程中，系统应可进行图形编辑处理，尤其是对含有三维自由曲面的图纸可做进一步修正和编辑，如曲面的结合、融合、截面圆角及光滑处理等。设计完成的模具零部件应可使用电脑系统的实体成型功能将其显示出来，以便观察设计的正确性及可能需要进行优化处理，之后还可以借助系统功能进行强度、模温、塑料流动状态等模拟测试。如果发现设计有误可重新修改设计。 1.模具设计的内容 模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸与尺寸精度、表面质量要求以及其成型工艺条件的变化而变化的，所以每副模具都必须进行创造性的设计。模具设计的内容包括产品零件（常称为制件）成型工艺优化设计与力学计算和尺寸与尺寸精度确定与设计等，因此模具设计常分为制件工艺分析与设计、模具总体方案设计、总体结构设计、施工图设计四个阶段。 2. CAD/CAE技术的应用 CAD/CAE，计算机辅助设计和辅助工程，它包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程管理等。应用CAD技术可以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集成技术后，制件一般不需要再进行原型试验，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。借助于计算机，自动绘图代替了人工绘图，自动检索代替了手册查阅，快速分析代替了手工计算，使模具设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来，集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。在模具投产之前，CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。例如，可以采用流动模拟软件来考察熔体在模腔内的流动过程，以此来改进浇注系统的设计，提高试模的一次成功率；可以用保压和冷却分析软件来考察熔体的凝固和模温的变化，以此来改进冷却系统，调整成型工艺参数，提高制件质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加工轨迹，这样可省去木模或树酯模制作工序，提高型腔和型芯表面的加工精度和效率。当今的概念设计已不仅仅是停留在对外观和结构的设计上，它已经扩展到对模具结构分析的领域。对于运用CAD技术设计出的模具，可运用先进的CAE软件（尤其是有限元软件）对其进行强度、刚度、抗冲击实验模拟、跌落实验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。通过这些分析，可以检验前面的概念性结构设计是否合理，分析出结构不合理的原因和部位，然后再在CAD 软件中进行相应的修改。修改后再在CAE 中进行各种性能的检测，最终确定满足要求的模具结构。 当今CAD技术的发展使得概念设计思想体现在相应的模块中。概念设计不再只是设计师的思维，系统模块也融合了一般的概念设计理念和方法。目前，世界上大型的CAD/CAE软件系统，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、Alias等，都提供了有关产品早期设计的系统模块，我们称之为工业设计模块或概念设计模块。例如，Pro/ENGINEER就包含一个工业设计模块——ProDesign，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器。这些系统模块的应用大大减少了设计师的工作量，节约了工作时间，提高了工作效率，使设计师把更多的精力用在新产品的开发及创新上。 二、现代模具的制造 现代经济的飞速发展，推动了我国模具工业的前进。CAD/CAE/CAM技术的日臻完善和在模具制造上的应用，使其在现代模具的制造中发挥越来越重要的作用，CAD/CAE/CAM技术已成为现代模具的制造的必然趋势。 1. CAD/CAE/CAM 计算机辅助设计、模拟与制造一体化 CAD/CAE/CAM一体化集成技术是现代模具制造中最先进、最合理的生产方式。使用计算机辅助设计、辅助工程与制造系统，按设计好的模具零件分别编制该零件的数控加工程序是从设计到制造的一个必然过程。在具有现代模具设计制造能力的工厂内，该过程都是在CAD/CAE/CAM系统内进行的，其加工程序直接由联机电缆输入加工机台，在编制程序时可利用系统中的加工模拟功能进行细致的模拟，将零件，刀具、刀柄、夹具，平台及刀具移动速度、路径等显示出来，以便观察整个模具零件的切削过程和前后的形状，进而检查程序编制的正确性，这对于复杂的多曲面的模具零件尤为重要。在模拟检查中，如果有需要调整的地方，如某处刀具过大，不能按设计要求切削出理想的圆角等，可以重新给出适当的刀具，或决定该处使用直径较小的刀具，多进行一次或多次切削加工。如果发现模拟的过程效益太低，则可重新修改走刀路径或加大粗切的刀具直径，以提高加工效率。总之，在CAD/CAE/CAM系统内编制和模拟加工程序可以充分了解发现的问题，从而在加工之前，将整套加工程序作好完善修改工作。这对于高效、准确地加工模具零件有着相当重要的意义。 2.先进设备在现代模具制造中的作用 现代模具制造的必然趋势，就是用机械加工尽可能地取代人工加工。这就确定了先进设备在现代制造中的作用，尤其现在加工中心 、数控高速成型铣床、 数控铣床、数控车床、多轴联动机床、数控模具雕刻机、电火花加工机床、数控精密磨床、三坐标测量机、扫描仪等现代化设备在工厂中的广泛使用。而且这些设备大部分所用的程序基本上都是应用CAD/CAE/CAM系统产生的。机台与计算机联机，加工程序是通过联机电缆输入机台的。操作人员按照规定的程序装夹工件，配备刀具和操作，机台就能自动地完成该机台上应该完成的加工任务，并将理想的模具零件制造出来或为下一加工工序完成规定的部分。操作人员的熟练程度和情绪变化基本不影响加工质量和加工效益，这也是现代模具加工优于传统机械加工的一个方面。 3. 手工加工在现代模具制造中的作用 由于模具加工的特殊性，模具都有机械加工无法完成的部分，现代模具加工也是如此。这就决定了在现代模具加工中，还要依赖具有丰富经验的技术工人去完成模具的组装、各零件之间的配合及复杂不规则型腔的抛光等。 由于现代模具加工的软、硬件的不断改进，手工加工的比例逐渐减少，对型腔的抛光主要是在一些工具的辅助下由手工完成的。因此，现在研究抛光的自动化、智能化已成为模具业比较关注的课题。但不管设备如何先进，由于模具型腔形状复杂，任何一种抛光方法都有一定的局限性，手工加工在现代模具制造中仍具有一定的位置，其作用也不容忽视。 4.工艺人员在现代模具制造中的作用 在模具制造过程中，工艺人员要根据不同的模具、不同的要求编制加工工艺。加工工艺是模具制造过程中必不可少的指导性文件，将一道道加工指令按顺序输入电脑，所加工的零件才能被有条不紊地进行各种切削加工。当然，选择正确、简捷、经济的加工工艺路线才是至关重要的。这就要求工艺人员具有丰富的专业知识、计算机知识以及丰富的实践经验。工艺人员在编制加工工艺时，可能遇到难以加工或根本无法加工的情况，所以在保证原设计意图的前提下，可对其进行工艺性修正，以解决设计人员所考虑不到的问题。 5. 现代模具制造中的检测手段 模具的零部件除了有高精度的几何要求外，其形位精度要求也较高，一般的量具是很难达到理想的目的，这时就要依赖精密零件测量系统。这种精密零件测量系统简称CMM，即Coordinate Measuring Machine ，是数控加工中心的一种变形。它的测量精度可达0.25μm，其测量工件的方式如下：将经由CAD/CAM系统或CMM专用软件所产生的零件数据选送至CMM的计算机系统，经过适当的设置后，即按照所给出的数据去测量工件，将所得结果与原始数据比较，得出工件加工后的误差。如果原始数据是从设计图纸得来的，则可直接将设计数据送入CMM专用软件，然后进行测量，将取得的加工误差数据进行质量分析，以判断工件的加工质量。如果检测的不是单个零件而是若干个零件的组件，则由各零件的误差积累而导致总偏差被显示出来。 三、反向工程（Reverse Engineering ）在现代模具制造中的应用 反向工程，即先对制件（所加工的产品）进行扫描生成多种格式的CAD数据，再在另外的CAD/CAE/CAM 软件中进行改型设计，该技术是现代模具制造中最流行的模具制造技术。 " 其工作原理是对已有的实物模型进行扫描，采集其表面的坐标数据信息，根据采集的数据生成模型表面的线框模型，之后可根据需要对模型进行凹凸模转换、比例缩放、旋转、平移等处理，再自动生成模具的加工程序。自动生成模具的加工程序可适用于广泛的数控系统。例如，英国雷尼绍公司专门为模具制造开发生产的扫描系统，就可以成功地应用于模具制造的反向工程中，它不仅可以改善数控机床的性能，扩大数控机床的功能，而且还能提高数控机床的效率。雷尼绍公司的Retroscan 、Renscan200及Cyclone 高速扫描机已被青岛海尔、济南轻骑和国家模具中心等单位所采用。 四、快速成型制造（RPM）在现代模具制造中的应用 快速成型制造（RPM）技术是美国首先推出的。它是伴随着计算机技术、激光成型技术和新材料技术的发展而产生的，是一种全新的制造技术，是基于新颖的离散/堆积（即材料累加）成形思想，根据零件CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体（模型）制造。RPM技术是集精密机械制造、计算机、NC技术、激光成型技术和材料科学最新发展等于一体的高新技术，被公认为是继NC技术之后的一次技术革命。 RPM技术可直接用于模具制造。首先是通过立体光固化（SLA）、叠层实体制（LOM）、激光选区烧结（SLS）、三维打印（3D-p）和熔融沉积成型（FDM）等不同方法得到制件原型。然后通过一些传统的快速制模方法，获得长寿命的金属模具或非金属的低寿命模具。制模主要有精密铸造、粉末冶金、电铸和熔射（热喷涂）等方法。用这些方法制模，具有技术先进、成本较低、设计制造周期短、精度适中等特点，从模具的概念设计到制造完成，所需时间仅为传统加工方法的1/3，而成本仅为其1/4左右。 RPM技术也可以间接用于模具制造。首先用CAD/CAM设计、模拟模具所生产的产品，由于装配的复杂性，需要对快速成型的制品进行试装，再根据装配需要进行修改制品数模，待定型后再把修改后的数据输入CAD/CAE/CAM系统进行模具加工。这样既可以节省新产品开发的时间，又可以提高新产品的开发的成功率，避免走弯路。 五、现代模具制造的发展方向和前景 随着计算机软件的发展和进步，CAD/CAE/CAM技术也日臻成熟，其在现代模具中的应用将越来越广泛。因此，该技术也推动了现代模具工业的发展，它不仅缩短了模具的设计和制造周期，而且也提高了产品开发的成功率，进而提高了企业的市场竞争力。可以预料，在不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业。与此相适应，模具制造技术必然要向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。 六、 结束语 加入WTO以来，经济的全球化使企业之间的竞争由过去的局部竞争演变成全球范围的竞争。同行业之间，跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。为了适应快速变化的市场需求，企业必须以最快的速度、最好的质量、最低的成本和最优质的服务，来满足不同用户的需求，而模具制造业的竞争更是如此。CAD/CAE/CAM集成技术就是在这种情况下应运而生的，它已成为现代模具制造技术发展的必然趋势，并以科学合理的方法给模具制造者提供了一种行之有效的辅助工具。该技术可使模具制造者在模具制造之前能借助于计算机对制件、模具结构、加工、成本等进行反复修改和优化，直至获得最佳结果。总之，CAD/CAE/CAM技术能显著地缩短模具设计与制造时间，降低模具成本，并提高制件的质量，是现代模具制造中不可缺少的辅助工具，它与“反向工程”及现代先进加工设备等一起成为现代模具制造业中提高企业竞争力的必要条件。 (end)

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