模具制造技术现状与发展趋势

　　摘要：基于模具制造技术的研究，首先介绍了应用于模具制造行业的加工制造技术，包括特种加工、数控加工、柔性制造和快速制模等技术；接着对相应的CAM软件、模具生产管理类软件等模具制造相关软件及数控系统的发展趋势进行详细介绍；然后对模具制造行业所使用的夹具和机床主要品牌及其制造企业进行总结；最后提出模具CAM、模具加工设备和数控系统都将向智能化、网络化、高精度和高效率方向发展的趋势。

　　模具制造是指在特定的制造装备和工艺下，直接对原材料进行加工，使之成为具有一定形状和尺寸要求的零件，然后装配成模具的过程，即模具零件的加工和装配过程。模具制造行业属于离散型制造业，其过程复杂，具有单件生产、制造质量要求高、形状复杂、材料硬度高等特点。模具零件的制造加工方法有常见的金属切削加工、电化学加工和电火花加工，同时还有精密铸造、激光加工、其他高能波束加工以及集2种加工方法为一体的复合加工等。随着数控技术和计算机技术的发展，其在模具零件的加工中应用越来越广泛。1 、模具制造技术1.1 特种加工方法模具制造常用的特种加工方法有：电火花加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、模具电铸成形等。

　　1.1.1 电火花加工电火花加工是利用电蚀作用去除导电材料的加工方法，又称放电加工或电蚀加工。加工时工件和工具电极同时浸泡在绝缘工作液中，并在两者之间施加强脉冲电压，以击穿绝缘工作液，由于能量高度集中，放电区的高温使工件表面金属局部熔化脱落，达到去除材料的效果。电火花加工主要分为电火花成形加工和电火花线切割加工。

　　（1）电火花成形加工。电火花成形加工在模具行业应用广泛，尤其适用于手机、汽车等注射模零件加工。随着零件加工精度、粗糙度要求的不断提高，电火花成形机的需求也增加。电火花成形机的优势：放电加工控制系统可实现 4 轴联动或 5 轴联动加工，实现机床加工的高精度（重复定位精度2m）、高效率（切割速率500 mm/min）、低表面粗糙度（Ra0.1 m）、低电极损耗率（0.1%）、任意轴向的抬刀和伺服放电加工、复杂的4轴联动加工。

　　（2）电火花线切割加工。线切割加工是电火花加工的一种，电极是细长金属丝，金属丝在移动同时进行脉冲放电使其附近的金属局部熔化脱落，通过控制金属丝的移动轨迹即可切割相应的图案。高速走丝线切割使用钼丝作为工具电极，其直径为0.02~0.3 mm，往复移动速度达 8~10 m/s。低速走丝线切割使用铜丝作为工具电极，其移动速度较慢，一般0.2 m/s，且单向运动。相比于电火花成形加工，线 m。慢走丝精度可达0.5 m，表面粗糙度约Ra 0.2 m。快走丝精度可达 20 m，表面粗糙度约Ra3.2 m。电火花线切割适用于加工冲孔模和落料模等零件上的各种模孔、型孔、复杂型面、样板和窄缝等。

　　1.1.2 激光加工激光加工是材料加工部位在高能激光束的照射作用下加热至高温熔融状态，并使用冲击波将熔融物质喷射出去的加工方法，或是使材料在较低能量密度的激光束作用下熔化，然后进行焊接的加工方法。在模具行业，尤其是在模具修复和模具制造方面，激光加工应用广泛，常见的有激光切割、激光打孔、激光淬火和激光焊接等。同时激光加工技术还能应用在表面强化处理方面，主要有2种方式：一是利用激光熔焊对模具表面局部损伤部位进行修复；二是利用激光对模具表面进行淬火硬化。

　　1.1.3 超声波加工超 声 波 是 指 频 率 超 过 人 耳 频 率 上 限（＞16k Hz）的振动波。超声波加工是利用超声波作为动力，带动工具作超声振动，通过工具与工件之间的磨料冲击工件表面进行加工的成形方法。采用超声波-电化学抛光复合加工工艺抛光模具型腔表面，不仅可以提高模具型腔表面质量和降低表面粗糙度，还能提高生产效率，减少工具的损耗。

　　1.1.4 电子束加工电子束加工是指通过真空环境中的高能电子束将工件待加工部位加热至熔融或蒸发的状态，达到去除材料的加工方法。同时，利用高能电子束提供能量使工件表面发生化学反应，也是电子束加工的一种应用。将带有脉冲电压的电子束照射在模具零件表面，可以对模具零件表面进行抛光处理，是一种新型的模具零件表面处理工艺。

　　1.1.5 模具电铸成形电铸成形是利用电化学过程中的阴极沉积现象进行成形的加工方法，主要用于注射模零件的加工。注射模的电铸成形是将动模作为阴极，将需要电铸的金属作为阳极同时置于镀槽中，然后通入直流电，此时阳极的金属释放金属离子，并向动模沉积，一段时间后，动模上会沉积有适当厚度的金属层，形成电铸层。电铸工艺适用于金属型腔的复制加工，且加工精度高。

　　1.2 数控加工技术1.2.1 模具零件数控加工模具作为成型塑件的工具，其零件制造精度要求高于成型塑件的精度。组成模具的大部分零件一般具有复杂的型面，传统的加工方法不仅加工效率低，且加工精度低。数控加工是模具零件加工的主要方法，如数控车削加工、数控铣削加工、数控线切割加工、数控电火花加工等。

　　（1）数控车削加工。数控车削可用于顶杆、推杆、导柱、导套等轴类零件的加工；还可用于回转体模具零件的加工，如外圆体、内圆盆类零件的注射模零件，轴类、盘类零件的锻模以及冲模的凸模等。（2）数控铣削加工。数控铣削可用于外形轮廓较为复杂或者带有三维曲面型面的模具零件的加工，万博max体育如注射模的型芯、型腔板的加工等。（3）数控线切割加工。数控线切割可加工各种直壁模具零件或者一些形状复杂、材料特殊以及带有异型通槽的模具零件。（4）数控电火花加工。数控电火花加工可用于微细复杂形状、特殊材料、镶拼型腔板及镶件、带异型槽的模具零件的加工。（5）数控加工中心加工。数控加工中心根据加工轴数可分为3轴、4轴和5轴等，其中，5轴数控加工中心可以加工高精度、曲面复杂的模具零件。目前，在模具零件加工中，5轴数控加工中心应用较广泛。

　　1.2.2 国内外数控系统国内外有名的数控系统有：发那科（FANUC）、马扎克（MAZAK）、三菱（MITSUBISHI）、西门子（SIMENS）、发格（FAGOR）、西曼斯（CMS）、华中数控（HSK）、广 州 数 控（GSK）、宝 元（LNC）、新 代（SYNTEC）等，如表1所示。

　　一些国外知名厂家采取技术封锁和低价销售的策略，利用灵活多样的促销手段和先进的技术以及优质的产品迅速抢占中国市场。目前，国内普及型、中、高档数控系统的市场已经被国外品牌垄断。但国外的数控系统有如下缺点：

　　（1）维修费用高，维修时效性低，系统更新慢。（2）技术封锁，数控系统二次开发难度大。（3）与国内数控机床相比价格昂贵，性价比低。随着国内数控系统公司不断创新，国内数控技术的发展取得了跨越式进展。目前，我国的数控系统与国外相比虽有差距，但差距正不断缩小，如广州数控、华中数控等，正在积极发展自己的核心技术。

　　1.3 柔性制造技术1.3.1 柔性制造单元柔 性 制 造 单 元（flexible manufacturing cells，FMC）是数控加工中心的扩展，数台数控机床或加工中心和工件运输装置在计算机系统的控制下，根据需要自动更换夹具和刀具，进行工件的加工。FMC 主要有以下 3 种类型。

　　（1）托板存储库式 FMC，其特点是有托板储存系统，可通过 PLC 控制托板的选择和定位，适用于非回转体零件的加工。（2）机器人搬运式FMC，由加工中心、数控机床机器人和工件传输系统等组成，有些单元还包括清洗设备。（3）可换主轴箱式 FMC，一般由可更换主轴箱的数控机床、主轴库、主轴交换装置和托板交换装置组成。装有工件的托板交换装置将工件运送至圆形工作台上夹紧，装有主轴箱的动力头驱动刀具加工工件。可换主轴箱式 FMC 的加工方式为多轴加工，适用于中、大批量的工件加工生产。

　　1.3.2 柔性制造系统柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS）主要由数台加工中心、工业机器人和自动制导小车（AGV）等组成，在计算机的控制下，实现对同的加工对象的自动化机械制造。柔性制造系统的优势有：

　　（1）设备利用率高。相比于机床分散式单机作业，成组的机床编入柔性制造系统后，生产效率可以提高数倍。（2）产品数量减少 80%左右。柔性制造系统一般包括多个工序，每个产品在生产组装时无需等待就能进入下一工序，从而使等待加工的产品数量大幅度减少。（3）生产能力稳定。柔性制造系统包含一台或多台机床，当某一台机床发生故障时，能实现降级运转，同时，物料传输系统能自动绕过故障机床，避免生产线）产品质量高。加工时工件只需一次装夹，就能完成各工序的加工，加工精度高、稳定性好。（5）运行灵活。柔性制造系统的检验、装夹和维护工作都可以在第 1 班完成，可实现第 2 班、第 3班自动化生产。对于功能更加完善的柔性制造系统，刀具的磨损更换、物流的堵塞疏通等问题都能在监控系统作用下解决。（6）产品应变能力大。夹具、刀具和物料传送装置的柔性大，系统的可扩展性强，能通过增加或减少设备，实现不同产品的生产。（7）经济效益显著FMS能根据装配作业的需要及时调整所需零件的加工，达到及时生产的效果，避免了毛坯的囤积，降低了流动资金的占用量，提高生产效率。同时，在相同的生产能力下，较高的设备利用率能减少设备需求和厂房面积，且FMS能在人员数量少的情况下实现自动化连续生产，降低劳动力的需求，FMS生产的产品质量大幅度提高。

　　1.4 快速制模技术与传统模具零件加工技术相比，快速制模技术能以较低的生产成本以及较高的效率，制造出较高精度和耐用性的模具，是一种经济效益良好的先进制造技术。（1）3D打印技术。3D打印属于增材制造（addi-tive manufacturing，AM）技术，是激光技术、材料科学技术、计算机技术、数控技术高度发展的产物。3D 打印技术与传统去除材料的加工方法不同，其采用“分层切片，层层叠加”的原理，只需要把产品 3D模型通过指定的方式传输到 3D 打印设备，就可以打印出具有一定精度的产品。相比于传统制模技术，3D打印技术的制造效率高，成本低，适用于新产品的开发研究。

　　3D 打印技术包括激光立体光刻成型（SLA）、分层物体制造（LOM）、选择性激光熔化（SLM）、熔融沉积成型（FDM）等多种成型工艺。3D打印制造模具实例及镶件如图1所示。

　　（2）表面成形制模技术。表面成形制模技术可用于型腔表面或精细花纹的加工，涉及的工艺技术有电铸、喷涂、化学腐蚀等。

　　（3）浇铸成形制模技术。浇铸成形制模技术主要有铋锡合金制模技术、锌基合金制模技术、树脂复合成形技术及硅胶制模技术等。

　　（4）冷挤压及超塑性成形制模技术。冷挤压是模具型腔板的一种加工方法，不需要切削加工，只需将坚硬的原模或动模经过冷挤压压入较软且塑性好的材料内，形成所需的型腔。经冷挤压加工形成的型腔表面光滑，可缩短挤压后的加工过程。采用冷挤压、冷滚压加工方法加工复杂型腔或型面的新工艺，由于效率高、质量好，广泛用于制造塑料、压铸、热锻、精压、冷镦、冷冲、螺纹滚压等各种模具零件。

　　（5）无模多点成形技术。通过对一系列排列规则、高度可调的基体的实时控制，自由地构造成型实现板材曲面加工，是集计算机技术和多点成形技术于一体的复合制造技术

　　（6）随形冷却技术。注射模中，冷却水道可以根据塑件形状设计成相应的形状，水道直径可以根据需要改变，水道截面形状的选择呈多样化。模具冷却时间是决定塑件生产周期长短的重要因素，通过CAE分析优化模具冷却水道的形状和布置方式，可以提高冷却效率，并降低因冷却不均导致的废品率。目前，随形冷却水道主要通过选择性激光熔化（

　　目前，常用的 CAM 软件有：UG NX、Master-CAMPower MILL、Cimtron、Solid CAM、CAXA、SINOVATION、中望 CAM 等等。

　　2.1.1 国外 CAM 软件（1）UG NX。UG NX 是德国西门子公司设计的具有强大造型功能和数控编程功能的软件。该软件曲面造型功能强大，具有完善的系统库，适用于模具设计和数控编程。（2）Master CAM。Master CAM 是由美国 CNCSoftware Inc.公司基于 PC 平台开发的集三维实体造型、体素拼合、数控编程、刀具路径模拟等多种先进功能于一体的软件。（3）Power MIL。 Power MILL 是 英 国 Delcam公司开发的高度智能化的 CAM 系统，具有基于知识和工艺特征的多种加工方式，同时具备加工过程防过切、高速加工等功能，可进行5轴加工编程。（4）Cimatron。Cimatron 是以色列 Cimatron 开发的软件，具有模具设计、NC 编程与加工、3 轴加工、残料加工、插铣加工、高速铣削、智能NC等功能。（5）Solid CAM。Solid CAM是以色列Solid CAM公司开发的软件，具有2.5轴铣削、3轴铣削、多面体4/5 轴定位铣削、高速铣削（HSM）5 轴联动铣削、车削和高达5轴的车铣复合加工、线切割等编程模块。

　　（1）CAXA。CAXA 是北京数码大方科技有限公司自主研发的软件，其数控加工模块具有加工多样化（2~5轴）、高速加工、参数化轨迹编辑及轨迹批处理、独特的加工仿真与代码验证、加工工艺控制等特点。（2）SINOVATION。SINOVATION 是山东山大华天软件有限公司开发的软件，具有特征造型、CAM 加工、冲模设计、注射模设计、冲压工艺设计等功能模块，其中，CAM 加工模块支持2轴、3轴、5轴数控铣削加工，具有强大的路径编辑功能和参数化后处理工具。（3）中望 CAM。中望 CAM 是广州中望龙腾软件股份有限公司研发的软件，包含粗加工、精加工、螺纹加工、凹槽加工、端面加工、钻削加工、切断加工等加工方式，具有工艺管理方便、加工刀具路径合理、操作简单、支持5轴加工等特点。

　　2.2 模具生产管理软件模具企业中常用的生产管理软件是企业资源规划（enterprise resource planning，ERP）[18]，于 1990年由美国 Gartner Group 公司研发成功。随着模具企业的迅速发展及生产经营的扩大，信息化管理技术需求也越来越大。为了使设计、生产、管理等能够适应企业的发展，必须在人力资源、物流、信息等方面加强计算机技术的集成，在产品设计、生产管理、财务控制、经营决策等各方面实行更加科学地管理，取得更高的经济效益。目前，模具企业的内部资源比较分散，人力资源、生产制造、生产管理等方面通常采用不的软件，降低企业内部资源管理的效率。开发集 CAD、PDM、ERP 等各类信息技术于一体的系统，能够实现企业的内部集成与协同，有利于研究开发模具企业的 ERP 系统。以下介绍模具行业常用的 ERP 软件。

　　（1）SAP。SAP是一款由德国SAP公司开发，能对企业的后勤、人力资源、财务、业务工作流程等进行统一的管理的ERP系统，具有功能性、灵活性、开放性、用户界面友好、模块化、可靠、低成本、高效益、多语言支持等特点，广泛应用于模具行业。（2）EMAN。EMAN 是武汉益模软件科技股份有限公司开发的，针对模具企业的生产特点和生产过程量身定做的信息化管理系统。万博max体育该系统以模具生产过程的管理为核心，以保证质量、降低成本和缩短模具生产周期为目标，可通过简单的操作帮助模具企业的相关人员完成模具生产过程的有效管理。（3）方天Mold ERP。方天是台湾方天软件科技股份有限公司研发的ERP软件，该软件具有模具设计系统、模具 MES 系统、模具项目管理系统、模具自动排程系统、模具车间执行系统、模具外发加工管理系统、模具质量检测系统、模具财务管理系统等模块，以模具制造过程为管理核心，降低模具制造成本、缩短模具生产周期、保证产品质量为目标，通过简单的操作完成对模具生产过程的有效管理。（4）Team-link MES。Team-link MES是由深圳市世纪天扬科技有限公司开发的模具精益生产管理系统，具有模具档案集中管理、模具领用归还统一控制、模具使用寿命自动累计、模具位置标识归位、模具保养自动提醒等特点，能够对模具状态进行实时监控，减少误用损坏模具、损坏模具停产的现象，节省模具准备时间，降低模具生产的时间成本。（5）TOP-THINK。TOP-THINK 软件由深圳市杰纳斯科技有限公司开发的ERP软件，主要服务于注射、吹塑、冲压、组装、线材、医药等行业。3 、模具夹具模具制造过程中，主要夹具有：标准件加工用夹具、非标准件加工用夹具和电极加工用夹具等，其中，标准件加工用夹具与一般机械零件加工用夹具相同。模具企业常用的夹具品牌有以下5种。（1）3R 夹具。3R 夹具是瑞典 System3R 公司开发的夹具，具有简单易用、方便快捷、可在机外检测、节省时间、工作效率高、产品质量好、节约成本、电极可下机检测修改且二次上机不影响精度、重复定位精度高等特点。（2）米思米夹具。米思米夹具是日本米思米集团生产的夹具，具有安装拆卸方便、安装精度高、重复定位精度高、工作效率高等特点，广泛应用于模具制造行业。（3）Hainbuch夹具。Hainbuch夹具是德国Hain-buch 生产的夹具，具有安装拆卸方便、精度高、更换便捷快速、环保、强度高、外观优美等特点，广泛应用于车床夹具。（4）Roehm 夹具。Roehm 夹具是德国 RoehmGmb H 公司制造的产品，主要包括：Roehm 卡盘、Roehm 阀、Roehm 钳、Roehm 锁紧套等。Roehm 夹具具有安装拆卸方便、定位精度高、强度高等特点。（5）EROWA 夹 具 。 EROWA 夹 具 是 瑞 士EROWA 公司的产品，具有简单易用、装卸方便、重复定位精度高、可机外检测、设备利用率高等特点。

　　4 、品牌机床模具制造中使用的机床主要有数控铣床、数控车床、加工中心、电火花、线切割、磨床、锯床、钻床、激光加工设备等。据行业初步调查，目前，在模具行业用得比较多的机床及品牌如表2所示。

　　5.1 模具 CAM 发展趋势随着计算机技术的发展，模具 CAM 的应用更加广泛，其主要的发展趋势包括以下3个方面。

　　（1）模具软件功能集成化，模具生产中的设计、制造、装配、检验、测试等环节实现信息的共享与综合，产品的数据模型可以通过指定的协议传输到各个环节，模具软件功能更加齐全。（2）模具设计、分析及制作的三维化。使用三维软件进行模具设计，且三维模型能够在模具结构CAE 分析、数控编程、成型过程 CAE 分析等环节享，避免重复建模。三维设计过程直观准确，有利于在生产前发现模具设计中不合理结构。常见的三维设计软件有 Pro/E、UG 和 CATIA 等，这些软件都具有参数化设计、基于特征全相关等特点，能够推动模具并行工程发展。（3）模具软件应用的网络化趋势。现在是信息化的时代，信息的共享能够推动模具企业资源的合理配置，包括模具企业内部和外部的资源共享。将模具软件接入网络，不仅能够提高模具企业内部信息传输的效率，还有利于促进企业间的合作与交流。在模具行业中推广虚拟设计、敏捷制造等技术将是未来的重要发展方向。

　　5.2 模具加工设备发展趋势随着模具制造技术的发展，模具加工设备也呈一定的发展趋势，主要分为以下7大类。

　　（1）电火花加工机床朝着智能化、自动化、高效化、精密化的方向发展，如高精度的电火花成形机床、高效率的双头电火花机床等。电火花成形机床常用于复杂曲面的抛光加工，适用于模具型腔板的复杂曲面的精密加工，提高了模具加工效率。双头电火花机床加工大型模具时的效率是单头火花机的2倍以上，广泛应用于空调、冰箱、电视机、汽车等精密模具零件的加工。（2）激光加工设备沿着更高精度、更高效率的激光抛光机和5轴联动激光加工机床方向发展。激光抛光是使工件表面的薄层材料在一定波长和能量密度的激光照射下熔化或蒸发，以达到抛光效果的加工方法，弥补了传统抛光方法很难或不能抛光复杂曲面的缺陷，适用于表面形状复杂的模具零件的加工。5轴联动激光加工机床是多轴激光微加工系统，能够以超高精度加工各种模具零件，进行高精度激光切割、激光钻孔、激光雕刻、激光焊接、激光烧蚀、激光皮纹加工等多种工作。（3）高速铣削机床主要用于中、大型模具零件的加工，适用于具有复杂曲面的汽车覆盖件模具零件、压铸模具零件、大型注射模零件的加工。目前高速铣削机床主轴转速可达100 000 r/min，加工精度可达0.01 m，今后高速铣削机床将沿加工精度更高的方向发展。（4）随着3D打印技术的发展，金属3D打印机逐渐应用于注射模随形冷却水道镶件的加工、模具零件的加工制造及修复等。如DMT MX-250金属3D打印机可用于随形冷却水道的复合制造，EOSINTM400 激光烧结 3D 打印机可用于批量生产模具零件、金属零部件以及快速成型件等。（5）柔性制造单元及系统朝多功能方向发展，如由单纯加工型的柔性制造系统进一步开发以焊接、装配、检验及板材加工或者铸、锻等制造工序兼具的多种功能柔性制造系统。（6）高速、高精度加工技术及装备加工速度更快、精度更高。部分超精密加工机床精度可达 0.01m；数控机床的平均故障间隔时间6 000 h，伺服系统的平均故障间隔时间3 000 h。为了适应加工设备的发展，其配套的零部件如电主轴、直线电机等发展速度也在加快，推动了高速、高精度加工的普及应用。（7）随着5轴联动机床复合主轴头结构的简化，其制造难度和成本降低，5 轴联动机床数控系统价格下降，且具备较高的加工效率和加工精度，复合主轴头5轴联动机床和复合加工机床发展空间大。5.3 数控系统发展趋势作为模具制造技术不可缺少的数控系统也朝着良好的方向发展，主要分为以下2个方面。

　　（1）数控系统向智能化、开放式、网络化方向发展。数控设备将具有更加智能的系统，如：使用时加工过程自适应控制、自动生成工艺参数等技术，提高零件加工效率和加工质量；采用前馈控制、自动识别负载、自动选定模型、自整定、电机参数的自适应运算等技术，提高系统驱动性能；利用智能化的自动编程、智能化的人机界面，提高系统编程效率和简化操作；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。（2）重视新技术标准、规范的建立。目前，美国、日本、欧盟等国家已相继进行开放式结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定。美国、日本、欧盟作为世界上的三大经济体系，对数控系统进行了相似的科学计划和规范的制定，预示着数控技术将迎来重要的变革。为了跟上先进数控技术的发展，中国也开始进行ONC数控系统的规范框架的研究和制定。数控技术诞生后的 50 年内都是采用G、M代码描述加工过程，这种面向加工过程的ISO6983标准已经不能满足现代数控技术的高速发展。现在国际上正在研究和制定一种新的数控系统标准 ISO14649（STEP-NC）。新的技术标准将能提供一种具有普遍适用性的中性机制，使同一个数据模型贯穿模具产品的设计、制造、分析、维修等环节，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。6 、结束语基于模具制造技术的研究，总结了模具制造技术的相关技术及发展现状，最后指出了模具制造技术的发展趋势。

　　（1）模具加工制造技术，主要包括特种加工、数控加工、柔性制造和快速制模等技术。（2）模具制造过程中，涉及到的软件有 2 类：CAM 软件、模具生产管理类软件。（3）常见的模具夹具品牌有 3R 夹具、米思米夹具、Hainbuch夹具、Roehm夹具、EROWA夹具等。（4）模具制造用到的机床主要有数控铣床、数控车床、加工中心、电火花、线切割、磨床、锯床、钻床、激光加工设备等。为了适应模具行业的快速发展，模具 CAM、模具加工设备和数控系统都将朝着智能化、网络化、高精度和高效率的方向发展。

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