1、第16章 現代模具制造技術簡介,16.1 模具的快速成形技術,16.2 模具CAD/CAM簡介,隨著現代制造技術的不斷發(fā)展以及在市場的迫切需求下，模具制造技術得到了迅猛的發(fā)展，并已成為現代制造技術的重要組成部分。例如模具的CAD/CAM技術、模具的快速成形技術、模具的精密成形技術、模具的超精密加工技術、CIMS技術以及數控技術等?，F代模具制造技術朝著加快信息驅動、提高制造柔性、敏捷化制造及系統(tǒng)化集成的方向發(fā)展。本章將主要介紹模具的快速成形技術和模具的CAD/CAM技術。,1. 快速成形技術概述 快速成形（RapidPrototypipng，簡稱RP）技術又稱為快速原型制造（RapidProto

2、typipngManufacturing，簡稱RPM）技術，是世紀年代后期興起并迅速發(fā)展起來的一種基于材料堆積法加工的高新制造技術，堪稱近年來制造技術領域最重大發(fā)展之一。 技術利用計算機及軟件對產品進行三維實體造型設計或利用工業(yè)CT照射實體模型，得到STL數據文件，然后利用分層軟件對零件進行切片處理，得到一組平行的環(huán)切數據，之后利用激光器產生激光，通過激光掃描，形成極薄的一層固化層，如此反復，最終形成固態(tài)的產品原型。 RP技術綜合機械工程、CAD、數控技術、激光技術及材料科學等多項技術，在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢ńY構和功能的零件或原

3、型，并可及時對產品設計進行快速反應，不斷評估、現場修改及功能試驗，大大縮短產品的研發(fā)周期，以最快的速度響應市場，從而提高企業(yè)的竟能能力。,16.1 模具的快速成形技術,2. 快速成形工藝方法簡介 到目前為止，國內外已較為成熟的的快速成形制造技術的具體工藝不下30種，按照采用的材料及材料處理方式的不同，可歸納為以下六類。 （1）分層實體制造法（Laninated Object Manufacturing，LOM） LOM法是根據零件分層幾何信息切割箔材、紙片、塑料薄膜或復合材料等片材，并將得到的連續(xù)層片材料粘接構成三維實體的模型圖，如圖16-1所示。 LOM 的關鍵是技術是控制激光的,圖16-1

4、 分層實體制造法（LOM法）示意圖 1X-Y掃描系統(tǒng)；2光路系統(tǒng)；3激光器；4加熱棍；5薄層材料；6供料滾筒；7工作臺；8回收滾筒；9制成件；10制成層；11邊角料,光強和切割速度，使它們達到最佳配合，以便保證良好的切口質量和切割深度。 采用LOM法制造實體時，激光只需掃描每個切片的輪廓而非整個切片的面積，生產效率高，使用的材料廣泛，成本較低。,（2）選擇性激光燒結法（Selective Laser Sintering，SLS）。 SLS是將多種粉末（含熱熔性結合劑）作為原材料，利用高效率的CO2激光器在計算機的控制下對其層層加熱熔化堆積成形。如圖16-2所示。 該方法的優(yōu)點是由于粉末具有自支

5、撐作用，而不需要另外支撐，另外材料廣泛，不僅能生產塑料材料，還能直接生產金屬和陶瓷零件。,圖16-2 選擇性激光燒結法（SLS法）示意圖 1粉末材料；2激光束；3X-Y掃描系統(tǒng)；4透鏡；5激光器；6刮平器；7工作臺；8制成件,（3）融化堆積造型法（Fused Deposit Manufacturing，FDM） FDM是采用熔絲材料加熱后將半熔狀態(tài)的熔絲材料在計算機控制下噴涂到預定位置，逐點逐層噴涂成形。如圖16-3所示。 FDM技術的最大優(yōu)點是速度快，此外，整個FDM成型過程是在60300C下進行的，并且沒有粉塵，也無有毒化學氣體、激光或液態(tài)聚合物的泄漏，適宜辦公室環(huán)境使用。FDM制作生成的

6、原型適合工業(yè)上各種各樣的應用，如概念成型、原型開發(fā)、精鑄蠟模和噴鍍制模等。,圖16-3 融化堆積造型法（FDM法）示意圖 1熔絲材料；2滾輪；3加熱噴嘴； 4半熔狀絲料；5制成件；6工作臺,（4）立體平板印刷法（Stereo Lithgraphy Apparatus，SLA） SLA又稱立體光刻、光造型，其原理如圖16-4所示。 SLA法是最早出現的一種RP工藝，目前是RPM技術領域中研究最多、技術最為成熟的方法。但這種方法有其自身的局限性，如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。,圖16-4 立體平板印刷法（SLA法）示意圖 1激光發(fā)生器；2激光束

7、；3Z軸升降臺； 4托盤；5樹脂槽；6光敏樹脂；7制成件,（5）三維打印法（Three-Dimensional Printing，3D-P） 3D-P又稱粉末材料選擇性粘接，其原理如圖16-5所示。,圖16-5 三維打印法（3D-P）示意圖,（6）固基光敏液相法（Solid Ground Curing，SGC） SGC的工藝原理如圖16-6所示 。,圖16-6 固基光敏液相法（SGC法）示意圖 1加工面；2均勻施加光敏液材料；3掩膜紫外光曝光；4清除未固化原料； 5填蠟；6磨平；7成型件；8蠟；9零件,3. 基于RP的模具快速制造技術 1）快速模具制造技術的概念 應用快速成形方法快速制作模具的

8、技術成為快速模具制造技術（簡稱RT），RP技術發(fā)展到今天，其發(fā)展重心已從快速原型制造（RPM）向快速模具（RT）及金屬零部件快速制造的方向轉移，目前RT已經成為快速成形技術領域一個新的研究熱點。由于傳統(tǒng)的模具制造過程復雜、耗時長、費用高，往往成為設計和制造的瓶頸，因此應用快速成形技術制造模具已成為該技術發(fā)展的主要推動力。利用快速模具制造技術現已可以做到對復雜的型腔曲面無需數控切削加工便可制造，從模具的概念設計到制造完畢僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的1/3和成本的1/4左右。所以國外發(fā)達工業(yè)國家已將RT作為縮短模具制作周期和產品開發(fā)時間的重要研究課題和制造業(yè)的核心技術之一。,在傳統(tǒng)制造業(yè)中一般是采用

9、對鍛件或型材進行機械加工的方法獲得模具，由于它具有加工精度高、模具壽命長的優(yōu)點，所以一直是廣泛應用的模具制造方法。圖16-7所示為一種典型的金屬模具生產工藝流程。 從流程圖可知，傳統(tǒng)的模具制造過程基本上是以機械加工為主，從模具下料、整修到裝配，是一個需要技術和技能的工藝過程，往往加工周,圖16-7 傳統(tǒng)模具制造工藝流程圖,期長，成本高，對操作技能的依賴性高。當模具的形狀較為復雜時，特別是有復雜曲面加工時，模具的生產效率更低，很難適應市場激烈競爭條件下產品生產小批量、多品種的發(fā)展趨勢。,快速成形制造技術不僅能適應各種生產類型特別是單件小批量的模具生產，而且能適應各種復雜程度高的模具制造。它既能制

10、造塑料模具，也能制造壓鑄模等金屬模具。因此快速成形技術一問世，就迅速應用于模具制造上。 快速模具制造技術（RT）的具體工藝路線如圖16-8所示。,圖16-8 快速模具制造技術（RT）的工藝路線,2）快速模具制造技術的分類 目前的快速模具制造技術主要集中在兩大研究方向：第一是間接快速制模，即用快速成形件作母?；蜻^渡模具，再通過傳統(tǒng)的模具制造方法來制造模具；第二是直接快速制模，即用SLS、FDM、LOM等快速成形工藝方法直接制造出樹脂模、陶瓷?；蚪饘倌?。 （1）間接快速制模技術 采用快速成形技術，結合精密鑄造、金屬噴涂、硅橡膠、電極研磨、粉末燒結等技術就能間接制造出模具。間接制模法指利用快速原型制

11、造技術首先制作模芯，然后用此模芯復制硬模具（如鑄造模具，或采用噴涂金屬法獲得輪廓形狀），或者制作目模復制軟模具等。,根據模具材料和生產成本一般可分為簡易模具（國外有關資料稱為Soft Tooling或Economical Tooling）和鋼制模兩大類。 簡易模具 零件批量較小（幾十到千件）或者用于產品試產，則可以用非鋼鐵材料制作成本相對較低的簡易模具。一般是依據RP技術制作的零件原型，翻制成硅橡膠模、金屬樹脂模和石膏模，或對原型進行表面處理，用金屬噴鍍法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點較低的合金（如Kirksite鋅合金）或鎳（Ni）來制作模具。 用化學粘接陶瓷工藝方法（Chemical Bon

12、ded Ceramic，CBC），依據RP（SL法或LOM法）原型制作母模（零件的反型）澆硅橡膠或聚氨酯軟模移去母模利用軟模澆注成CBC陶瓷型腔在250下固化型腔拋光，可制成小批量生產用注塑模。,鋼模具 基于RP技術快速制作鋼模具的方法主要有：陶瓷型精密鑄造法、失蠟精密鑄造法和電極快速制造法。電極快速制造是利用RP原型制作EDM電極，然后用電火花加工制成鋼模，它又分為噴鍍、涂覆法、研磨法、澆注法、粉末冶金法及電鑄法等方法。 （2）直接快速制模技術 直接快速制模技術包括三種工藝方法。 軟模技術 采用各種快速成形技術（包括SLA、SLS、LOM），可直接將CAD模型（虛擬模型）轉換為具有一定力學性

13、能的非金屬原型（物理模型），在許多場合下可作為軟模具使用，用于小批量塑料零件的生產。,準直接快速制模技術 其主要方法是通過RP方法將包括有黏結劑得的金屬粉（SLS）、金屬懸浮液（SLA）、帶有金屬離子的塑料絲（FDM）成型為半成品，再進過黏結劑的去除和滲金屬等后續(xù)工藝從而產生模具。此模具可用于中批量的塑料零件和蠟模的生產。 真直接快速制模技術 它包括兩種方法：第一，金屬粉末大功率激光燒結成型法，即利用高功率激光（1000W以上）對金屬粉末進行掃描燒結，逐層疊加成型，成型件經表面處理（打磨、精加工）即完成模具制造，制作的模具可作為壓鑄模、鍛模使用；第二，混合金屬粉末激光燒結成型法，即金屬粉末為兩

14、種金屬粉末的混合體，其中的一種熱點較低，起黏結劑作用。,16.2 模具CAD/CAM簡介,1. CAD/CAM技術概述 隨著工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展，市場需求的增加，以及產品更新換代速度的加快，產品生產正向復雜、精密、多品種、高質量和交貨周期短的方向發(fā)展，這就要求模具生產具有更短的周期、更低的成本和更高的質量。依賴經驗和手工技能的傳統(tǒng)模具設計與制造方式遠不能滿足這種要求，而應用計算機進行模具的計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）和計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，簡稱CAM）是解決這一矛盾的有效途徑。應用模具模具CAD

15、/CAM技術可大大縮短模具生產周期，減少設計中的主管錯誤，并能利用計算機容量大、運算速度快的優(yōu)點，借助數據庫存儲的大量數據優(yōu)化設計方案，保證方案的可行性。同時，CAD系統(tǒng)產生的數據可直接經CAM軟件處理成數控（Numerical Control，簡稱NC）機床可以,識別的代碼，進而控制加工設備加工出模具，使模具生產實現高精度、高效率和高度自動化。模具CAD/CAM技術使模具生產產生了根本性的變化，它的應用給模具工業(yè)帶來了巨大的經濟效益，它的發(fā)展和推廣將是模具技術一場新的革命。 （1）CAD/CAM技術的定義 CAD是指工程技術人員在人和計算機組成的系統(tǒng)以計算機為輔助工具，完成產品的數值計算、產

16、品性能分析、試驗數據處理、計算機輔助繪圖、仿真及動態(tài)模擬等工作，從而提高產品的設計質量、縮短產品的開發(fā)周期、降低產品的成本。 CAM有廣義和狹義兩種定義。廣義CAM是指利用計算機輔助完成制造信息處理的全過程。它包括工藝過程設計、工裝設計、數控編程、生產作業(yè)計劃、生產過程控制和質量監(jiān)控等。狹義CAM是指NC程序編制，包括刀具路徑規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真及數控代碼的生成。,2CAD/CAM的基本內容 產品是市場競爭的核心，它從需求分析開始，經過設計過程、制造過程最后變成可供用戶使用的產品。 傳統(tǒng)的生產流程如圖16-9（a）所示。 隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，提出了一種新的系統(tǒng)工程方法，

17、稱為并行法，如圖16-9（b）所示。它的思路就是并行的、集成的設計產品及其開發(fā)的過程。它要求產品開發(fā)人員在設計的階段就考慮產品整個生命周期的所有要求，包括質量、成本、進度、用戶要求等，以便最大限度的提高產品開發(fā)效率及一次成功率。由圖可見，在順序法中信息流是單向的，在并行法中，信息流是雙向的。,圖16-9 兩種開發(fā)示意圖,2. CAD/CAM技術在模具行業(yè)中的應用情況 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，產品對模具的要求愈來愈高，傳統(tǒng)的模具設計與制造方法已經不能適應工業(yè)及時更新換代和提高質量的要求。因此發(fā)達國家從20世紀50年代末就開始了模具CAD/CAM技術的研究，如美國通用汽車公司早在20世紀50年代就將C

18、AD/CAM技術應用于汽車覆蓋件的設計與制造。到60年代末，模具CAD/CAM技術日趨完善，70年代已研究出許多模具CAD/CAM的專門系統(tǒng)，可應用于各種類型的模具設計與制造，并取得顯著的應用效果。到20世紀80年代時，模具CAD/CAM技術已廣泛用于冷沖模、鍛模、擠壓模、塑料模和壓鑄模的設計與制造。據統(tǒng)計，美國1970年CAD/CAM作為一個產業(yè)的產值為零，到1991年年產值約數百億美元，其中機械行業(yè)占51%，電子、電器行業(yè)占23%。,我國模具CAD/CAM技術的開發(fā)始于20世紀70年代末，發(fā)展也很迅速。到目前為止，先后通過國家有關部門鑒定的有精沖模、普通沖裁模、塑料注射模等CAD/CAM系統(tǒng)。但是直到現在這些系統(tǒng)仍處于試用階段，尚未在生產中推廣使用。據統(tǒng)計，我國20世紀80年代進口模具中，均在不同程度上應用CAD、CAM、CAD/CAM等技術。另據統(tǒng)計，1986年我國耗資3.7億元引進各類CAD/CAM系統(tǒng)540套，但應用結果不盡人意。很明顯在模CAD/CAM技術方面，我國與國外相比還有很大的差距，主要表現在以下幾個方面：CAD/CAM技術研究開發(fā)未能很好地有組織、有計劃、有重點地進行，造成低水平的重復勞