第16章 現(xiàn)代模具制造技術(shù)簡(jiǎn)介.ppt

1、第16章 現(xiàn)代模具制造技術(shù)簡(jiǎn)介,16.1 模具的快速成形技術(shù),16.2 模具CAD/CAM簡(jiǎn)介,隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展以及在市場(chǎng)的迫切需求下，模具制造技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分。例如模具的CAD/CAM技術(shù)、模具的快速成形技術(shù)、模具的精密成形技術(shù)、模具的超精密加工技術(shù)、CIMS技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)等?，F(xiàn)代模具制造技術(shù)朝著加快信息驅(qū)動(dòng)、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(shù)和模具的CAD/CAM技術(shù)。,1. 快速成形技術(shù)概述 快速成形（RapidPrototypipng，簡(jiǎn)稱RP）技術(shù)又稱為快速原型制造（RapidProto

2、typipngManufacturing，簡(jiǎn)稱RPM）技術(shù)，是世紀(jì)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(shù)，堪稱近年來制造技術(shù)領(lǐng)域最重大發(fā)展之一。 技術(shù)利用計(jì)算機(jī)及軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)或利用工業(yè)CT照射實(shí)體模型，得到STL數(shù)據(jù)文件，然后利用分層軟件對(duì)零件進(jìn)行切片處理，得到一組平行的環(huán)切數(shù)據(jù)，之后利用激光器產(chǎn)生激光，通過激光掃描，形成極薄的一層固化層，如此反復(fù)，最終形成固態(tài)的產(chǎn)品原型。 RP技術(shù)綜合機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)，在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)和功能的零件或原

3、型，并可及時(shí)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速反應(yīng)，不斷評(píng)估、現(xiàn)場(chǎng)修改及功能試驗(yàn)，大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，以最快的速度響應(yīng)市場(chǎng)，從而提高企業(yè)的竟能能力。,16.1 模具的快速成形技術(shù),2. 快速成形工藝方法簡(jiǎn)介 到目前為止，國(guó)內(nèi)外已較為成熟的的快速成形制造技術(shù)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(shí)體制造法（Laninated Object Manufacturing，LOM） LOM法是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材、紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料等片材，并將得到的連續(xù)層片材料粘接構(gòu)成三維實(shí)體的模型圖，如圖16-1所示。 LOM 的關(guān)鍵是技術(shù)是控制激光的,圖16-1

4、 分層實(shí)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(tái)；8回收滾筒；9制成件；10制成層；11邊角料,光強(qiáng)和切割速度，使它們達(dá)到最佳配合，以便保證良好的切口質(zhì)量和切割深度。 采用LOM法制造實(shí)體時(shí)，激光只需掃描每個(gè)切片的輪廓而非整個(gè)切片的面積，生產(chǎn)效率高，使用的材料廣泛，成本較低。,（2）選擇性激光燒結(jié)法（Selective Laser Sintering，SLS）。 SLS是將多種粉末（含熱熔性結(jié)合劑）作為原材料，利用高效率的CO2激光器在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)其層層加熱熔化堆積成形。如圖16-2所示。 該方法的優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)塑料材料，還能直接生產(chǎn)金屬和陶瓷零件。,圖16-2 選擇性激光燒結(jié)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(tái)；8制成件,（3）融化堆積造型法（Fused Deposit Manufacturing，F(xiàn)DM） FDM是采用熔絲材料加熱后將半熔狀態(tài)的熔絲材料在計(jì)算機(jī)控制下噴涂到預(yù)定位置，逐點(diǎn)逐層噴涂成形。如圖16-3所示。 FDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，此外，整個(gè)FDM成型過程是在60300C下進(jìn)行的，并且沒有粉塵，也無有毒化學(xué)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(yīng)用，如概念成型、原型開發(fā)、精鑄蠟?zāi)：蛧婂冎颇５取?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(tái),（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(xiàn)的一種RP工藝，目前是RPM技術(shù)領(lǐng)域中研究最多、技術(shù)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(dǎo)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(shì)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(tái)； 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(shù) 1）快速模具制造技術(shù)的概念 應(yīng)用快速成形方法快速制作模具的

8、技術(shù)成為快速模具制造技術(shù)（簡(jiǎn)稱RT），RP技術(shù)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(zhuǎn)移，目前RT已經(jīng)成為快速成形技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的模具制造過程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，往往成為設(shè)計(jì)和制造的瓶頸，因此應(yīng)用快速成形技術(shù)制造模具已成為該技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。利用快速模具制造技術(shù)現(xiàn)已可以做到對(duì)復(fù)雜的型腔曲面無需數(shù)控切削加工便可制造，從模具的概念設(shè)計(jì)到制造完畢僅為傳統(tǒng)加工方法所需時(shí)間的1/3和成本的1/4左右。所以國(guó)外發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已將RT作為縮短模具制作周期和產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的重要研究課題和制造業(yè)的核心技術(shù)之一。,在傳統(tǒng)制造業(yè)中一般是采用

9、對(duì)鍛件或型材進(jìn)行機(jī)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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，所以一直是廣泛應(yīng)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(chǎn)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(jī)械加工為主，從模具下料、整修到裝配，是一個(gè)需要技術(shù)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(zhǎng)，成本高，對(duì)操作技能的依賴性高。當(dāng)模具的形狀較為復(fù)雜時(shí)，特別是有復(fù)雜曲面加工時(shí)，模具的生產(chǎn)效率更低，很難適應(yīng)市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)條件下產(chǎn)品生產(chǎn)小批量、多品種的發(fā)展趨勢(shì)。,快速成形制造技術(shù)不僅能適應(yīng)各種生產(chǎn)類型特別是單件小批量的模具生產(chǎn)，而且能適應(yīng)各種復(fù)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(shù)一問世，就迅速應(yīng)用于模具制造上。 快速模具制造技術(shù)（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(shù)（RT）的工藝路線,2）快速模具制造技術(shù)的分類 目前的快速模具制造技術(shù)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、陶瓷模或金屬模。 （1）間接快速制模技術(shù) 采用快速成形技術(shù)，結(jié)合精密鑄造、金屬噴涂、硅橡膠、電極研磨、粉末燒結(jié)等技術(shù)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(shù)首先制作模芯，然后用此模芯復(fù)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(fù)制軟模具等。,根據(jù)模具材料和生產(chǎn)成本一般可分為簡(jiǎn)易模具（國(guó)外有關(guān)資料稱為Soft Tooling或Economical Tooling）和鋼制模兩大類。 簡(jiǎn)易模具 零件批量較?。◣资角Ъ┗蛘哂糜诋a(chǎn)品試產(chǎn)，則可以用非鋼鐵材料制作成本相對(duì)較低的簡(jiǎn)易模具。一般是依據(jù)RP技術(shù)制作的零件原型，翻制成硅橡膠模、金屬樹脂模和石膏模，或?qū)υ瓦M(jìn)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(diǎn)較低的合金（如Kirksite鋅合金）或鎳（Ni）來制作模具。 用化學(xué)粘接陶瓷工藝方法（Chemical Bon

12、ded Ceramic，CBC），依據(jù)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(chǎn)用注塑模。,鋼模具 基于RP技術(shù)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(shù) 直接快速制模技術(shù)包括三種工藝方法。 軟模技術(shù) 采用各種快速成形技術(shù)（包括SLA、SLS、LOM），可直接將CAD模型（虛擬模型）轉(zhuǎn)換為具有一定力學(xué)性

13、能的非金屬原型（物理模型），在許多場(chǎng)合下可作為軟模具使用，用于小批量塑料零件的生產(chǎn)。,準(zhǔn)直接快速制模技術(shù) 其主要方法是通過RP方法將包括有黏結(jié)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(jìn)過黏結(jié)劑的去除和滲金屬等后續(xù)工藝從而產(chǎn)生模具。此模具可用于中批量的塑料零件和蠟?zāi)５纳a(chǎn)。 真直接快速制模技術(shù) 它包括兩種方法：第一，金屬粉末大功率激光燒結(jié)成型法，即利用高功率激光（1000W以上）對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，逐層疊加成型，成型件經(jīng)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(jié)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(diǎn)較低，起黏結(jié)劑作用。,16.2 模具CAD/CAM簡(jiǎn)介,1. CAD/CAM技術(shù)概述 隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的增加，以及產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，產(chǎn)品生產(chǎn)正向復(fù)雜、精密、多品種、高質(zhì)量和交貨周期短的方向發(fā)展，這就要求模具生產(chǎn)具有更短的周期、更低的成本和更高的質(zhì)量。依賴經(jīng)驗(yàn)和手工技能的傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)與制造方式遠(yuǎn)不能滿足這種要求，而應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡(jiǎn)稱CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，簡(jiǎn)稱CAM）是解決這一矛盾的有效途徑。應(yīng)用模具模具CAD

15、/CAM技術(shù)可大大縮短模具生產(chǎn)周期，減少設(shè)計(jì)中的主管錯(cuò)誤，并能利用計(jì)算機(jī)容量大、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，借助數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證方案的可行性。同時(shí)，CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可直接經(jīng)CAM軟件處理成數(shù)控（Numerical Control，簡(jiǎn)稱NC）機(jī)床可以,識(shí)別的代碼，進(jìn)而控制加工設(shè)備加工出模具，使模具生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高度自動(dòng)化。模具CAD/CAM技術(shù)使模具生產(chǎn)產(chǎn)生了根本性的變化，它的應(yīng)用給模具工業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，它的發(fā)展和推廣將是模具技術(shù)一場(chǎng)新的革命。 （1）CAD/CAM技術(shù)的定義 CAD是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為輔助工具，完成產(chǎn)品的數(shù)值計(jì)算、產(chǎn)

16、品性能分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)輔助繪圖、仿真及動(dòng)態(tài)模擬等工作，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低產(chǎn)品的成本。 CAM有廣義和狹義兩種定義。廣義CAM是指利用計(jì)算機(jī)輔助完成制造信息處理的全過程。它包括工藝過程設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)過程控制和質(zhì)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(shù)控代碼的生成。,2CAD/CAM的基本內(nèi)容 產(chǎn)品是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心，它從需求分析開始，經(jīng)過設(shè)計(jì)過程、制造過程最后變成可供用戶使用的產(chǎn)品。 傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程如圖16-9（a）所示。 隨著CAD/CAM技術(shù)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(shè)計(jì)產(chǎn)品及其開發(fā)的過程。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)的階段就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有要求，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度、用戶要求等，以便最大限度的提高產(chǎn)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(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用情況 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品對(duì)模具的要求愈來愈高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法已經(jīng)不能適應(yīng)工業(yè)及時(shí)更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。因此發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)50年代末就開始了模具CAD/CAM技術(shù)的研究，如美國(guó)通用汽車公司早在20世紀(jì)50年代就將C

18、AD/CAM技術(shù)應(yīng)用于汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)與制造。到60年代末，模具CAD/CAM技術(shù)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(yīng)用于各種類型的模具設(shè)計(jì)與制造，并取得顯著的應(yīng)用效果。到20世紀(jì)80年代時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)已廣泛用于冷沖模、鍛模、擠壓模、塑料模和壓鑄模的設(shè)計(jì)與制造。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1970年CAD/CAM作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值為零，到1991年年產(chǎn)值約數(shù)百億美元，其中機(jī)械行業(yè)占51%，電子、電器行業(yè)占23%。,我國(guó)模具CAD/CAM技術(shù)的開發(fā)始于20世紀(jì)70年代末，發(fā)展也很迅速。到目前為止，先后通過國(guó)家有關(guān)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(xiàn)在這些系統(tǒng)仍處于試用階段，尚未在生產(chǎn)中推廣使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)20世紀(jì)80年代進(jìn)口模具中，均在不同程度上應(yīng)用CAD、CAM、CAD/CAM等技術(shù)。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，1986年我國(guó)耗資3.7億元引進(jìn)各類CAD/CAM系統(tǒng)540套，但應(yīng)用結(jié)果不盡人意。很明顯在模CAD/CAM技術(shù)方面，我國(guó)與國(guó)外相比還有很大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：CAD/CAM技術(shù)研究開發(fā)未能很好地有組織、有計(jì)劃、有重點(diǎn)地進(jìn)行，造成低水平的重復(fù)勞