第16章 现代模具制造技术简介.ppt

1、第16章 现代模具制造技术简介,16.1 模具的快速成形技术,16.2 模具CAD/CAM简介,随着现代制造技术的不断发展以及在市场的迫切需求下，模具制造技术得到了迅猛的发展，并已成为现代制造技术的重要组成部分。例如模具的CAD/CAM技术、模具的快速成形技术、模具的精密成形技术、模具的超精密加工技术、CIMS技术以及数控技术等。现代模具制造技术朝着加快信息驱动、提高制造柔性、敏捷化制造及系统化集成的方向发展。本章将主要介绍模具的快速成形技术和模具的CAD/CAM技术。,1. 快速成形技术概述 快速成形（RapidPrototypipng，简称RP）技术又称为快速原型制造（RapidProto

2、typipngManufacturing，简称RPM）技术，是世纪年代后期兴起并迅速发展起来的一种基于材料堆积法加工的高新制造技术，堪称近年来制造技术领域最重大发展之一。 技术利用计算机及软件对产品进行三维实体造型设计或利用工业CT照射实体模型，得到STL数据文件，然后利用分层软件对零件进行切片处理，得到一组平行的环切数据，之后利用激光器产生激光，通过激光扫描，形成极薄的一层固化层，如此反复，最终形成固态的产品原型。 RP技术综合机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学等多项技术，在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定结构和功能的零件或原

3、型，并可及时对产品设计进行快速反应，不断评估、现场修改及功能试验，大大缩短产品的研发周期，以最快的速度响应市场，从而提高企业的竟能能力。,16.1 模具的快速成形技术,2. 快速成形工艺方法简介 到目前为止，国内外已较为成熟的的快速成形制造技术的具体工艺不下30种，按照采用的材料及材料处理方式的不同，可归纳为以下六类。 （1）分层实体制造法（Laninated Object Manufacturing，LOM） LOM法是根据零件分层几何信息切割箔材、纸片、塑料薄膜或复合材料等片材，并将得到的连续层片材料粘接构成三维实体的模型图，如图16-1所示。 LOM 的关键是技术是控制激光的,图16-1

4、 分层实体制造法（LOM法）示意图 1X-Y扫描系统；2光路系统；3激光器；4加热棍；5薄层材料；6供料滚筒；7工作台；8回收滚筒；9制成件；10制成层；11边角料,光强和切割速度，使它们达到最佳配合，以便保证良好的切口质量和切割深度。 采用LOM法制造实体时，激光只需扫描每个切片的轮廓而非整个切片的面积，生产效率高，使用的材料广泛，成本较低。,（2）选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）。 SLS是将多种粉末（含热熔性结合剂）作为原材料，利用高效率的CO2激光器在计算机的控制下对其层层加热熔化堆积成形。如图16-2所示。 该方法的优点是由于粉末具有自支

5、撑作用，而不需要另外支撑，另外材料广泛，不仅能生产塑料材料，还能直接生产金属和陶瓷零件。,图16-2 选择性激光烧结法（SLS法）示意图 1粉末材料；2激光束；3X-Y扫描系统；4透镜；5激光器；6刮平器；7工作台；8制成件,（3）融化堆积造型法（Fused Deposit Manufacturing，FDM） FDM是采用熔丝材料加热后将半熔状态的熔丝材料在计算机控制下喷涂到预定位置，逐点逐层喷涂成形。如图16-3所示。 FDM技术的最大优点是速度快，此外，整个FDM成型过程是在60300C下进行的，并且没有粉尘，也无有毒化学气体、激光或液态聚合物的泄漏，适宜办公室环境使用。FDM制作生成的

6、原型适合工业上各种各样的应用，如概念成型、原型开发、精铸蜡模和喷镀制模等。,图16-3 融化堆积造型法（FDM法）示意图 1熔丝材料；2滚轮；3加热喷嘴； 4半熔状丝料；5制成件；6工作台,（4）立体平板印刷法（Stereo Lithgraphy Apparatus，SLA） SLA又称立体光刻、光造型，其原理如图16-4所示。 SLA法是最早出现的一种RP工艺，目前是RPM技术领域中研究最多、技术最为成熟的方法。但这种方法有其自身的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。,图16-4 立体平板印刷法（SLA法）示意图 1激光发生器；2激光束

7、；3Z轴升降台； 4托盘；5树脂槽；6光敏树脂；7制成件,（5）三维打印法（Three-Dimensional Printing，3D-P） 3D-P又称粉末材料选择性粘接，其原理如图16-5所示。,图16-5 三维打印法（3D-P）示意图,（6）固基光敏液相法（Solid Ground Curing，SGC） SGC的工艺原理如图16-6所示 。,图16-6 固基光敏液相法（SGC法）示意图 1加工面；2均匀施加光敏液材料；3掩膜紫外光曝光；4清除未固化原料； 5填蜡；6磨平；7成型件；8蜡；9零件,3. 基于RP的模具快速制造技术 1）快速模具制造技术的概念 应用快速成形方法快速制作模具的

8、技术成为快速模具制造技术（简称RT），RP技术发展到今天，其发展重心已从快速原型制造（RPM）向快速模具（RT）及金属零部件快速制造的方向转移，目前RT已经成为快速成形技术领域一个新的研究热点。由于传统的模具制造过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此应用快速成形技术制造模具已成为该技术发展的主要推动力。利用快速模具制造技术现已可以做到对复杂的型腔曲面无需数控切削加工便可制造，从模具的概念设计到制造完毕仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右。所以国外发达工业国家已将RT作为缩短模具制作周期和产品开发时间的重要研究课题和制造业的核心技术之一。,在传统制造业中一般是采用

9、对锻件或型材进行机械加工的方法获得模具，由于它具有加工精度高、模具寿命长的优点，所以一直是广泛应用的模具制造方法。图16-7所示为一种典型的金属模具生产工艺流程。 从流程图可知，传统的模具制造过程基本上是以机械加工为主，从模具下料、整修到装配，是一个需要技术和技能的工艺过程，往往加工周,图16-7 传统模具制造工艺流程图,期长，成本高，对操作技能的依赖性高。当模具的形状较为复杂时，特别是有复杂曲面加工时，模具的生产效率更低，很难适应市场激烈竞争条件下产品生产小批量、多品种的发展趋势。,快速成形制造技术不仅能适应各种生产类型特别是单件小批量的模具生产，而且能适应各种复杂程度高的模具制造。它既能制

10、造塑料模具，也能制造压铸模等金属模具。因此快速成形技术一问世，就迅速应用于模具制造上。 快速模具制造技术（RT）的具体工艺路线如图16-8所示。,图16-8 快速模具制造技术（RT）的工艺路线,2）快速模具制造技术的分类 目前的快速模具制造技术主要集中在两大研究方向：第一是间接快速制模，即用快速成形件作母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具；第二是直接快速制模，即用SLS、FDM、LOM等快速成形工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模或金属模。 （1）间接快速制模技术 采用快速成形技术，结合精密铸造、金属喷涂、硅橡胶、电极研磨、粉末烧结等技术就能间接制造出模具。间接制模法指利用快速原型制

11、造技术首先制作模芯，然后用此模芯复制硬模具（如铸造模具，或采用喷涂金属法获得轮廓形状），或者制作目模复制软模具等。,根据模具材料和生产成本一般可分为简易模具（国外有关资料称为Soft Tooling或Economical Tooling）和钢制模两大类。 简易模具 零件批量较小（几十到千件）或者用于产品试产，则可以用非钢铁材料制作成本相对较低的简易模具。一般是依据RP技术制作的零件原型，翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模，或对原型进行表面处理，用金属喷镀法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点较低的合金（如Kirksite锌合金）或镍（Ni）来制作模具。 用化学粘接陶瓷工艺方法（Chemical Bon

12、ded Ceramic，CBC），依据RP（SL法或LOM法）原型制作母模（零件的反型）浇硅橡胶或聚氨酯软模移去母模利用软模浇注成CBC陶瓷型腔在250下固化型腔抛光，可制成小批量生产用注塑模。,钢模具 基于RP技术快速制作钢模具的方法主要有：陶瓷型精密铸造法、失蜡精密铸造法和电极快速制造法。电极快速制造是利用RP原型制作EDM电极，然后用电火花加工制成钢模，它又分为喷镀、涂覆法、研磨法、浇注法、粉末冶金法及电铸法等方法。 （2）直接快速制模技术 直接快速制模技术包括三种工艺方法。 软模技术 采用各种快速成形技术（包括SLA、SLS、LOM），可直接将CAD模型（虚拟模型）转换为具有一定力学性

13、能的非金属原型（物理模型），在许多场合下可作为软模具使用，用于小批量塑料零件的生产。,准直接快速制模技术 其主要方法是通过RP方法将包括有黏结剂得的金属粉（SLS）、金属悬浮液（SLA）、带有金属离子的塑料丝（FDM）成型为半成品，再进过黏结剂的去除和渗金属等后续工艺从而产生模具。此模具可用于中批量的塑料零件和蜡模的生产。 真直接快速制模技术 它包括两种方法：第一，金属粉末大功率激光烧结成型法，即利用高功率激光（1000W以上）对金属粉末进行扫描烧结，逐层叠加成型，成型件经表面处理（打磨、精加工）即完成模具制造，制作的模具可作为压铸模、锻模使用；第二，混合金属粉末激光烧结成型法，即金属粉末为两

14、种金属粉末的混合体，其中的一种热点较低，起黏结剂作用。,16.2 模具CAD/CAM简介,1. CAD/CAM技术概述 随着工业生产和科学技术的发展，市场需求的增加，以及产品更新换代速度的加快，产品生产正向复杂、精密、多品种、高质量和交货周期短的方向发展，这就要求模具生产具有更短的周期、更低的成本和更高的质量。依赖经验和手工技能的传统模具设计与制造方式远不能满足这种要求，而应用计算机进行模具的计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简称CAM）是解决这一矛盾的有效途径。应用模具模具CAD

15、/CAM技术可大大缩短模具生产周期，减少设计中的主管错误，并能利用计算机容量大、运算速度快的优点，借助数据库存储的大量数据优化设计方案，保证方案的可行性。同时，CAD系统产生的数据可直接经CAM软件处理成数控（Numerical Control，简称NC）机床可以,识别的代码，进而控制加工设备加工出模具，使模具生产实现高精度、高效率和高度自动化。模具CAD/CAM技术使模具生产产生了根本性的变化，它的应用给模具工业带来了巨大的经济效益，它的发展和推广将是模具技术一场新的革命。 （1）CAD/CAM技术的定义 CAD是指工程技术人员在人和计算机组成的系统以计算机为辅助工具，完成产品的数值计算、产

16、品性能分析、试验数据处理、计算机辅助绘图、仿真及动态模拟等工作，从而提高产品的设计质量、缩短产品的开发周期、降低产品的成本。 CAM有广义和狭义两种定义。广义CAM是指利用计算机辅助完成制造信息处理的全过程。它包括工艺过程设计、工装设计、数控编程、生产作业计划、生产过程控制和质量监控等。狭义CAM是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真及数控代码的生成。,2CAD/CAM的基本内容 产品是市场竞争的核心，它从需求分析开始，经过设计过程、制造过程最后变成可供用户使用的产品。 传统的生产流程如图16-9（a）所示。 随着CAD/CAM技术的发展，提出了一种新的系统工程方法，

17、称为并行法，如图16-9（b）所示。它的思路就是并行的、集成的设计产品及其开发的过程。它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便最大限度的提高产品开发效率及一次成功率。由图可见，在顺序法中信息流是单向的，在并行法中，信息流是双向的。,图16-9 两种开发示意图,2. CAD/CAM技术在模具行业中的应用情况 随着工业技术的发展，产品对模具的要求愈来愈高，传统的模具设计与制造方法已经不能适应工业及时更新换代和提高质量的要求。因此发达国家从20世纪50年代末就开始了模具CAD/CAM技术的研究，如美国通用汽车公司早在20世纪50年代就将C

18、AD/CAM技术应用于汽车覆盖件的设计与制造。到60年代末，模具CAD/CAM技术日趋完善，70年代已研究出许多模具CAD/CAM的专门系统，可应用于各种类型的模具设计与制造，并取得显著的应用效果。到20世纪80年代时，模具CAD/CAM技术已广泛用于冷冲模、锻模、挤压模、塑料模和压铸模的设计与制造。据统计，美国1970年CAD/CAM作为一个产业的产值为零，到1991年年产值约数百亿美元，其中机械行业占51%，电子、电器行业占23%。,我国模具CAD/CAM技术的开发始于20世纪70年代末，发展也很迅速。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、塑料注射模等CAD/CAM系统。但是直到现在这些系统仍处于试用阶段，尚未在生产中推广使用。据统计，我国20世纪80年代进口模具中，均在不同程度上应用CAD、CAM、CAD/CAM等技术。另据统计，1986年我国耗资3.7亿元引进各类CAD/CAM系统540套，但应用结果不尽人意。很明显在模CAD/CAM技术方面，我国与国外相比还有很大的差距，主要表现在以下几个方面：CAD/CAM技术研究开发未能很好地有组织、有计划、有重点地进行，造成低水平的重复劳