第16章 现代模具制造技术简介

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。
16.1
模具的快速成形技术
1. 快速成形技术概述 快速成形（Rapid Prototypipng，简称RP）技术又称为快速 原型制造（Rapid Prototypipng Manufacturing，简称RPM）技 术，是２０世纪８０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２０年来制造技术领域最重大 发展之一。 ＲＰ技术利用计算机及ＣＡＤ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。
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；3—X-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60～300º C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。
（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。
②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。 ①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。
2．CAD/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，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。
在传统制造业中一般是采用对 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
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。 ①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 Bonded 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。
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/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
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。
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。
（6）固基光敏液相法的工艺原理如图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。
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；3—Z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
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 图16-1 分层实体制造法（LOM法）示 意图 片材，并将得到的连续层片材料粘接 1—X-Y扫描系统；2—光路系统；3—激 构成三维实体的模型图，如图16-1所 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— 示。 制成件；10—制成层；11—边角料 LOM 的关键是技术是控制激光的 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。 ③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，即金属粉末为两种金属粉末的混合体，其中的 一种热点较低，起黏结剂作用。
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。
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。