模具设计技术的发展趋势

模具设计技术的发展趋势

曹祁云

佛山隆深机器人有限公司广东佛山

摘要：CAD/CAE及CAPP和KBE技术是模具设计技术的发展方向，今后软件技术将需要有多方面的发展。模具设计技术在诸多层面应用较多，无论是在工业还是在企业发展中都得到广泛应用。基于此，在本文研究中对模具设计技术发展趋势展开分析。

关键词：模具设计；技术发展；趋势

前言

模具设计过程是一个建立在设计专家丰富的经验与知识基础上的创造性思维过程，它不仅是参考经验知识的辅助设计，更有在现有经验知识基础上的进一步积累创新。为实现模具设计的自动化与智能化，在模具设计发展过程中逐步引入了基于知识的工程技术以及推理技术实现模具的设计，实现设计决策的自动化。而在生产活动中，大部分产品的生产都需要使用模具。尤其是在航空发动机制造中，模具是重要而特殊的工艺装备，其设计和制造占整个发动机设计制造周期的30%左右，对发动机的制造质量、生产周期、制造成本产生直接影响。由于航空发动机模具具有结构形状复杂、种类多、批量小、设计制造质量要求高等特点，其生产与制造一直是制约发动机制

1.模具设计技术

随着产品结构复杂程度的提高，产品的模具结构也越来越复杂。伴随模具结构复杂程度的提高以及CAD/CAE技术的发展，模具设计技术经历了从依靠人的经验和手工制图到采用计算机辅助和自动决策设计的过程。CAD/CAE技术的应用对缩短模具制造周期及提高模具质量有着显著的作用。模具设计、制造水平的提高也带来产品加工质量与效率的不断提高。例如，在航空发动机叶片锻造模具的发展中，随着技术的不断发展，叶片精锻技术得到不断发展并大量使用，面向叶片精锻的锻压模具设计与锻件设计CAD系统逐渐得到应用[1]。这对于缩短叶片精锻模具设计制造周期，实现设计制造数据共享和信息集成，提高工作效率，使设计、工艺、加工等有机地结合起来有重要作用。

如在在航空发动机空心涡轮叶片的制造方面，空心涡轮叶片一般采用定向结晶或单晶净成形精密铸造。在我国航空发动机精铸涡轮叶片设计制造过程中，由于模具设计的尺寸不够合理导致精铸叶片的型面精度低、质量不稳、废品率很高的问题一直没有解决。为了解决精铸叶片成型精度低、质量不稳、废品率高等问题，国内相关机构通过综合分析空心涡轮叶片精铸过程中的变形情况，优化设计空心涡轮叶片精铸模具的型腔，并开发了空心涡轮叶片模具型腔优化设计软件。空心涡轮叶片模具型腔优化设计软件功能体系随着信息技术水平的不断提高，模具设计系统也与产品的整个生产平台进行了结合。例如，叶片模具设计系统可以很好地在PDM环境下进行集成，从而带来如下益处：

（1）通过严格的权限设置和产品数据集中管理，既保证了产品数据的安全性，又保证了产品数据的有效共享，能够解决重复设计的问题。

（2）保证产品数据的唯一性，避免由于产品数据不唯一而对设计制造造成的数据有效性影响。

（3）能够根据多种条件快速查

找相关的产品数据，能够根据产品结构组织产品数据，在产品结构和产品数据间直接建立直观、清楚的关系。

（4）实现文件格式、设计图形文件幅面标准化。

（5）严格设计流程和更改流程管理，通过严格的流程控制，保证设计和工艺数据正确性，提高工作效率。模具设计过程是一个建立在设计专家丰富的经验与知识基础上的创造性思维过程，它不仅是参考经验知识的辅助设计，更有在现有经验知识基础上的进一步积累创新[2]。为实现模具设计的自动化与智能化，在模具设计发展过程中逐步引入了基于知识的工程技术以及推理技术实现模具的设计，实现设计决策的自动化。例如，在空心涡轮叶片的模具设计过程中，西北工业大学开发了基于案例推理与基于规则推理相结合的模具设计系统。

2.模具加工技术发展趋势

在我国，模具共分10大类46小类。不同类型的模具具有不同的加工方法。同类模具也可以用不同的加工技术去完成。模具加工的工作量主要集中在模具型面加工、表面加工和装配环节。它们的加工方法主要有精密铸造、金属切削加工、电火花加工、电化学加工、激光及其他高能波束加工以及集2种以上加工方法为一体的复合加工等。数控和计算机技术的不断发展使它们在许多模具加工方法中得到了越来越广泛的应用。在工业产品品种多样化、个性化越来越明显，产品更新换代越来越快，市场竞争越来越激烈的情况下，用户对模具制造要求交货期短、精度高、质量好、价格低。这就给模具加工技术提出了新的发展方向。目前，已比较明显的发展方向主要有以下几方面。

2.1高速铣削技术的进一步发展及其推广应用

近年来，我国模具制造业中的一些骨干重点企业先后引进了高速铣床和高速加工中心，它们已在模具加工中发挥了很好的作用。国外高速加工机床主轴最高转速有的已超过100000r/min，快速进给速度可达120m/min，加速度可达1～2g，换刀时间可提高到1～2s。这样就可大幅度提高加工效率，并可获得Ra≤1μm的加工表面粗糙度，可切削60HRC以上的高硬度材料，形成了对电火花成形加工的挑战[3]。随着主轴转速的提高，机床结构及其所配置的系统及关键部件和零配件、刀具等都必须要有相应的匹配，从而使机床造价大为提高。因此在一定时间内，我国模具企业进口的高速加工机床主轴最高转速仍将以10000～20000r/min为主，少数会达到40000r/min左右。虽然向更高转速发展是一个方向，但目前最主要的还是推广应用。高速加工是切削加工工艺的革命性变革。从技术发展角度看，高速铣削正与超精加工、干硬切削加工相结合，开辟了以铣代磨的新天地，并极大地减轻了模具的研抛工作量，缩短了模具制造周期。因此可以预计，我国模具企业将会越来越多地应用高速铣削技术。虚拟主轴并联机床和3D激光六轴铣床的诞生及开放式控制系统的应用更为高速加工增添了光彩。

2.2电火花加工技术的不断发展

电火花加工（EDM）虽然已受到高速铣削的严峻挑战，但是EDM技术的一些固有特性和独特的加工方法是高速铣削所不能完全替代的。例如在模具的复杂型面、深窄小型腔、尖角、窄缝、沟漕、深坑等处的加工方面，EDM有其无可比拟的优点。虽然高速铣削也能部分满足上述加工要求，但成本要比EDM高得多。对于HRC60以上的高硬材料，EDM要比HSM成本低。同时较之铣削加工，EDM更易实现自动化。复杂、精密小型腔及微细型腔和去除刀痕、完成尖角、窄缝、沟漕、深坑加工及花纹加工等将是今后EDM应用的重点[4]。为了在模具加工中进一步发挥其独特的作用，EDM技术应在以下几方面不断改进和提高。

（1）不断提高EDM的效率、自动化程度和加工的表面完整性。

（2）EDM设备的精密化和大型化。

（3）EDM设备良好的加工稳定性、容易操作及优良的性能价格比。

（4）满足不同要求的高效节能及反电解等新型脉冲电源的研发，电源波形检测其及处理和控制技术的发展。

（5）高性能综合技术专家系统的研发及EDM智能化技术的不断发展和自适应性控制、模糊控制、多轴联动控制、电极自动交换、双线自动切换、防电解作用及放电能量分配等技术的进一步发展。

（6）混粉加工等镜面光亮加工技术的发展。

（7）微细EDM技术的发展。包括三维微细轮廓的数控电火花铣削加工和微细电火花磨削及微细电火花加工技术等。

（8）WEDM中的人工智能技术的运用、走丝系统和穿丝技术的改进等方面。

结束语

目前的模具设计与制造技术正朝着智能化、绿色化的方向发展。随着航空产业的发展以及航空产品更新换代速度的日益加快，模具的设计与制造技术仍将会在航空制造业中发挥重要作用。

参考文献：

[1]刘斌,谭景焕.现代模具设计技术的现状及发展趋势[J].塑料工业,2017,(02):1-6+43.

[2]周韶冰,熊文华.冲压模具制造技术的发展现状与趋势探析[J].山东工业技术,2016,(15):39.

[3]南长峰.模具设计与制造技术的发展趋势[J].航空制造技术,2015,(09):42-45.

[4]王德林.浅析模具设计技术应用和发展趋势[J].品牌(下半月),2014,(12):113.