27模具制造工艺

模具制造技术08模本一080701114刘伟电话：[phone]E-Mail：[e-mail]模具是工业生产的基础工艺装备。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60～80%的零部件，都要依靠模具成形。振兴和发展我国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。前言模具及其在在国民经济发展中的作用（续）鉴于振兴我国模具工业的重要性，在1989年3月国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，把模具列为机械工业技术改造序列的第一位、生产和基本建设序列的第二位从1989年到现在国务院和国家有关部门出台了很多政策支持发展模具工业。从以下四个方面，可以看出模具工业在国民经济中的重要地位与作用。第一，模具工业是高新技术产业的一个组成部分。第二，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。第三，模具工业是装备工业的一个组成部分。第四，模具工业地位之重要，还在于国民经济的五大支柱产业——机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。我国模具制造技术的历史及现状•建国初期，模具制造主要靠手工完成。1956年开始应用成形磨削。•1959年开始使用电火花成形技术。1963年开始采用电火花线切割技术加工模具。•近年来，模具制造技术快速发展，各种先进制造技术、制造工艺被应用于模具加工，譬如数控加工技术、数控磨削技术、CAD/CAM/CAE技术、快速原型制造技术、逆向工程技术、先进电加工技术等。•近10年来，中国模具工业的一直以每年15%左右的增长速度快速发展。•按2004年统计数据，中国约有模具生产厂点2万余家，从业人员有50多万人，全年模具产值达534亿元人民币。（续）•近年来，模具行业结构调整步伐加快，技术进步主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展很快。•中国模具工业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。部分模具仍然需要进口。机械、电子、汽车工业需要大量的模具，特别是轿车大型覆盖件模具、电子产品的精密塑料模具和冲压模具，目前在质与量上都远不能满足这些支柱产业发展的需要。这几年，我国每年要进口近10亿美元的模具。2004年模具进出口之比3.7：1，静进口13.2亿美元。模具制造技术的发展趋势技术进步努力方向：（1）建立在CAD/CAE平台上的先进模具设计技术。（2）建立在CAM/CAPP基础上的先进模具加工技术与先进制造技术相结合。（3）先进制造技术的应用。例如热流道技术、气辅技术、虚拟技术、纳米技术、高速扫描技术、逆向工程、并行工程等技术在模具研究、开发、加工过程中的应用。（4）高速、高精、复合模具加工技术的研究与应用。（5）原材料在模具中成形的仿真技术。（6）模具及模具标准件、重要辅件的标准化技术。（7）模具及其制品的检测技术。（8）优质、新型模具材料的研究与开发及其正确应用（9）模具研磨抛光的自动化、智能化。（10）模具生产企业的现代化管理技术。（续）发展重点：（1）汽车覆盖件模具（2）精密冲压模具（3）大型精密塑料模具（4）主要模具标准件（5）其他高技术含量的模具第6章模具制造过程智能化集成技术6.1模具设计制造过程的仿真技术6.1.1从几何问题扩展为工艺问题CAD/CAM系统的开发均从计算机图形学开始，这在CAD系统中是显然的。在CAM系统中则是把本应属于工艺问题的过程简化为几何问题来进行处理，即把刀具也作为一个几何体并用其几何特征与待加工体进行运算求解得出相应的刀位轨迹，实质上等同于CAD系统。但是，实际生产过程是无法简化的，许多CAD/CAM系统中被忽略的问题终归要显现出来，因此计算机辅助工艺仿真系统的开发和应用无疑得到了锦上添花的功效。6.1.2面向模具设计过程的工艺仿真技术1.数值仿真技术有限数值分析法a.有限差分法b.另一类数值分析法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然后据之建立近似解法。例如配点法，最小二乘法，伽辽金法，力矩法等都属于这一类数值方法。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）2.模具设计过程数值仿真系统结构模具设计过程数值仿真系统的建立就是将有限元理念、模具设计工艺学、计算机图形处理技术等相关理论和计算机有机结合的过程。仿真系统的功能大致可分为：前置处理部分、有限元求解器和后处理部分。其中，前置处理部分和后置处理部分又是建立在计算机图形处理系统(或平台)的基础上。该图形平台可以是借助于一些商品化的图形软件，也可以是为仿真系统专门开发的图形软件。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）a.前置处理该部分是仿真系统的重要环节。该部分的基本构成包括用户交互界面的设计、力学模型的建立与离散(包括变形与模具)、初边值条件的确定。材料模型确定、数据交换接口的设计等。用户交互界面的设计考虑到其交互方式的友好性，以便于用户理解仿真过程并能实时地监控仿真过程。材料模型的确定方式主要包括；用户按照系统提供的弹塑性。弹粘塑性、刚性、刚粘塑性模型输入相应的热、物性参数以及根据用户提供的实验曲线与数据由系统自动进行拟合及转化成仿真系统所需的数据和几何信息的交流途径。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）b.有限元求解器有限元求解器的功能是对力学模型进行相应单元分析与组集，通常经一系列的技术处理将求解问题转化成一线性方程组进行求解。c.后置处理后置处理的作用是对有限元计算产生的大量数据进行解释，以便形象地、直观地描述成形过程各阶段的变形行为。后置处理的关键技术在于计算结果的可视化和计算结果的智能解释。可视化的计算结果既能直观地反映计算结果，又可及时地发现和纠正计算中的错误，为修改设计提供指导意见。通常仿真系统经过后置处理后能向用户提供参数曲线。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）3.体积成型过程的工艺仿真金属体积成形过程是一个复杂的几何非线性和物理非线性的大变形塑性问题，代表工艺有锻造、挤压、轧制等。对其进行分析的目的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和变形力，内部应力、应变、温度分布和金属流动规律，确定模具的应力、应变、温度分析、合理形状及材料，确定工件的尺寸精度、残留应力、缺陷、晶粒的大小和取向分布，为模具设计提供可靠的依据。商品化的金属三维体积成形仿真软件有DEFORM3D和FORGE3等。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）4、板料成型过程的工艺仿真板料成形技术被广泛用于制造压力容器、汽车、船舶、飞行器的外壳以及各种形状日用品，而产品的冲压工艺直接影响到最终成品的质量。汽车大型覆盖件的质量决定着汽车外形美观与否。在汽车市场竞争日益激烈的今天，如何快速适应市场的需求，缩短新车型的开发周期对于每个汽车制造商来说都是至关重要的，而其中覆盖件模具的开发周期是影响新车型开发的关键所在。在汽车覆盖件生产中经常出现起皱、拉裂、回弹等缺陷，这些缺陷与成形工艺参数如冲压方向、工艺补充面、拉深肋、凹模的圆角甚至坯料形状等设计息息相关，传统的方法是在开发过程中通过试模来验证工艺可靠性，不仅耗时费力，并且开发周期难以预料。而借助有限元参数仿真技术，可以在数小时或数十小时内就能完成一种工况的计算，可以快速对成形工艺可行性进行评价，大大缩短了模具开发周期。近年来，大量的具有完善前、后置处理系统的成形分析软件，广泛应用于包括汽车覆盖件成形工艺仿真在内的许多领域中，其中具有代表性的是静态隐式程序MLTFRM和AUTO一FORM／ncremental，动态显式程序Ptamping和LS—DYNA3D等。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）4、模具制造过程的工艺仿真技术在数控加工过程中，为检查数控加工程序的正确性，防止干涉和碰撞的发生，要在机床上试切一个木质或塑料零件来验证并修改数控加工程序，但这种方法费工费时，使生产或成本上升，推迟了产品加工的时间和生产周期。加工过程工艺仿真就是利用计算机对NC程序进行图形仿真、检查刀具路径、动态模拟数控加工的全过程，检验加工方法和程序的正确性，从而节约大量财力和时间，获得好的经济效益。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）5.注射成型过程的工艺仿真注塑成形工艺仿真是指对融料的流动状况、压力分布和冷却过程等进行模拟以获得能实现最佳充填的模具结构。在注塑成形中，如果模具设计不合理则可能在塑料表面出现熔接缝、充填不足、表面烧伤、翘曲、缩痕等缺陷。一旦模具制造完成后再发现上述缺陷，对模具进行修整就非常麻烦，还要拖延模具的交货期，严重时甚至导致模具报费。而利用计算机模拟功能在设计过程就对其工艺性进行评价，发现问题可以及时进行修整优化，直至对整个过程满意后进行详细设计与制造，将得到事半功倍的效果。目前较流行的商品化轸滑有M01d-flow、c-M01d等。6.1.2模具设计过程的仿真技术（续）6.铸造成型过程的工艺仿真铸造工艺仿真是指对铸件成型的全过程仿真，主要包含充型过程流场与温度场模拟。凝固与冷却过程应力场模拟与组织模拟，用来预测缩孔,缩松等缺陷的形成位置以及铸件的显微组织，内应力分布，尺寸变形等6.1.3模具制造过程的工艺仿真技术6.1.3面向模具制造过程的工艺仿真技术1.概述在数控加工过程中，为检查数控加工成语的正确性，为防止干涉和碰撞的放生，要在机床上试切一个个木质或塑料模型来验证并修改数控加工程序。但这种方法费工时，代价昂贵。加工过程工艺仿真就是利用计算机对NC程序进行图形仿真，检查刀具路径，动态模拟数控加工的全过程，检验加工方法和程序的正确性，从而节约大量的财力和时间，获得较好的经济效益。2.加工过程仿真方法的分类（1）几何仿真（2）物理仿真3.加工过程仿真系统的结构如上所述他包含几何仿真和物理仿真两方面的内容。几何仿真包含刀位轨迹验证，刀具与工件，机床，夹具的干涉检验;物理仿真包含对各种物理因素的分析与预测，主要有切削力,刀具磨损，切削振动，切削温度，工件表面粗糙度等。6.1.3模具制造过程的工艺仿真技术（续）4.加工过程仿真系统的优点（1）使加工过程具有更好的工艺性能;（2）提供了一种高效低成本的验证途径，而在此之前通常只能用诸如石蜡或泡沫材料试制模型。（3）由于其虚拟性，可以减少各种各样的硬件投入，如刀具，切削液，工装，夹具及试制模型。（4）快速地验证已有的刀位轨迹文件，修正可能发生的差错。（5）可作为数控加工，数控编程等技术人员的虚拟培训平台，既安全又有效，同时可节省大量的开支6.1.3模具制造过程的工艺仿真技术（续）5.模具加工过程工艺仿真的应用当前商品化的CAM软件都能实现刀位的静态显示验证，一些高端的CAM软件如UGII，imatrom、MsterCAM等带有自开发的动态仿真验证模块，专用的加工过程仿真软件如美国CGTech公司的Vericut软件，不仅可以模拟工件在机床上加工过程，还可以根据相应的工艺知识库及切削力学模型对给定的刀位轨迹进行工艺优化Over结束