分析敏捷原形技巧及并行工程的飞速模具制作

1 绪 论
 
1.1 引言
模具是现代工业材料成型的主要工具。作为基础工业，模具的质量、精度、寿命对其它工业的发展起着十分重要作用，被称为“工业之母”，对国民经济的发展起着无可置疑的关键作用。模具的质量和制造速度在很大程度上代表了一个国家的制造业技术发展水平。同时，国内制造行业也在积极探索模具制造的并行工程，但至今还没有完整的理论基础和成熟的理论模式，一些企业实施的并行工程是非常局部和有限的，效果当然也就不明显。由于并行工程是一种集成地、并行地设计产品及实施其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法，它要求产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所以因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，很符合模具制造中过程复杂、联系紧密、可靠、快速的特点，因此，在模具制造中实施并行工程，使产品的设计、制造从串行走向并行，实现模具设计、制造的系统化和集成化，将大大提高模具制造的竞争力，有很大的发展前景。
 
1.2 国内模具市场现状
由于各种原因，我国的工业起步晚，基础比较薄弱，模具制造业与国外相比差距也很大。但随着我国经济的发展，人民对各种消费品的需求不断提高，使相关制造业迅速发展，对模具的需求量也不断增长。据统计，我国大陆现有生产模具厂点已接近 20000家，从业人员超过 80 万人。我国模具制造业在企业的结构和数量上都在发生较大变化，原有的国有企业专业模具厂、模具车间一统天下的局面已被打破，成了由模具专业厂、模具车间（分厂）、中外合资企业、独资企业、乡镇企业和民营企业等共同并存的市场格局。模具行业在激烈的市场竞争中正在向高档次、高水平的模具方向发展, 质量和制造周期已变成竞争的焦点，价格的竞争已降为次要。
我国的模具市场大、面广，而且还有很大的潜力可挖，每年的模具进口量都占模具需求的很大比重，模具的国产化是工业发展的需求。为了提高竞争力，各类产品都需要降低成本，这当中首先要解决的就是模具成本问题，以前进口的模具都迫切需要用国产化模具来替代，因为国内的模具价格比国外模具价格低得多。汽车表面覆盖件的模具大部分都是进口的，成本很高，很不利于竞争，因此必须尽快实现模具的国产化；农用车、微型车、摩托车、卡车在国际市场上有一定的优势，这些车型的模具大部分是国产的；彩电、冰箱、洗衣机、空调等加电产品模具的国产化也很高，而且在国际上具有竞争优势，“入世”后还有扩大优势的势头；通讯设备、塑料门窗、上下水管道、铝型材挤压模、自行车、电机、缝纫机、仪器、仪表等行业中的产品将会有很好的发展前景，对模具的需求也将大幅度增加。目前国内模具市场的竞争是低档次、低水平模具的竞争。高档次、高精度能替代进口的模具还远不能满足需要。所有这些都预示着我国模具行业在未来若干年都会有较强的发展态势。
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2 传统模具制造
 
2.1 模具制造工艺
国内的模具制造工艺与国外发达国家相比有较大的差距。目前，国内拥有高技术手段、使用现代先进制模设备与测量仪器，能制造高精度、高效率、高寿命、高表面粗糙度的模具和大型、复杂制件模具的厂家很少，综合制模能力薄弱。改变国内模具行业现状的重要技术手段之一，就是合理选用制模工艺，进而确定急需的关键高精制模设备和工艺技术，提高制模水平和综合制模能力。随着 CAD/ CAM 技术的发展，新一代软件正在研究开发。其特点是:a. 模具 CAD 不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论的指导下，运用丰富的知识和经验，其设计结果具有合理性和先进性。b. 以立体思维、直观感觉设计模具结构，采用三维参数化特征造型、成形过程模拟、数控加工过程仿真及信息流组织、管理与共享等技术以支持模具设计、制造、装配、检验、测试及投产的全过程。c. 可进行模具可制造性评价，包括模具制造与设计费用的估算、模具可装配性评价、零件制造工艺评价、结构及成形性能评价等。d. 具有面向装配的设计方法，使模具装配不再是逐个零件的简单拼装，其数据结构既能描述模具功能，又可定义模具零部件之间相互关系的装配特征，故能保证模具的质量模具由功能件和支持件组成。
 
2.2 模具材料
在实际生产中，应根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要，结合模具的基本性能和相关因素，来选择合适模具需要的、经济上合理的、技术上先进的模具材料。对于一种模具，如果单从模具材料的基本性能考虑，可能几种材料都能符合要求，但必须综合考虑模具的使用寿命、模具制造工艺过程的难易程度、模具制造的费用以及分摊到制造的每一个工件上的模具费用等多种因素，进行综合分析，才能选出既经济、又实用的模具材料。通常，我们在选择模具材料时，主要考虑以下因素：1. 模具材料的基本性能：一般情况下，要考虑材料的耐磨性、韧性、硬度和红硬性，这几种性能比较全面的反映了模具材料的综合品质，在一定程度上决定了模具的应用范围。2. 模具材料的工艺性能：主要包括材料的可加工性（如切削、磨削、抛光等）、淬火温度和淬火变形、淬透性和淬硬性、氧化脱碳敏感性等。模具材料的冶金质量及其他应考虑的因素：材料的冶炼质量、锻造轧制工艺、热处理以及导热性都对模具材料的性能有很大影响；另外，在选材料时还有充分考虑材料的价格和通用性，以便于降低成本和模具的生产管理。
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3 以快速原形技术为基础的快速模具制造……………12
3.1 基于 CAD 技术的快速原型技术（RP&M）……………12
3.2 基于数控加工的快速原形技术……………23
3.3 主要快速模具制造（RP&T）方法……………26
4 快速模具并行设计制造方法…………….29
4.1 并行工程（Concurrent Engineering，简称 CE）……………29
4.2 模具设计制造并行开发过程……………30
5 快速原型技术与陶瓷型精密铸造技术相结合形的快速模具并行制造方法……37
5.1 工艺流程……………37
5.2 工艺设计……………37
5.3 陶瓷型精密铸造……………39
6 进气歧管铸造模具的快速并行制造……………47
6.1 工艺流程……………47
6.2 三维 CAD 模型……………47
6.3 模具的快速原形制造……………48
6.4 陶瓷型的制作…………….49
6.5 精加工与调试……………49
6.6 传统机加工制模法和快速制模法的比较分析……49
6.7 小结……………50
 
6 进气歧管铸造模具的快速并行制造
 
6.1 工艺流程
在制作模具 CAD 模型的时候，外模和芯盒的复杂程度不同，外模相对于芯盒形状要复杂得多，而且为了留出坯料的机加工余量，需要将模型的型腔面向内进行 0.5 ㎜的偏移，工作量较大，所以建模时间较长。而芯盒的建模时间相对较短，所以，当芯盒的模型建好后，先将其送到 ZIPPY 快速原型机上进行快速原形件制作，完成后，外模的CAD 模型刚好建好，接着再进行外模的快速原形件制作，这样就充分利用了两道工序的时间交叉性，提高了效率。为了降低成本，本研究采用带水玻璃砂套的陶瓷型。陶瓷型制备时，先用水玻璃砂制好底套，在模具的快速原形件表面涂上脱模剂，然后用配置好的陶瓷浆料（硅酸乙酯和耐火材料）灌浇出模具的陶瓷型。陶瓷型经喷烧和焙烧后直接浇注电渣熔炼的 H13模具钢。
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结 论
通过对常规模具生产过程和以快速原形为基础的模具制造过程进行比较分析，结果表明：传统的模具制造过程属于串行制造过程，周期长，效益低；而现有的快速模具制造方法虽然有精确、快速的特点，但由于成形设备、材料价格昂贵以及制件本身的机械和物理性能达不到工业生产的要求并没有得到广泛应用，单一的常规模具生产或快速模具制造并不能满足工业生产的需要，因此，实施模具并行制造，具有很大的现实意义。结合常规模具生产和以快速原形为基础的模具制造，提出了基于并行工程的模具制造方法：以常规加工为基础，与快速模具相结合，从模具定单开始，实施模具并行制造，以充分利用模具开发各个阶段在时间上存在的交叉性，同时进行工艺设计、CAD 模型、结构设计和标准件的外购等工序，从而大大缩短模具的开发周期、降低了模具制造成本。以上述方法为基础，研究了以快速原形技术和陶瓷型精密铸造为基础的快速模具制造工艺，并将该工艺用于汽车发动机进气歧管铸造模具的快速制造，结果表明：采用该方法，虽然快速原形的制作费用比较高，但总成本却因模具钢材利用率的大幅度提高和机加工费用的大幅度降低而比常规机加工制模法低 15%左右；从工期上看，采用该方法虽然增加了快速模具的制作时间，但却显著减少了模具的机加工时间，最终使模具主体部分的制作工期缩短了 40%左右，使模具的总体制造周期缩短了 10～15%。
参考文献（略）