浅谈模具加工制造及CAD CAM的应用论文1.docx

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浅谈模具加工制造及CADCAM的应用论文1

摘要

现代模具加工之中高速加工运用广泛，本文在介绍高速加工的基本概念的基础上，分析了高速加工技术在模具制造中的应用前景。

总结了面向高速加工的数控编程基本原则和高速加工技术对数控编程系统的要求。

介绍了现有数控编程软件中采用的面向高速加工的工艺措施。

在当前模具加工方法的前提下简要介绍国内外主流CAD/CAM软件；分析我国在应用CAD/CAM技术所取的成果以及CAD/CAM技术与传统加工方法比较具有的先进性；模具CAD/CAM技术向集成化、智能化、并行化、网络化、标准化发展的趋势；开发CAD/CAM软件的目的是应用CAD/CAM技术，提高企业的设计和制造水平，企业应根据自身条件和发展要求选择合适的CAD/CAM软件，以国际市场为导向，结合国情，确定正确的企业发展思路。

关键词：

模具CAD/CAM技术现状发展趋势

Abstract

Amongthemodernmoldextensiveuseofhighspeedmachining,thispaperintroducesthebasicconceptsofhighspeedmachining,basedontheanalysisofhigh-speedmachininginmoldmakingapplications.SummarizestheNCprogrammingforhigh-speedprocessingofthebasicprinciplesandhigh-speedprocesstechnologytotherequirementsofNCprogrammingsystem.DescribesthecurrentNCprogrammingsoftwareusedforhigh-speedprocessingtechnologymeasures.

MoldprocessingmethodsinthecurrentbriefandabroadunderthepremiseofthemainstreamCAD/CAMsoftware;analysisofChinaintheapplicationofCAD/CAMtechnologytotaketheresultsandCAD/CAMtechnologycomparedwithtraditionalprocessingmethodshaveadvanced;dieCAD/CAMtechnologytotheintegrated,intelligent,parallel,network,standardizationtrends;DevelopmentCAD/CAMsoftware,thepurposeistoapplyCAD/CAMtechnologytoimprovethelevelofdesignandmanufacturingenterprises,enterprisesshoulddevelopaccordingtoitsownconditionsandaskedtoselecttheappropriateTheCAD/CAMsoftwaretotheinternationalmarket-oriented,withconditions,todeterminethecorrectbusinessdevelopmentideas.

Keywords:

MoldCAD/CAMTechnologyStatusTrends

1.前言

1.1高速加工技术

２０世纪３０年代，德国科学家Salomon通过对不同材料进行切削试验，发现了一个有趣的现象：

随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降。

由此，提出了高速加工的概念，所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。

对不同的切削材料和不同的切削方式来说，高速切削定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于１０００ｍ／ｍｉｎ可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于３０５ｍ／ｍｉｎ就可以称为高速加工了。

随着技术的发展，高速加工的概念也在不断变化，一般而言，高速铣削除了具有高的切削速度和主轴转速外，还应具有高的进给速度。

如一般精铣加工可达到５０００～１５０００ｍｍ／ｍｉｎ　快速进给可达到２００００～６００００ｍｍ／ｍｉｎ。

1.1.1高速加工优点

与常规切削加工相比，高速加工有如下一些优点：

①由于采用高的切削速度和高的进给速度，高速加工能在单位时间内切除更多的金属材料，因而切削效率高；

②在高速加工的时候，可以采用较少的步距，达到提高零件表面质量的目的，采用高速加工技术，可以使得零件表面达到磨削的效果；

③由于高速加工时切削力大大降低、大部分切削热被切屑带走，因而工件的变形大大减少；

④高的切削速度意味着高的主轴转速，机床运转激励的振动频率能大大高于工艺系统的固有频率，因而使机床和工艺系统的振动小，工作平稳，这也有利于提高被加工零件的精度和表面质量；

⑤由于高速加工时，切削温度较低，单位切削力较小，因而刀具的耐用度能得到提高。

由于这些优点，所以高速加工首先在航空航天制造领域得到应用。

高速加工给航空航天带来的影响有：

①传统非常难以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削温度低的优点，利用高速加工技术进行加工；

②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用长径比很大的刀具进行加工，因而传统的必须设计为组合件的一些零件可以设计为整体件了。

如蜂窝零件、飞机的整体框梁等。

由于当时高速加工属于尖端的加工技术，并且主要应用于航空航天等国防制造领域，因而发达国家对高速加工机床的出口实行管制政策。

随着技术的进步，高速加工技术不断成熟，高速加工机床的成本也不断下降，使得高速加工技术已具有向民用制造业转移的可能性，高速加工技术在模具制造行业有广阔的应用前景。

1.1.2高速模具加工技术优点

根据高速加工技术的特点，高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下一些优点：

①减少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工；

②表面质量提高，减少或不需要打磨；

③精度提高，减少试模工作量；

④可以使用小刀具加工模具细节，减少电极制作和电加工工序；

⑤可以在高精度、大进给的方式完成淬火钢的精加工，且达到很高的模具表面质量，因而可以减少传统加工因精加工后再淬火引起模具变形。

高速加工技术主要涉及机床、刀具、和高速加工数控编程３个方面。

目前，高速加工机床和刀具技术已取得了相当进展，为高速加工技术得广泛应用奠定了基础。

1.2模具CAD/CAM技术

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）与计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）简称CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品设计与制造。

模具CAD/CAM技术是以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工种。

企业要把握住时代潮流和行业新动态，抓机遇、结国情，积极开展CAD/CAM技术的研究和推广工作，增强企业竞争能力，加强企业现代化进程。

模具CAD/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。

它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。

模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。

2．模具制造概要

2.1模具设计步骤

第一步工作：

对所设计模具之产品进行可行性分析，以电脑机箱为例，首先将各组件产品图纸利用设计软件进行组立分析，即我们工作中所说的套图，确保在模具设计之前各产品图纸的正确性，另一方面可以熟悉各组件在整个机箱中的重要性，以确定重点尺寸，这样在模具设计中很有好处的，具体的套图方法这里就不做详细的介绍了。

第二步：

在产品分析之后所要进行的工作，对产品进行分析采用什么样的模具结构，并对产品进行排工序，确定各工序冲工内容，并利用设计软件进行产品展开，在产品展开时一般从后续工程向前展开，例如一产品需要量五个工序，冲压完成则在产品展开时从产品图纸开始到四工程、三工程、二工程、一工程，并展开一个图形后复制一份再进行前一工程的展开工作，即完成了五工程的产品展开工作，然后进行细致的工作，注意，这一步很重要，同时需特别细心，这一步完成的好的话，在绘制模具图中将节省很多时间，对每一工程所冲压的内容确定好后，包括在成型模中，产品材料厚度的内外线保留，以确定凸凹模尺寸时使用，对于产品展开的方法在这里不再说明，将在产品展开方法中具体介绍。

第三步：

备料，依产品展开图进行备料，在图纸中确定模板尺寸，包括各固定板、卸料板、凸凹模、镶件等，注意直接在产品展开图中进行备料，这样对画模具图是有很大好处的，我所见到有很多模具设计人员直接对产品展开图进行手工计算来备料，这种方法效率太低，直接在图纸上画出模板规格尺寸，以组立图的形式表述，一方面可以完成备料，另一方面在模具各配件的工作中省去很多工作，因为在绘制各组件的工作中只需在备料图纸中加入定位、销钉、导柱、螺丝孔即可。

第四步：

在备料完成后即可全面进入模具图的绘制，在备料图纸中再制一份出来，进行各组件的绘制，如加入螺丝孔，导柱孔，定位孔等孔位，并且在冲孔模中各种孔需线切割的穿丝孔，在成型模中，上下模的成型间隙，一定不能忘记，所以这些工作完成后一个产品的模具图差不多已完成了80%，另外在绘制模具图的过程中需注意：

各工序，指制作，如钳工划线，线切割等到不同的加工工序都有完整制作好图层，这样对线切割及图纸管理有很大的好处，如颜色的区分等，尺寸的标注也是一个非常重要的工作，同时也是一件最麻烦的工作，因为太浪费时间了。

第五步：

在以上图纸完成之后，其实还不能发行图纸，还需对模具图纸进行校对，将所有配件组立，对每一块不同的模具板制作不同的图层，并以同一基准如导柱孔等到进行模具组立分析，并将各工序产品展开图套入组立图中，确保各模板孔位一致以及折弯位置的上下模间隙配合是否正确。

经过以上的工作，一个产品的模具图纸才算正式完成，以上是对模具设计中的方向，步骤进行大致的介绍，同时每一位模具设计人员有其自已的方法，不管怎样，圆满完成设计工作这外，工作效率也是非常重要的，这里不再多讲。

2.2模具加工的基本特点

（1） 加工精度要求高 一付模具一般是由凹模、凸模和模架组成，有些还可能是多件拼合模块。

于是上、下模的组合，镶块与型腔的组合，模块之间的拼合均要求有很高的加工精度。

精密模具的尺寸精度往往达μm级。

（2） 形面复杂 有些产品如汽车覆盖件、飞机零件、玩具、家用电器，其形状的表面是由多种曲面组合而成，因此，模具型腔面就很复杂。

有些曲面必须用数学计算方法进行处理。

（3） 批量小 模具的生产不是大批量成批生产，在很多情况下往往只生产一付。

（4） 工序多 模具加工中总要用到铣、镗、钻、铰和攻螺纹等多种工序。

（5） 重复性投产 模具的使用是有寿命的。

当一付模具的使用超过其寿命时，就要更换新的模具，所以模具的生产往往有重复性。

（6） 仿形加工 模具生产中有时既没有图样，也没有数据，而且要根据实物进行仿形加工。

这就要求仿制精度高，不变形。

（7） 模具材料优异，硬度高 模具的主要材料多采用优质合金钢制造，特别是高寿命的模具，常采用Crl2，CrWMn等莱氏体钢制造。

这类钢材从毛坯锻造、加工到热处理均有严格要求。

因此加工工艺的编制就更加不容忽视，热处理变形也是加工中需认真对待的问题。

根据上述诸多特点，在选用机床上要尽可能满足加工要求。

如数控系统的功能要强，机床精度要高，刚性要好，热稳定性要好，具有仿形功能等。

2.3模具表面处理技术

模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。

它对模具的如下性能有着直接的影响。

模具的制造精度：

组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。

模具的强度：

热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度（硬度）达不到设计要求。

模具的工作寿命：

热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。

模具的制造成本：

作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。

2.3.1模具的真空热处理技术

真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度。

真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。

按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。

模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。

为保持工件（如模具）真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷。

热处理过程的计算机模拟技术（包括组织模拟和性能预测技术）的成功开发和应用，使得模具的智能化热处理成为可能。

由于模具生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使得模具的智能化热处理成为必须。

模具的智能化热处理包括：

明确模具的结构、用材、热处理性能要求模具加热过程温度场、应力场分布的计算机模拟模具冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟加热和冷却工艺过程的仿真淬火工艺的制定热处理设备的自动化控制技术。

国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。

2.3.2模具的表面处理技术

模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。

这些表面性能指：

耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。

这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。

模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。

从表面处理的方式上，又可分为：

化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。

虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式，每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种不同工件的要求。

由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小，因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。

模具渗碳的目的，主要是为了提高模具的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，由此引入的技术思路是，用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料，从而降低制造成本。

2.4模具精加工解决方案

一幅模具是由众多的零件组配而成，零件的质量直接影响着模具的质量，而零件的最终质量又是由精加工来完成保证的，因此说控制好精加工关系重大。

在国内大多数的模具制造企业，精加工阶段采用的方法一般是磨削，电加工及钳工处理。

在这个阶段要控制好零件变形，内应力，形状公差及尺寸精度等许多技术参数，在具体的生产实践中，操作困难较多，但仍有许多行之有效的经验方法值得借鉴。

2.4.1模具精加工的过程控制　　

模具零件的加工，一个总的指导思想是针对不同的材质，不同的形状，不同的技术要求进行适应性加工，它具有一定的可塑性，可通过对加工的控制，达到好的加工效果。

根据零件的外观形状不同，大致可把零件分三类：

轴类、板类与异形零件，其共同的工艺过程大致为：

粗加工——热处理（淬火、调质）——精磨——电加工——钳工（表面处理）——组配加工。

2.4.2零件热处理　　

零件的热处理工序，在使零件获得要求的硬度的同时，还需对内应力进行控制，保证零件加工时尺寸的稳定性，不同的材质分别有不同的处理方式。

随着近年来模具工业的发展，使用的材料种类增多了，除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬质合金外，对一些工作强度大，受力苛刻的凸、凹模，可选用新材料粉末合金钢，如V10、ASP23等，此类材质具有较高的热稳定性和良好的组织状态。

针对以Cr12MoV为材质的零件，在粗加工后进行淬火处理，淬火后工件存在很大的存留应力，容易导致精加工或工作中开裂，零件淬火后应趁热回火，消除淬火应力。

淬火温度控制在900-1020℃，然后冷却至200-220℃出炉空冷，随后迅速回炉220℃回火，这种方法称为一次硬化工艺，可以获得较高的强度及耐磨性，对于以磨损为主要失效形式的模具效果较好。

生产中遇到一些拐角较多、形状复杂的工件，回火还不足以消除淬火应力，精加工前还需进行去应力退火或多次时效处理，充分释放应力。

针对V10、APS23等粉末合金钢零件，因其能承受高温回火，淬火时可采用二次硬化工艺，1050-1080℃淬火，再用490-520℃高温回火并进行多次，可以获得较高的冲击韧性及稳定性，对以崩刃为主要失效形式的模具很适用。

粉末合金钢的造价较高，但其性能好，正在形成一种广泛运用趋势。

2.4.3零件的磨削加工　　

磨削加工采用的机床有三种主要类型：

平面磨床、内外圆磨床及工具磨具。

精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的产生，即使是十分微小的裂纹，在后续的加工使用中也会显露出来。

因此，精磨的进刀要小，不能大，冷却液要充分，尺寸公差在0.01mm以内的零件要尽量恒温磨削。

由计算可知，300mm长的钢件，温差3℃时，材料有10.8μm左右的变化，10.8=1.2×3×3（每100mm变形量1.2μm/℃），各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。

精磨时选择好恰当的磨削砂轮十分重要，针对模具钢材的高钒高钼状况，选用GD单晶刚玉砂轮比较适用，当加工硬质合金、淬火硬度高的材质时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨利性好，磨出的工件粗糙可达Ra=0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN砂轮，也即立方氮化硼砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨，坐标磨床，CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。

磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锐利，当砂轮钝化后，会在工件表面滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。

板类零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常会遇到一种长而薄的薄板零件，此类零件的加工较难。

因为加工时，在磁力的吸附作用下，工件产生形变，紧贴于工作台表面，当拿下工件后，工件又会产生回复变形，厚度测量一致，但平行度达不到要求，解决的办法可采用隔磁磨削法（见图2），磨削时以等高块垫在工件下面，四面挡块抵死，加工时小进刀，多光刀，加工好一面后，可不用再垫等高块，直接吸附加工，这样可改善磨削效果，达到平行度要求。

轴类零件具有回转面，其加工广泛采用内外圆磨床及工具磨床。

加工过程中，头架及顶尖相当于母线，如果其存在跳动问题，加工出来的工件同样会产生此问题，影响零件的质量，因此在加工前要做好头架及顶尖的检测工作。

进行内孔磨削时，冷却液要充分浇到磨削接触位置，以利于磨削的顺利排出。

加工薄壁轴类零件，最好采用夹持工艺台，夹紧力不可过大，否则容易在工件圆周上产生“内三角”变形。

2.4.4电加工控制　　

现代的模具工厂，不能缺少电加工，电加工可以对各类异形、高硬度零件进行加工，它分为线切割与电火花二种。

慢走丝线切割加工精度可达±0.003mm，粗糙度Ra=0.2μm。

加工开始时，要先检查机床的状况，查看水的去离子度，水温，丝的垂直度，张力等各个因素，确保良好的加工状态。

线切割加工是在一整块材料上去除加工，它破坏了工件原有的应力平衡，很容易引起应力集中，特别是在拐角处，因此当R＜0.2（特别是尖角）时，应向设计部门提出改善建议。

加工中处理应力集中的方法，可运用矢量平移原理，精加工前先留余量1mm左右，预加工出大致形状，然后再进行热处理，让加工应力在精加工前先行释放，保证热稳定性。

加工凸模时，丝的切入位置及路径的选择要仔细考虑。

如图3所示，工件左端夹持，加工时选择路线①比路线②要好，因为路线①工件与材料的夹持部位联接紧密，加工稳定，若采用路线②，第一遍进刀后，工件成悬壁状，受力差，影响后续几遍加工。

路线③，采用打孔穿丝加工，效果最佳。

高精线切割加工，通常切割遍数为四次，可以保证零件质量。

2.4.5表面处理及组配　　

零件表面在加工时留下刀痕、磨痕是应力集中的地方，是裂纹扩展的源头，因此在加工结束后，需要对零件进行表面强化，通过钳工打磨，处理掉加工隐患。

对工件的一些棱边、锐角、孔口进行倒钝，R化。

一般地，电加工表面会产生6-10μm左右的变质硬化层，颜色呈灰白色，硬化层脆而且带有残留应力，在使用之前要充分消除硬化层，方法为表面抛光，打磨去掉硬化层。

在磨削加工、电加工过程中，工件会有一定磁化，具有微弱磁力，十分容易吸着一些小东西，因此在组装之前，要对工件作退磁处理，并用乙酸乙脂清洗表面。

组装过程中，先参看装配图，找齐各零件，然后列出各零件相互之间的装备顺序，列出各项应注意事项，然后着手装配模具，装配一般先装导柱导套，然后装模架和凸凹模，然后再对各处间隙，特别是凸凹模间隙进行组配调整，装配完成后要实施模具检测，写出整体情况报告。

对发现的问题，可采用逆向思维法，即从后工序向前工序，从精加工到粗加工，逐一检查，直到找出症结，解决问题。

实践证明，良好的精加工过程控制，可以有效减少零件超差、报废，有效提高模具的一次成功率及使用寿命。

一幅模具是由众多的零件组配而成，零件的质量直接影响着模具的质量，而零件的最终质量又是由精加工来完成保证的，因此说控制好精加工关系重大。

3模具CAD/CAM软件及其加工方法的先进性

3.1CAD/CAM软件产品介绍

当前CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。

工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格昂贵、操作使用复杂、培养专业技术人员周期长，这在一定程度上限制了CAD/CAN技术的推广。

而由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且其操作系统的安全性与掌握技术的简单性和灵活性，使得CAD/CAM技术得以广泛地应用和推广。

以下我们对国内外一批比较优秀、流行的商品化软件作一些简要的介绍和分析：

1．Unigraphics（UG）是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。

该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。

在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明