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模具行业的发展趋势

有370人浏览 日期:2019-09-10放大字体  缩小字体

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 把塑性材料加工成大批的、统一形状部件的生产方式是现代制造业的基石,实际上每一种市场化的商品都至少有一种由模具限定出的外形。然而随着制造业的不断发展,模具变得越来越复杂,要求的牢固程度也越来越高。技术难度越来越高,产品的生命周期却越来越短,用户对模具产品也提出了更多的要求,如:免维护就可运行较长的时间、耗能低、抗磨损、便于安装更换以及具有更大的柔性等等。

迫于市场竞争及用户要求不断提升的压力,模具生产厂家不得不选择更加实用有效的模具加工方式,采取更为有利的市场策略,由此,模具加工业已呈现出了以下发展趋势。

●全球化

模具市场和发展的全球化是当今模具工业最主要的特征之一。模具的购买者是遍布全世界的,而模具生产商也同样无处不在。模具工业的全球化发展使生产工艺简单、精度低的模具加工企业向技术相对落后、生产率较低的发展中国家迁移。而仍然保留在美国、欧洲和日本的模具生产企业则定位在生产高水准的模具上,这不仅是技术上的要求,更是竞争的结果。模具生产企业必须面对全球化的市场竞争,这正是模具生产商追求高效应用技术的驱动力。

●生产周期缩短

众所周知,在同样的条件下,用户都愿意选择交货期更短的产品,因为这样用户可以节约更多的生产时间,因此模具生产厂家不得不千方百计地加快生产进度,并努力简化和废除不必要的生产工序。

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●高速加工

近年来发展起来的“高速加工”对模具制造业产生了重要的影响。“高速加工”是由非常小的步进距和较大的进给率来实现的,通常高主轴转速能使刀具获得足够的切屑抗力。在粗加工时,使用斜置的刀具进行小宽度的切削往往金属去除率较高,即使采用小型刀具也能达到这样的效果。在很多情况下,经过高速粗加工后的工件表面精度已经很接近于要求的水平,因而半精加工操作就可省去了。

高速加工使工件获得了光滑的表面,也节省了加工时间,典型的步进距仅有0.001in,而尖点只有0.00005in高,经过高速加工的工件表面大多数都非常光洁,无需钳工的进一步加工。

在精加工的过程中,通过增大进给率可避免由于步进距的减小而造成的工期延长,而后续的抛光或磨削工序的废除或减少则有利于在加工表面的保护。

一般情况下,机加工工具每分钟至少应达到1200表面英尺,主轴转速也不会低于8000r/min。老式机床的主轴经过修整转速也能达到这样的水平,但是其稳定性却受到一定的限制。目前,机加工工具制造商都热衷于生产为高速加工而专门设计的加工中心。在美国,采用高速加工技术以减少或省去钳工工序是一种效益相当可观的措施,这种技术在欧洲和日本也颇受欢迎。

●硬铣削

用充分硬化的材料加工模具的型腔是模具加工业发展的另一个重要趋势。这对锻模尤其有价值,因为与其它模具相比,锻模往往需要更高的硬度。粗加工和精加工是在一台机床上连续完成的,在粗加工过程中,高主轴转速及小的刀具半径所进行的轻度切削形成了足够的转矩,可以用来加工硬度高达64RC的金属材料;在精加工过程中,较小的步进距保证工件能够获得极佳的表面光洁度。

由于材料本身具有一定的硬度,所以放电加工(EDM)就可以减少或全部省去。因为材料已经足够硬了,而不需要再进行热处理,不仅如此,热处理后的回火以及抵消热由处理引起的几何变形所进行的磨削加工也都不需要了。该技术在日本倍受青睐,如今在美国也受到了广泛的关注并正向欧洲传播。硬化材料的高速加工给加工工具提出了更高的要求。因此,许多机床工具生产商为这种加工专门设计开发了特种磨床。在高主轴转速及高进给率的情况下,刀具需要进行轻切削,但热稳定性和较高的力学硬度也是十分必要的。在此类加工中,高压冷却液是另一个必要的条件,但也有一些刀具制造商采用干切削的方式来防止对刀具的热冲击。同时干切削也可减少环境污染。此类机床大多数适于加工锻模及中、小型尺寸的模具。

日本雅士达公司生产的用作制造操作杆的锻模就是硬化材料经过典型的高速加工而制成的。该工件的尺寸为164mm×106mm×32mm,材料硬度为60RC。采用硬质合金铣刀和油雾冷却液,模具型腔铣削耗时109min。虽然包含了硬铣削技术,此类机床的价格偏高,但是仅使用一台这样的机床就可完成粗加工、精加工和放电加工的全过程,这无疑对像日本这样的发达国家有相当的吸引力。值得注意的是,此类机床的加工方向正逐步趋于水平式而非竖直式,这也是新的特点。

●CAD/CAM趋于快速化和智能化

CAD/CAM有三大明显的发展趋势,即:混合模型、设计制造系统数据库以及车间现场3D程序编制。

工业企业对混合模型的需求在近几年来尤为显著。采用实体模型益处很大,它使结构复杂的材料实体能够容易地以一个独立实体的形式进行表达和调整,并且它允许实体之间的相加和相减,以生成新的实体模型。对于机械工程师来说实体模型的主要优点在于它能使工程师设计的产品全部由相对标准化的实体元素构成,如标准的孔、凸台、套、凸缘等。

 

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实体模型对刀具设计师也大有用途。在某些情况下,插入的3D产品模型能够通过单次操作简单地从模具的型腔中减去。混合模型允许使用者在一个单独的几何模型中建造实体、表面及其它图形元素。采用某些CAM系统,使用者可以将这些实体模型自如地分解,或把所有的实体都组合到一起,并作为一完整的实体进行加工。

许多美国厂商已经习惯于处理由用户提供的实体模型,而欧洲和日本在这方面还相对落后,但产品的迅速更新要求美、欧、日三方共同支持实体模型技术的发展。

●数据库系统

对于很多刀具生产厂家来说,能最终为他们带来实际利益的自动化CAD/CAM才是更重要的。在模具设计方面,一些CAD/CAM系统销售商如美国的Cimatron技术公司、英国的Vero国际公司及美国的本特里系统公司已经在系统中增加了相应的模块,使常规的CAD/CAM系统实现了自动化功能。

在加工过程中的任一时刻,由于实体模型是一直存在的,所以CAM系统能够随时把在加工工件与实体模型进行比较。使用数据库系统,CAM系统能够识别出两条刀具轨迹之间的区域内,哪里的步进距过宽。这些步进距过宽的区域要沿与原始加工轴线垂直的方向进行再加工,以确保获得最佳的表面质量。而且,实体数据库的连续存在对高速加工是极为重要的,而对于半精加工来说,存在一种永恒的实体库是最理想的事情。

数据库系统是一种高度自动化的专家系统,它包含了近10余年的CAM专家经验,它由资深的开发人员、机加工工具制造商以及大量的用户反馈共同完成。作为一种以丰富经验为基础的系统,该程序库也为用户提供柔性的存储功能,以便用户添加自己的制造技术。

 

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●车间现场编程

近几年来,CAM系统正逐步趋于更容易使用,因为CAM系统正由CAM设计室重新回到车间现场。北美底特律地区和安大略地区的自动化刀具生产厂家在这方面显示出了最明显的优势。

在过去的20年中,许多厂家最初试图把程序编制转移到编程更易控制的CAD/CAM设计室中,但随着切削工具的日趋复杂化,NC编程反而成了制约工业发展的瓶颈。程序编制重新转移到车间现场后,这种发展障碍很快被消除了,这样与实践结合起来,编程工具也变得非常容易使用。

在底特律地区,这种新型的现场编程方式使车间程序编制得到了迅猛的发展。编程工具的适当使用削减掉了大量的NC程序编制时间,因为大多数刀具路线都是与加工工艺同步创造的。它省去了CAD和CAM之间的反复修正过程,使生产部分获得了有效的NC程序,并能充分发挥生产线上工人和设备的作用。更重要的是,现在创造刀具轨迹的人就是执行加工的人。这也使机械师获得了实施其加工方法的机会,这令他们感到非常满意。这有助于他们作出更好的现场决定,选择最优化的加工方法,并及时地对加工方法进行修正。

●自动化

模具加工的另一个重要发展趋势是自动化,这听起来似乎有些不可思议,因为大多数模具都是单件生产的,它似乎应该需要柔性的加工系统,而非自动化的加工系统。但事实上,模具加工在诸多方面都表现出了小批量生产的特征。

近来许多厂家都对一种自动化系统表现出了浓厚的兴趣,这种自动化设备在制造加工过程中能连续地自动执行操作步骤,而很少需要人的干涉,利用机器人自动化系统装载和卸载工件和刀具是许多模具厂家自动化发展的下一个目标。

美国新泽西州3R系统公司的总裁尼克说:“众多公司都在寻找能够提高企业生产效率和产量而不增加固定成本的途径。由于劳动市场的紧俏及熟练操作工的缺乏,企业的固定生产成本大为提高,自动化却能通过固有的生产工艺而不是利用操作工来提高产量。”

●放电加工(EDM)

放电加工以其处理模具型腔的卓越能力而著称。有线放电加工在模具生产中也应用广泛,只要是模具生产厂家几乎至少都有一台放电加工设备。在过去的几年中,放电加工技术发展迅速,这使得放电加工技术在模具加工业中的作用和地位更加突出。

与前几年相比,无论是冲压放电加工还是有线放电加工,发展变化都是相当迅速的,它们的“燃烧”时间已经减少了很多。为实现无人照管连续操作,放电加工系统必须提供工件自动化换位和电极转变功能,这是模具加工厂在放电加工单元上安装自动化机器人操作系统的主要目的。

 

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快速燃烧放电加工单元所采用的机器人自动化系统会很快地消耗电极,因而电极需求量大大增加,结果造成了电极缺乏。在美国,石墨电极的高速加工技术日渐受到人们的欢迎。钳工和抛光工艺的减少和废除使电极加工赢得了宝贵的时间,更重要的是手工工作的废除意味着在加工的和CAD限定出的几何模型永远不会丢失,而高速加工允许厂家按照用户的实际设计要求来生产电极,如果要生产不只一个电极,还可以由加工系统“复制”出一模一样的产品。有了充足的电极,在模具加工方面EDM就可以大显身手了,这是在多型腔模具加工方面的一个重要进步。

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