模具的数字化设计与快速制造技术

模具是现代化工业生产中的重要技术之一，其设计和制造水平的高低成为衡量一个国家综合制造能力的重要标志[1]。其中，数字化设计和快速制造是决定模具制造周期和成本的两大核心技术，成为提升模具技术水平的关键因素。 在模具的数字化设计中，利用C A D / C A E 等先进技术来实现模具的结构设计与优化。相对于传统的手工和计算机平面绘图，这些技术可将模具的设计周期由原来的数月降低为数周，甚至是数天，且人力、物力和财力可以大幅降低。另外，这些技术可实现模具的三维可视化建模，有利于设计、制造以及终端应用各环节相互之间的沟通与交流，使模具的设计延伸至模具的制作环节。 模具结构复杂，加工工序繁琐，利用传统的机加工包括数控技术制造一套模具周期长且成本高。随着市场全球化和竞争的不断加剧，产品更新换代日益加快，多品种小批量已成为模具行业的重要生产方式[2]。为了适应这种需求变化，对模具的快速制造提出了更高要求。因此，快速制模技术（Rapid Tooling, RT）呈现了生机勃勃的发展趋势。快速成型（Rapid Prototyping, RP）技术特别适合复杂结构零件的成型，因而在快速制模领域显示出了强大的技术优势。在美国，DTM 公司成功利用选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术制造出注塑模，其强度达到587MPa，寿命约为10 万件[ 3 ]; P O M 公司采用分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)技术制造出锌、铝等材质的注塑模[ 4 ]; M I T 成功利用三维印刷（Three Dimensional Printing,3DP）技术制造出工具钢材质的注塑模，硬度达到HRC26～30[5]。除美国外，英国的利兹大学也成功地利用SLS 技术制造出实用化的注塑模[6]。近年来，国内一些单位开始关注该项技术，并发表了一些综述性文章[2,7,8]。 在所有类型的模具中，注塑模需求量大、涉及面广，具有高效、节能和廉价等优点。据不完全统计，目前国内注塑模约占所有模具的38.2%，世界范围内注塑模约占塑料制造模具的50％以上[9]。有鉴于此，本文以注塑模为例，结合本课题组已完成和正在进行的相关研究，对模具的数字化设计与快速制造两大关键技术进行详细阐述。 利用传统方法设计注塑模，主要特点是凭借设计人员的经验，从最初的产品结构分析到模具的布局设计、型腔设计、模架设计、标准件设计等环节都需要进行大量计算，翻阅技术手册，选定技术参数，最后手工绘制出模具的二维零件图和总装图，整个过程交互性差，不利于各环节技术人员的交流沟通，导致设计过程中模具修改频繁，延长了设计周期和增加了设计费用。