模具制造是指在特定的制造裝備和工藝下，直接對(duì)原材料進(jìn)行加工，使之成為具有一定形狀和尺寸要求的零件，然后裝配成模具的過(guò)程，即模具零件的加工和裝配過(guò)程。模具制造行業(yè)屬于離散型制造業(yè)，其過(guò)程復(fù)雜，具有單件生產(chǎn)、制造質(zhì)量要求高、形狀復(fù)雜、材料硬度高等特點(diǎn)。

模具零件的制造加工方法有常見的金屬切削加工、電化學(xué)加工和電火花加工，同時(shí)還有精密鑄造、激光加工、其他高能波束加工以及集2種加工方法為一體的復(fù)合加工等。隨著數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在模具零件的加工中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

模具制造常用的特種加工方法有：電火花加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工、模具電鑄成形等。

電火花加工是利用電蝕作用去除導(dǎo)電材料的加工方法，又稱放電加工或電蝕加工。加工時(shí)工件和工具電極同時(shí)浸泡在絕緣工作液中，并在兩者之間施加強(qiáng)脈沖電壓，以擊穿絕緣工作液，由于能量高度集中，放電區(qū)的高溫使工件表面金屬局部熔化脫落，達(dá)到去除材料的效果。電火花加工主要分為電火花成形加工和電火花線切割加工。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

電火花成形加工在模具行業(yè)應(yīng)用廣泛，尤其適用于手機(jī)、汽車等注射模零件加工。隨著零件加工精度、粗糙度要求的不斷提高，電火花成形機(jī)的需求也增加。電火花成形機(jī)的優(yōu)勢(shì)：放電加工控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4軸聯(lián)動(dòng)或5軸聯(lián)動(dòng)加工，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工的高精度（重復(fù)定位精度≤2μm）、高效率（切割速率≥500mm/min）、低表面粗糙度（Ra≤0.1μm）、低電極損耗率（≤0.1%）、任意軸向的抬刀和伺服放電加工、復(fù)雜的4軸聯(lián)動(dòng)加工。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

線切割加工是電火花加工的一種，電極是細(xì)長(zhǎng)金屬絲，金屬絲在移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行脈沖放電使其附近的金屬局部熔化脫落，通過(guò)控制金屬絲的移動(dòng)軌跡即可切割相應(yīng)的圖案。高速走絲線切割使用鉬絲作為工具電極，其直徑為?0.02~?0.3mm，往復(fù)移動(dòng)速度達(dá)8~10m/s。低速走絲線切割使用銅絲作為工具電極，其移動(dòng)速度較慢，一般<0.2m/s，且單向運(yùn)動(dòng)。相比于電火花成形加工，線切割加工精度高，約為10μm。慢走絲精度可達(dá)0.5μm，表面粗糙度約Ra0.2μm?？熳呓z精度可達(dá)20μm，表面粗糙度約Ra3.2μm。電火花線切割適用于加工沖孔模和落料模等零件上的各種?？?、型孔、復(fù)雜型面、樣板和窄縫等。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

激光加工是材料加工部位在高能激光束的照射作用下加熱至高溫熔融狀態(tài)，并使用沖擊波將熔融物質(zhì)噴射出去的加工方法，或是使材料在較低能量密度的激光束作用下熔化，然后進(jìn)行焊接的加工方法。在模具行業(yè)，尤其是在模具修復(fù)和模具制造方面，激光加工應(yīng)用廣泛，常見的有激光切割、激光打孔、激光淬火和激光焊接等。

同時(shí)激光加工技術(shù)還能應(yīng)用在表面強(qiáng)化處理方面，主要有2種方式：一是利用激光熔焊對(duì)模具表面局部損傷部位進(jìn)行修復(fù)；二是利用激光對(duì)模具表面進(jìn)行淬火硬化。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

超聲波是指頻率超過(guò)人耳頻率上限（＞16kHz）的振動(dòng)波。超聲波加工是利用超聲波作為動(dòng)力，帶動(dòng)工具作超聲振動(dòng)，通過(guò)工具與工件之間的磨料沖擊工件表面進(jìn)行加工的成形方法。采用超聲波-電化學(xué)拋光復(fù)合加工工藝拋光模具型腔表面，不僅可以提高模具型腔表面質(zhì)量和降低表面粗糙度，還能提高生產(chǎn)效率，減少工具的損耗。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

電子束加工是指通過(guò)真空環(huán)境中的高能電子束將工件待加工部位加熱至熔融或蒸發(fā)的狀態(tài)，達(dá)到去除材料的加工方法。同時(shí)，利用高能電子束提供能量使工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也是電子束加工的一種應(yīng)用。將帶有脈沖電壓的電子束照射在模具零件表面，可以對(duì)模具零件表面進(jìn)行拋光處理，是一種新型的模具零件表面處理工藝。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

電鑄成形是利用電化學(xué)過(guò)程中的陰極沉積現(xiàn)象進(jìn)行成形的加工方法，主要用于注射模零件的加工。注射模的電鑄成形是將動(dòng)模作為陰極，將需要電鑄的金屬作為陽(yáng)極同時(shí)置于鍍槽中，然后通入直流電，此時(shí)陽(yáng)極的金屬釋放金屬離子，并向動(dòng)模沉積，一段時(shí)間后，動(dòng)模上會(huì)沉積有適當(dāng)厚度的金屬層，形成電鑄層。電鑄工藝適用于金屬型腔的復(fù)制加工，且加工精度高。

模具作為成型塑件的工具，其零件制造精度要求高于成型塑件的精度。組成模具的大部分零件一般具有復(fù)雜的型面，傳統(tǒng)的加工方法不僅加工效率低，且加工精度低。數(shù)控加工是模具零件加工的主要方法，如數(shù)控車削加工、數(shù)控銑削加工、數(shù)控線切割加工、數(shù)控電火花加工等。

（1）數(shù)控車削加工。數(shù)控車削可用于頂桿、推桿、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等軸類零件的加工；還可用于回轉(zhuǎn)體模具零件的加工，如外圓體、內(nèi)圓盆類零件的注射模零件，軸類、盤類零件的鍛模以及沖模的凸模等。

（2）數(shù)控銑削加工。數(shù)控銑削可用于外形輪廓較為復(fù)雜或者帶有三維曲面型面的模具零件的加工，如注射模的型芯、型腔板的加工等。

（3）數(shù)控線切割加工。數(shù)控線切割可加工各種直壁模具零件或者一些形狀復(fù)雜、材料特殊以及帶有異型通槽的模具零件。

（4）數(shù)控電火花加工。數(shù)控電火花加工可用于微細(xì)復(fù)雜形狀、特殊材料、鑲拼型腔板及鑲件、帶異型槽的模具零件的加工。

（5）數(shù)控加工中心加工。數(shù)控加工中心根據(jù)加工軸數(shù)可分為3軸、4軸和5軸等，其中，5軸數(shù)控加工中心可以加工高精度、曲面復(fù)雜的模具零件。目前，在模具零件加工中，5軸數(shù)控加工中心應(yīng)用較廣泛。

國(guó)內(nèi)外有名的數(shù)控系統(tǒng)有：發(fā)那科（FANUC）、馬扎克（MAZAK）、三菱（MITSUBISHI）、西門子（SIMENS）、發(fā)格（FAGOR）、西曼斯（CMS）、華中數(shù)控（HSK）、廣州數(shù)控（GSK）、寶元（LNC）、新代（SYNTEC）等，如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)

一些國(guó)外知名廠家采取技術(shù)封鎖和低價(jià)銷售的策略，利用靈活多樣的促銷手段和先進(jìn)的技術(shù)以及優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品迅速搶占中國(guó)市場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)普及型、中、高檔數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)已經(jīng)被國(guó)外品牌壟斷。但國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)：

（1）維修費(fèi)用高，維修時(shí)效性低，系統(tǒng)更新慢。

（2）技術(shù)封鎖，數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)難度大。

（3）與國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床相比價(jià)格昂貴，性價(jià)比低。

隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)公司不斷創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展取得了跨越式進(jìn)展。目前，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外相比雖有差距，但差距正不斷縮小，如廣州數(shù)控、華中數(shù)控等，正在積極發(fā)展自己的核心技術(shù)。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

柔性制造單元（flexiblemanufacturingcells，F(xiàn)MC）是數(shù)控加工中心的擴(kuò)展，數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心和工件運(yùn)輸裝置在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下，根據(jù)需要自動(dòng)更換夾具和刀具，進(jìn)行工件的加工。FMC主要有以下3種類型。

（1）托板存儲(chǔ)庫(kù)式FMC，其特點(diǎn)是有托板儲(chǔ)存系統(tǒng)，可通過(guò)PLC控制托板的選擇和定位，適用于非回轉(zhuǎn)體零件的加工。

（2）機(jī)器人搬運(yùn)式FMC，由加工中心、數(shù)控機(jī)床機(jī)器人和工件傳輸系統(tǒng)等組成，有些單元還包括清洗設(shè)備。

（3）可換主軸箱式FMC，一般由可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床、主軸庫(kù)、主軸交換裝置和托板交換裝置組成。裝有工件的托板交換裝置將工件運(yùn)送至圓形工作臺(tái)上夾緊，裝有主軸箱的動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)刀具加工工件?？蓳Q主軸箱式FMC的加工方式為多軸加工，適用于中、大批量的工件加工生產(chǎn)。

柔性制造系統(tǒng)（flexiblemanufacturingsystem，F(xiàn)MS）主要由數(shù)臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)制導(dǎo)小車（AGV）等組成，在計(jì)算機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的加工對(duì)象的自動(dòng)化機(jī)械制造。

（資料圖：源于網(wǎng)絡(luò)）

柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有：

（1）設(shè)備利用率高。相比于機(jī)床分散式單機(jī)作業(yè)，成組的機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，生產(chǎn)效率可以提高數(shù)倍。

（2）產(chǎn)品數(shù)量減少80%左右。柔性制造系統(tǒng)一般包括多個(gè)工序，每個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)組裝時(shí)無(wú)需等待就能進(jìn)入下一工序，從而使等待加工的產(chǎn)品數(shù)量大幅度減少。

（3）生產(chǎn)能力穩(wěn)定。柔性制造系統(tǒng)包含一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)床，當(dāng)某一臺(tái)機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，能實(shí)現(xiàn)降級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，物料傳輸系統(tǒng)能自動(dòng)繞過(guò)故障機(jī)床，避免生產(chǎn)線停產(chǎn)。

（4）產(chǎn)品質(zhì)量高。加工時(shí)工件只需一次裝夾，就能完成各工序的加工，加工精度高、穩(wěn)定性好。

（5）運(yùn)行靈活。柔性制造系統(tǒng)的檢驗(yàn)、裝夾和維護(hù)工作都可以在第1班完成，可實(shí)現(xiàn)第2班、第3班自動(dòng)化生產(chǎn)。對(duì)于功能更加完善的柔性制造系統(tǒng)，刀具的磨損更換、物流的堵塞疏通等問(wèn)題都能在監(jiān)控系統(tǒng)作用下解決。

（6）產(chǎn)品應(yīng)變能力大。夾具、刀具和物料傳送裝置的柔性大，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，能通過(guò)增加或減少設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。

（7）經(jīng)濟(jì)效益顯著。FMS能根據(jù)裝配作業(yè)的需要及時(shí)調(diào)整所需零件的加工，達(dá)到及時(shí)生產(chǎn)的效果，避免了毛坯的囤積，降低了流動(dòng)資金的占用量，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，在相同的生產(chǎn)能力下，較高的設(shè)備利用率能減少設(shè)備需求和廠房面積，且FMS能在人員數(shù)量少的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，降低勞動(dòng)力的需求，F(xiàn)MS生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高。

與傳統(tǒng)模具零件加工技術(shù)相比，快速制模技術(shù)能以較低的生產(chǎn)成本以及較高的效率，制造出較高精度和耐用性的模具，是一種經(jīng)濟(jì)效益良好的先進(jìn)制造技術(shù)。

（1）3D打印技術(shù)。3D打印屬于增材制造（additivemanufacturing，AM）技術(shù)，是激光技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)去除材料的加工方法不同，其采用“分層切片，層層疊加”的原理，只需要把產(chǎn)品3D模型通過(guò)指定的方式傳輸?shù)?D打印設(shè)備，就可以打印出具有一定精度的產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)制模技術(shù)，3D打印技術(shù)的制造效率高，成本低，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)研究。

3D打印技術(shù)包括激光立體光刻成型（SLA）、分層物體制造（LOM）、選擇性激光熔化（SLM）、熔融沉積成型（FDM）等多種成型工藝。3D打印制造模具實(shí)例及鑲件如圖1所示。

（a）3D打印塑件與硅膠模具

（b）3D打印金屬模具鑲件

圖1 3D打印制造模具實(shí)例及鑲件

（2）表面成形制模技術(shù)。表面成形制模技術(shù)可用于型腔表面或精細(xì)花紋的加工，涉及的工藝技術(shù)有電鑄、噴涂、化學(xué)腐蝕等。

（3）澆鑄成形制模技術(shù)。澆鑄成形制模技術(shù)主要有鉍錫合金制模技術(shù)、鋅基合金制模技術(shù)、樹脂復(fù)合成形技術(shù)及硅膠制模技術(shù)等。

（4）冷擠壓及超塑性成形制模技術(shù)。冷擠壓是模具型腔板的一種加工方法，不需要切削加工，只需將堅(jiān)硬的原?；騽?dòng)模經(jīng)過(guò)冷擠壓壓入較軟且塑性好的材料內(nèi)，形成所需的型腔。經(jīng)冷擠壓加工形成的型腔表面光滑，可縮短擠壓后的加工過(guò)程。采用冷擠壓、冷滾壓加工方法加工復(fù)雜型腔或型面的新工藝，由于效率高、質(zhì)量好，廣泛用于制造塑料、壓鑄、熱鍛、精壓、冷鐓、冷沖、螺紋滾壓等各種模具零件。

（5）無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)。通過(guò)對(duì)一系列排列規(guī)則、高度可調(diào)的基體的實(shí)時(shí)控制，自由地構(gòu)造成型面，實(shí)現(xiàn)板材曲面加工，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)和多點(diǎn)成形技術(shù)于一體的復(fù)合制造技術(shù)。

（6）隨形冷卻技術(shù)。注射模中，冷卻水道可以根據(jù)塑件形狀設(shè)計(jì)成相應(yīng)的形狀，水道直徑可以根據(jù)需要改變，水道截面形狀的選擇呈多樣化。模具冷卻時(shí)間是決定塑件生產(chǎn)周期長(zhǎng)短的重要因素，通過(guò)CAE分析優(yōu)化模具冷卻水道的形狀和布置方式，可以提高冷卻效率，并降低因冷卻不均導(dǎo)致的廢品率。目前，隨形冷卻水道主要通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制造，具有隨形冷卻水道的注射模如圖2所示。

圖2 隨形冷卻水道的注射模