王宏松，汪程，修輝平

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，產(chǎn)品的小批量、多樣化、高精度、復(fù)雜化將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，這就迫使制造企業(yè)在產(chǎn)品不斷更新、質(zhì)量要求不斷提升的前提下，最大限度地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，以滿(mǎn)足用戶(hù)的最新要求。制造業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)模具工業(yè)，模具的開(kāi)發(fā)和制造是制約新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸，傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)和制造方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，因此模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速模具制造技術(shù)為產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

1 模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造系統(tǒng)的組成

模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與快速制造技術(shù)集成，可以減少中間建模的時(shí)間和誤差，借助計(jì)算機(jī)對(duì)模具性能、模具結(jié)構(gòu)、數(shù)控加工及精度等進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化，將問(wèn)題發(fā)現(xiàn)于正式生產(chǎn)之前，可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并有效地確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性，顯著縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低相關(guān)成本［1］。

模具數(shù)字化設(shè)計(jì)，是以先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和方法為基礎(chǔ)，以數(shù)字技術(shù)為工具，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)全過(guò)程中對(duì)象的數(shù)字化表達(dá)、處理、儲(chǔ)存、傳遞及控制［2］。其特征表現(xiàn)為數(shù)字化設(shè)計(jì)、加工、分析以及數(shù)字化制造［3］。傳統(tǒng)的模具是由模具鋼經(jīng)過(guò)“去除材料”，如車(chē)、銑、刨、磨等加工而成，制造周期長(zhǎng)，成本高，工藝復(fù)雜?？焖倌＞咧圃旒夹g(shù)是由快速成形與快速制造（Rapid prototyping＆Manufacturing）作為支撐的一項(xiàng)基礎(chǔ)創(chuàng)新制造方法［4］，即從根本上拋棄了舊工藝方法，采用新的工藝方法，是一種新的“增加”材料制造模具的方法。

模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造集成系統(tǒng)如圖1所示。具體可以分為兩大過(guò)程:模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和模具的快速制造（RT）。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造集成系統(tǒng)Fig.1 Integrated system of digital design and rapid manufacturing

1.1 模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)

1.1.1 三維造型

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和模具的三維CAD設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)模具數(shù)字化制造的前提。數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法有正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)［5］。逆向設(shè)計(jì)是利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到三維CAD后對(duì)產(chǎn)品和模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，模具設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的弱理論領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，所以可以建立起專(zhuān)家?guī)欤糜诒４婧椭赜靡延薪?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，來(lái)指導(dǎo)模型的設(shè)計(jì)［6—7］。

1.1.2 結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足客戶(hù)的外觀(guān)要求，更重要的是要滿(mǎn)足使用性能和加工制造要求，因此要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容有強(qiáng)度和剛度結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，使產(chǎn)品滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

1.1.3 虛擬設(shè)計(jì)

虛擬技術(shù)是一種基于仿真的設(shè)計(jì)，虛擬設(shè)計(jì)是基于CAD模型，用精確逼真的數(shù)字模型表示物理模具的各個(gè)部分、各個(gè)部件以及整個(gè)原型模具及裝配。虛擬模具裝配系統(tǒng)在模具的設(shè)計(jì)階段，就對(duì)模具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的安裝、裝配進(jìn)行虛擬操作，將已完成設(shè)計(jì)的模具裝配到一起，用以檢查多個(gè)零部件裝配到一起的協(xié)調(diào)性，分析裝配和運(yùn)動(dòng)的干涉等。

1.1.4 成形工藝仿真與優(yōu)化

注塑成形過(guò)程的機(jī)理比較復(fù)雜，注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如分型面、澆口、流道、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)），直接影響注塑件的外觀(guān)質(zhì)量，如翹曲變形、熔接痕等。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)多是基于經(jīng)驗(yàn)的多反復(fù)性過(guò)程。通過(guò)反復(fù)的試模-修模-試模的方式來(lái)進(jìn)行新模的開(kāi)發(fā)，從而導(dǎo)致了模具的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本高。注塑工藝的仿真與優(yōu)化可以評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，及時(shí)反饋給CAD的設(shè)計(jì);同時(shí)還能確定合理的注塑成形工藝參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。

1.2 模具的快速制造

1.2.1 快速成形

快速成形（Rapid Prototyping）是一種由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，快速生成任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的制造技術(shù)，它是一種“增加”材料制造的方法［8］。RP技術(shù)根據(jù)CAD模型，對(duì)實(shí)體進(jìn)行切片，得到各個(gè)層的二維輪廓信息，按照這些輪廓一層一層加工堆砌形成三維的實(shí)體。目前商業(yè)化的快速成形方法主要有5種，其成形方法特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合見(jiàn)表1［9］。

1.2.2 模具快速制造方法

快速模具制造技術(shù)（RT）是快速成形技術(shù)（RP）的自然延伸?？焖俪尚巫畛醯哪康氖球?yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，由于在材質(zhì)上與真實(shí)的產(chǎn)品不一致，另外很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，因此迫切需要一種采用多種工藝、多種工具的新技術(shù)，它就是RT［10］?；赗P技術(shù)的模具快速制造工藝可以分為2種，一種是直接制造，另一種是間接制造，如圖2所示。

1.2.3 快速模具制造工藝

基于RP的模具快速制造工藝路線(xiàn)見(jiàn)表2。

表1 常用快速成形方法、原材料、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合Table 1 Rapid prototyping methods，materials，characteristics and applications

表2 基于RP的模具快速制造工藝路線(xiàn)Table 2 Rapid mold manufacturing process

圖2 模具快速制造方法Fig.2 Rapid mold manufacturing methods

2 模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)客戶(hù)對(duì)快速成形制造工程中心的要求，試制2件玩具車(chē)齒輪。以客戶(hù)玩具車(chē)齒輪的原型為制造實(shí)例，采用FDM快速成形方式，通過(guò)間接制模方法，制造該產(chǎn)品的軟模，從而實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的試制。通過(guò)樣品的試制，來(lái)驗(yàn)證基于RP的快速模具制造系統(tǒng)的可行性。齒輪的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速模具制造流程如下。

2.1 模型的建立與分析

通過(guò)UG軟件建立模型，如圖3所示，然后進(jìn)行塑模部件驗(yàn)證，得到產(chǎn)品的綜合信息、拔模角等。分析顯示，齒輪厚度為25 mm，拔模角為0°，不利于分模，修改后的拔模角為1°。

圖3 玩具車(chē)齒輪Fig.3 Toy car gear

2.2 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分模和虛擬模具設(shè)計(jì)

運(yùn)用UG進(jìn)行產(chǎn)品的分模，確定型芯和型腔的長(zhǎng)寬高，查看設(shè)計(jì)是否合理，并為后續(xù)的模具制造提供數(shù)據(jù)參考。擬采用軟模制造小批量產(chǎn)品，故不需要調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架，但使用間接法來(lái)制造過(guò)渡?；蚺磕＃梢哉{(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架，來(lái)觀(guān)察產(chǎn)品的布局是否合理。

圖4 型芯芯腔Fig.4 Core＆cavity

2.3 成形工藝分析

運(yùn)用Moldflow對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行成形工藝的分析，考察在給定的成形工藝下，產(chǎn)品的收縮率、翹曲等，來(lái)確定產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)是否合理。擬采用硅橡膠軟模來(lái)制造小批量的產(chǎn)品，硅橡膠軟模采用自然冷卻方式，無(wú)需要冷卻回路，因此可以省略成形工藝分析。

2.4 快速成形

與其他RP系統(tǒng)相比，F(xiàn)DM系統(tǒng)不用激光器件，使用維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低，對(duì)于該塑料玩具制品，形狀不太復(fù)雜，要求的精度也不是很高，因此選用FDM成形工藝，采用北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司的MEM-300-E型號(hào)的熔融快速成形機(jī)，配套開(kāi)發(fā)的軟件為Auroral，成形層厚為0.2 mm，噴嘴溫度為260℃，工作室溫度為60℃，其他參數(shù)默認(rèn)。成形后的零件如圖5所示。

圖5 快速成形系統(tǒng)與快速成形零件Fig.5 Rapid prototyping systems＆part

2.5 快速模具制造

軟模是一種試制用模具，它制造周期短、成本低、彈性好，工件易于脫模，再現(xiàn)性好?？蛻?hù)要求試制造2件樣品，根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合制造成本和開(kāi)發(fā)周期，優(yōu)先選擇間接法制造硅橡膠軟模具。其工藝過(guò)程如下［11］。

1）在快速成形的母模上，沿著選定的分模面，貼一層膠帶，并用膠帶覆蓋住齒輪輪輻上的孔和軸孔。然后用強(qiáng)力膠將流道芯模粘結(jié)于母模上。

2）制作木頭澆注框，用油泥密封縫隙，懸掛母模和流道芯模與澆注框之中。

3）向澆注框中注入硅橡膠，同時(shí)加入少量的液態(tài)硅橡膠和固化劑。

4）烘干固化后，描畫(huà)分模線(xiàn)，用刀沿著分模線(xiàn)向粘貼的膠帶紙方向，切開(kāi)澆注件。取出母模和澆注芯模具，最終得到玩具齒輪的上下模具。

3 結(jié)語(yǔ)

模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并有效地確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性;注塑模具的快速制造，可以針對(duì)不同的客戶(hù)需求和產(chǎn)品的質(zhì)量要求，選擇不同的RP技術(shù)和RT技術(shù)。RP和RT技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能顯著縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、制造周期，大大降低開(kāi)發(fā)模具的成本。

［1］吳立波，吳小麗，李科，等.基于Pro/E的模具數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)［J］.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21（4）:49—52.

WU Li-bo，WU Xiao-li，LI Ke，et al.Digitized Design and Manufacturing Technology in Die Based on Pro/E［J］.Journal of Handan Polytechnic College，2008，21（4）:49—52.

［2］周祖德，李剛炎.數(shù)字制造的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（6）:531—533.

ZHOU Zu-de，LI Gang-yan.On State and Development of Digital Manufacturing［J］.China Mechanical Engineering，2002，13（6）:531—533.

［3］阮雪榆，趙震.模具的數(shù)字化制造技術(shù)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（22）:1891—1902.

RUAN Xue-yu，ZHAO Zhen.Manufacturing Technology in Die ＆ Mold［J］.China Mechanical Engineering，2002，13（22）:1891—1902.

［4］賓鴻贊，王潤(rùn)孝.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

BIN Hong-zan，WANG Run-xiao.Advanced Manufacturing Technology［M］.Beijing:Higher Education Press，2009.

［5］葉建紅，余世浩，劉品德，等.汽車(chē)覆蓋件模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造［J］.汽車(chē)技術(shù)，2005（1）:33—36.

YE Jian-hong，YU Shi-hao，LIU Pin-de，et al.Digitalization Design and Manufacturer of Dies of Automotive Outer Panels［J］.Automobile Technology，2005（1）:33—36.

［6］劉川林，黃少東，張志明，等.藥筒精密成形工藝數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.精密成形工程，2010，2（6）:64—69.

LIU Chuan-lin，HUANG Shao-dong，ZHANG Zhiming，et al.Digital Design System of Precision Forming Process of Cartridge Case［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2010，2（6）:64-69.

［7］尹湘云.沖壓模具數(shù)字化設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件的開(kāi)發(fā)技術(shù)研究［D］.成都:四川大學(xué)，2003.

YIN Xiang-yun.Research on Development of Digitized Design Handbook Software for Stamping Die［D］.Chengdu:Sichuan University，2003.

［8］王宏松，萬(wàn)曼華，彭福官.基于RE/RP/RT技術(shù)人工骨的快速成形［J］.精密成形工程，2013，5（2）:55—57.

WANG Hong-song，WAN Man-hua，PENG Fu-guan.Rapid Forming of Artificial Bone Based on RE/RP/RT Yechnology［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2013，5（2）:55—57.

［9］金捷.基于快速成形技術(shù)的快速模具制造［J］.熱加工工藝，2011，40（9）:186—189.

JIN Jie.Rapid Tooling Based on Rapid Prototype［J］.HOT Working Technology，2011，40（9）:186—189.

［10］ROSOCHOWSKI A，MATUSZAK A.Rapid Tooling:the State of the Art［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，106:191—198.

［11］王運(yùn)贛.快速模具制造及其應(yīng)用［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2003.

WANG Yun-gan.Rapid Tooling and Its Application［M］.Wuhan:Huazhong University of Science＆ Technology Press，2003.