第一部分模具的概念及分類
一、模具
模具屬于精密機(jī)械產(chǎn)品，它主要由機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)組成，如成形工作零件、導(dǎo)向零件、支承零件、定位零件及送料機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)等。
模具與相應(yīng)的成形設(shè)備（如沖床、塑料注射機(jī)、壓鑄機(jī)等）配套使用時，可直接改變金屬或非金屬材料的形狀、尺寸、相對位置和性能，使之成形為合格的制件。
二、模具的分類
總體上說，模具可分為兩大類：金屬材料制件成形模具，如沖模、鍛模、壓鑄模等；非金屬材料制件成形模具，如塑料注射模、壓鑄模和壓注模，橡膠制件、玻璃制件和陶瓷制件成形模具等。
模具的具體分類方法很多，常用的有：按模具結(jié)構(gòu)形式分，沖?？煞譃閱喂ば蚰！?fù)合模、級進(jìn)模等；塑料?？煞譃閱畏中兔嫠芰夏?、雙分型面塑料模等。按工藝性質(zhì)分，沖?？煞譃闆_孔模、落料模、拉深模、彎曲模；塑料模可分為壓縮模、壓注模、注射模等。
常用模具的分類可如下所示：
第二部分模具的基本結(jié)構(gòu)
本部分主要介紹生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的冷沖模和塑料模的基本結(jié)構(gòu)。
一、沖模的基本結(jié)構(gòu)
沖模的類型雖然很多，但任何一副沖模都是由上模和下模兩部分組成。上模通過模柄或上模座安裝在壓機(jī)的滑塊上，可隨滑塊上下運動，是沖模的活動部分；下模通過下模座固定在壓機(jī)工作臺或墊板上，是沖模的固定部分。
上圖所示是一副零部件比較齊全的沖制墊圈的復(fù)合沖模。
1、上模的組成：上模由模柄8、上模座7、墊板6、凸模固定板5、沖孔凸模1、落料凹模2、推件裝置（由打桿9、推板10、連接推桿11和推塊12構(gòu)成）、導(dǎo)套4及聯(lián)接用螺釘和銷釘?shù)攘悴考M成。
2、下模的組成：下模由凸凹模16、卸料裝置（由卸料板15、卸料螺釘21、彈簧22構(gòu)成）、導(dǎo)料銷14與20、擋料銷13、凸凹模固定板17、墊板18、下模座19、導(dǎo)柱3及聯(lián)接用螺釘和銷釘?shù)攘悴考M成。
3、工作原理：工作時，條料沿導(dǎo)料銷14、20送至擋料銷13處定位，開動壓力機(jī)，上模隨滑塊向下運動，具有鋒利刃口的沖孔凸模1、落料凹模2與凸凹模16一起穿過條料使制件和沖孔廢料與條料分離而完成沖裁工作?；瑳Q帶動上?；厣龝r，卸料裝置將箍在凸凹模上的條料卸下，推件裝置將卡在落料凹模與沖孔凸模之間（即箍在沖孔凸模上）的制件推落在下模面上，而卡在凸凹模內(nèi)的沖孔廢料是在一次次沖裁過程中由沖孔凸模逐次從凸凹模內(nèi)向下推出的。將推落在下模上面的制件取走后又可進(jìn)行下一次沖壓循環(huán)。
根據(jù)各零部件在模具中所起的作用不同，一般又可將沖模分成以下幾個部分：
1）工作零件：直接使坯料產(chǎn)生分離或塑性成形的零件，如上圖所示中的凸模1、凹模2、凸凹模16。工作零件是沖模中最重要的零件。
2）定位零件：確定坯料或工序件在沖模中正確位置的零件，如上圖所示中的擋料銷13、導(dǎo)料銷14與20。
3）壓料、卸料零件：這類零件起壓住坯料的作用，并保證把箍在凸模上或卡在凹模內(nèi)的廢料或制件卸下，以保證沖壓工作能繼續(xù)進(jìn)行，如上圖所示中的卸料板15、卸料螺釘21、彈簧22、打桿9、推板10、連接推桿11、推件塊12。
4）導(dǎo)向零件：確定上、下模的相對位置并保證運動導(dǎo)向精度的零件，如上圖所示中導(dǎo)柱3、導(dǎo)套4。
5）固定零件：將上述各類零件固定在上、下模上以及將上、下模固定在壓機(jī)上的零件，如上圖所示中固定板5與17、墊板6與18、上模座7、下模座19、模柄8。這些零件是沖模的基礎(chǔ)零件。
6）其他零件：除上述零件以外的零件，如緊固件（主要有螺釘、銷釘）。
當(dāng)然，不是所有的沖模都具備上述各類零件，但工作零件和必要的固定零件是不可缺少的。
二、塑料模的基本結(jié)構(gòu)
任何一副塑料模的基本結(jié)構(gòu)，都是由動、定?；蛏?、下模兩部分組成。對固定式塑料模，定模一般固定在成型設(shè)備的固定模板（或下工作臺）上，是模具的固定部分；而動模一般固定在成型設(shè)備的移動模板（或上工作臺）上，可隨移動模板往復(fù)運動，是模具的活動部分。成型時動模與定模閉合構(gòu)成型腔和澆注系統(tǒng)，開模時動模與定模分開取出制件。對移動式塑料模，模具一般不固定在成型設(shè)備上，在設(shè)備上成型后用手工移出模具，再用卸模工具打開上、下模取出制件。
上圖所示是一副典型的塑料注射模。
1、定模的組成：定模由定模座板9、凹模5、定模板10、定位圈7、澆口套8等零件組成。
2、動模的組成：動模由動模板11、型芯4、導(dǎo)柱3、支承板12、動模支架13、推桿2、拉料桿1、推桿固定板14、推板15等零件組成。
3、分型面：動模與定模之間的接合面A-A分型面。
4、模具的安裝：模具用定位圈7在注射機(jī)上定位，并通過定模座板9和動模支架13用螺釘和壓板分別固定在注射機(jī)的固定模板和移動模板上。
5、工作原理：注射成型前，模具在注射機(jī)合模裝置的作用下閉合并被鎖緊。成型時，注射機(jī)從噴嘴中注射出的塑料熔體通過模具澆口套8及分型面上的流道進(jìn)入型腔并經(jīng)過保壓、補(bǔ)縮和泠卻定型后，注射機(jī)的合模裝置便帶動動模左退，從而使動模與定模從分型面A-A處開啟。由于塑料冷卻后對型芯具有包緊作用及拉料桿1對流道凝料的拉料作用，模具開啟后塑件和流道凝料將留在動模一邊。當(dāng)動模開啟到一定位置時，由推桿2、拉料桿1、推桿固定板14和推板15組成的推出機(jī)構(gòu)將在注射機(jī)合模裝置的頂桿作用下與動模其他部分產(chǎn)生相對運動，于是制件和流道凝料便會被推桿和拉料桿從型芯和分型面流道中推出脫落，從而完成一個注射成型過程。
分析上圖所示塑料模結(jié)構(gòu)可以看出，塑料模都可以看成由如下一些功能相似的零部件構(gòu)成：
1）成型零件：直接與塑料接觸，并決定塑件形狀和尺寸精度的零件，也即構(gòu)成型腔的零件。如上圖所示中的型芯4、凹模5，它們是模具的主要零件。
2）澆注系統(tǒng)：將塑料熔體由注射機(jī)噴嘴或模具加料腔引向型腔的一組進(jìn)料通道。如上圖所示中的澆口套8及開設(shè)在分型面上的流道。
3）導(dǎo)向零件：用來保證動、定?；蛏稀⑾履Ｖg合模時的相對位置，以保證塑件尺寸和尺寸精確度的零件。如上圖所示中的導(dǎo)柱3及定模板10上的導(dǎo)向孔。
4）推出機(jī)構(gòu)：用于在開模過程中將塑件及流道凝料從成型零件及流道中推出或拉出的零部件。如上圖所示中的推出機(jī)構(gòu)由推桿2、拉料桿1、推桿固定板14、推板15組成。
5）側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)：在開模推出塑件前，用來抽出側(cè)型芯的零部件。
6）排氣系統(tǒng)：在成型過程中用來排出型腔中的空氣及塑料本身揮發(fā)出來的氣體的結(jié)構(gòu)。排氣系統(tǒng)可以是專門設(shè)置的排氣槽，也可以是型腔附近的一些配合間隙。如上圖所示中的排氣系統(tǒng)是利用分型面及型芯與推桿之間的間隙進(jìn)行排氣的。
7）冷卻與加熱裝置：用以滿足成型工藝對模具溫度要求的裝置。冷卻時，一般在模具型腔周圍開設(shè)冷卻通道，而加熱時，則在模具內(nèi)部或周圍安裝加熱元件。如上圖所示中的模具是注射成型熱塑性塑料，模具一般不需要專門加熱，但在型芯和凹模上分別開設(shè)了冷卻通道6，以加快塑件的冷卻定型速度。
8）支承與固定零件：主要起裝配、定位和聯(lián)接的作用。如上圖所示中的定模座板9、定位圈7、定模板10、動模板11、支承板12、動模支架13及螺釘、銷釘。
塑料模就是依靠上述各類零件的協(xié)調(diào)配合來完成塑件成型功能的。當(dāng)然，并不是所有的塑料模均具有以上各類零件，但成型零件、澆注系統(tǒng)、推出機(jī)構(gòu)和必要的支承固定零件是必不可少的。
第三部分模具工程
模具工程是將與模具有關(guān)的成形機(jī)械設(shè)備、加工的原材料、制件、成型加工工藝、模具設(shè)計與制造、材料與成本、精度與壽命、安裝與調(diào)試、使用和維護(hù)以及模具標(biāo)準(zhǔn)化等各方面的問題系統(tǒng)地進(jìn)行研究的學(xué)科，了解它們之間的關(guān)系，掌握其客觀規(guī)律。因此，模具工程就是研究模具及相關(guān)問題的系統(tǒng)工程。
在制件生產(chǎn)過程中，從原材料到制件，中間必須經(jīng)過制件的生產(chǎn)系統(tǒng)；制件的生產(chǎn)系統(tǒng)要求制訂合理而完善的制件生產(chǎn)工藝；而現(xiàn)代大規(guī)模的制件生產(chǎn)必然需要模具成形加工；正確的模具成形加工工藝、高效率的成形機(jī)械設(shè)備、先進(jìn)的模具是影響制件生產(chǎn)的三大重要因素。
模具對成型加工工藝的實現(xiàn)，保證制件的形狀、尺寸及公差起著極重要的作用；高效全自動的設(shè)備只有配備了適應(yīng)自動化生產(chǎn)的模具才能發(fā)揮其效能；產(chǎn)品的更新也是以模具制造和更新為前提的。
模具作為生產(chǎn)用精密、高效的工藝裝備，本身也是一種精密的機(jī)械產(chǎn)品。該機(jī)械產(chǎn)品能否滿足對其使用性能和成形精度的要求，必須解決好模具設(shè)計與制造、精度與壽命等各方面與模具相關(guān)的問題。
如上圖所示，模具作為中心議題，可以細(xì)分成模具設(shè)計、制造、材料、成本、精度、壽命、安裝、使用，以及標(biāo)準(zhǔn)化等各方面問題。模具設(shè)計是模具制造的基礎(chǔ)，合理正確的設(shè)計是正確制造模具的保證；模具制造技術(shù)的發(fā)展對提高模具質(zhì)量、精度以及縮短制造模具的周期具有重要的意義；模具的質(zhì)量、使用壽命、制造精度及合格率在很大程度上取決于制造模具的材料及熱處理工藝；模具成本直接關(guān)系到制件的成本以及模具生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；模具工作零件的精度決定制件的精度；模具的壽命又與模具材料及熱處理、模具結(jié)構(gòu)以及所加工制作材料等諸多因素有關(guān)；模具的安裝與使用直接關(guān)系到模具的使用性能及安全；而模具的標(biāo)準(zhǔn)化是模具設(shè)計與制造的基礎(chǔ)，對大規(guī)模、專業(yè)化生產(chǎn)模具具有極重要的作用，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度的高低是模具工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。
第四部分發(fā)展中的模具先進(jìn)制造技術(shù)
一、模具加工的前沿技術(shù)——高速數(shù)控加工
高速數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)是①高速主軸及高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)床；②高速加工刀具系統(tǒng)；③基于CAD/CAM自動化數(shù)控編程
1、高速數(shù)控切削
主要針對車削和銑削。一般高速數(shù)控切削的主軸轉(zhuǎn)速比普通數(shù)控切削轉(zhuǎn)速高1～10倍。高速數(shù)控切削的另一個內(nèi)涵是采用高的進(jìn)給速度。維持切削力不變，提高轉(zhuǎn)速就能夠提高切除率，減少切削時間；維持進(jìn)給速度在普通切削水平，提高轉(zhuǎn)速就能夠降低切削力，可以加工較細(xì)或較薄的模具零件。
高速主軸是高速數(shù)控切削的首要條件。目前主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)100000轉(zhuǎn)/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以達(dá)到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削。
1）高速主軸有以下幾種漸變形式
(1)保持架采用陶瓷的滾珠軸承高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.5μm，轉(zhuǎn)速達(dá)到15000轉(zhuǎn)/min以上
(2)采用液體靜壓軸承的高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度在0.2μm以下，轉(zhuǎn)速達(dá)到100000轉(zhuǎn)/min。
(3)采用空氣靜壓軸承的高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度可在50nm以下，轉(zhuǎn)速可高達(dá)200000轉(zhuǎn)/min。正在開發(fā)之中。
(4)采用磁懸浮軸的高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.2μm，剛性非常好。正在開發(fā)之中。
2）高速數(shù)控切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)
(1)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的高速化，即采用大導(dǎo)程滾珠絲杠和高速伺服電機(jī)；直線電機(jī)和精密直線導(dǎo)軌。進(jìn)給速度可達(dá)60～120m/min。
(2)運動部件輕量化和伺服進(jìn)給控制精密化。
(3)已研制出三、四、五軸聯(lián)動高速數(shù)控切削機(jī)床?？杉庸?fù)雜型面的模具。
(4)新運動原理機(jī)床：高速數(shù)控切削領(lǐng)域出現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的六桿機(jī)床、三桿五軸機(jī)床和四桿機(jī)床。正在不斷完善和發(fā)展之中。
3）高速數(shù)控切削刀具系統(tǒng)
(1)刀具材料：有鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氧化鋁基和氧化硅基陶瓷、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼等。
(2)刀柄結(jié)構(gòu)：要求具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度、很高的裝夾剛度和高速運轉(zhuǎn)時的完全可靠性。
(3)安裝刀具的模塊化：有典型的HSK型刀柄及其連接結(jié)構(gòu)、液壓膨脹夾頭等。
4）高速數(shù)據(jù)切削發(fā)展趨勢
研制大功率高速主軸，功率≥100kW，轉(zhuǎn)速≥100000轉(zhuǎn)/min。
2、高速數(shù)控磨削關(guān)鍵技術(shù)
1）高速主軸
要求具有高速動平衡，可采用機(jī)電動平衡系統(tǒng)或電液動平衡系統(tǒng)。
2）高速數(shù)控磨床結(jié)構(gòu)
組合多種磨削功能，具有高動態(tài)精度、高阻尼、高抗振、高穩(wěn)定性、高自動化和高可靠性。
3）高速數(shù)控磨削砂輪
要求整體具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，高速時完全可靠，外觀鋒利，結(jié)合劑必須具有很高的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性以減少砂輪的磨損，高速砂輪采用等強(qiáng)度來設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)和形狀。
4）冷卻系統(tǒng)
要求冷卻液具有較高的熱容量和熱傳導(dǎo)率以提高冷卻效率，能承受較高的壓力，有良好的過濾性、良好的防腐性和高附著力，有較高的穩(wěn)定性，不起泡，不變色，對健康無害，易于清洗，有利于環(huán)境保護(hù)。
5）高速數(shù)控磨削的發(fā)展趨勢
研制大功率高速主軸，研制適應(yīng)高速磨削的新型砂輪，改進(jìn)磨床結(jié)構(gòu)，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，磨速向超音速發(fā)展達(dá)250～350m/s以上。?
3、基于CAD/CAM自動化數(shù)控編程
高速數(shù)控加工作為模具加工的前沿技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用先進(jìn)的CAD/CAM集成設(shè)計和制造系統(tǒng)，進(jìn)行圖形交互的自動數(shù)控編程，這種方法速度快、精度高、直觀、使用簡便和便于檢查。而解決高速數(shù)控加工編程的關(guān)鍵是NURBS插補(bǔ)技術(shù)，其特點如下：
(1)可以在NC控制器下進(jìn)行樣條曲線插補(bǔ)計算。
(2)減少數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。
(3)在CAD-CAM-CNC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確傳遞。
(4)易于生成光順的刀具軌跡。這對加工高質(zhì)量的復(fù)雜型面的模具極為有利。
二、快速成形與快速制模技術(shù)
快速成形技術(shù)又稱快速原型制造技術(shù)（即RPM技術(shù)），誕生于上世紀(jì)80年代后期，是基于材料累加成形的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是20世紀(jì)制造領(lǐng)域的一次革命性突破。據(jù)專家估計，它的發(fā)展速度比當(dāng)年數(shù)控技術(shù)的發(fā)展更快。快速成形技術(shù)是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅(qū)動和新材料等技術(shù)集于一體的先進(jìn)技術(shù)，它的成形過程是：依據(jù)計算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計模型，對其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓，再依不同工藝將不同的材料逐層疊加形成，從而得到三維實體產(chǎn)品。
雖然快速成形技術(shù)問世時間不長，但由于它對制造業(yè)帶來的巨大效益使得這一技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，特別是給模具的設(shè)計與制造帶來了一次飛躍。在各種包裝制品的成型過程中，大量使用了各種不同的模具，比如注射模具、吸塑模具和紙漿模塑模具等等。由于快速原型制造（RPM）這一新技術(shù)的應(yīng)用，使包裝模具的設(shè)計與制造逐步趨向于數(shù)字化、快速化，使模具制造在縮短周期，降低成本的進(jìn)程中，大大前進(jìn)了一步。
三、結(jié)束語
模具先進(jìn)制造技術(shù)種類繁多，幾乎大部分的先進(jìn)制造技術(shù)都可以應(yīng)用到模具制造中，而且在不斷發(fā)展之中，在此不可能盡數(shù)概述。從我國的國情出發(fā)，所有模具企業(yè)都盡快采用高速數(shù)控加工技術(shù)是不現(xiàn)實的，因為設(shè)備及技術(shù)裝備費用昂貴。而適當(dāng)采用相對廉價的面向快速制造的特種加工技術(shù)，而值得某些模具企業(yè)考慮。從不同角度講，除了上述發(fā)展中的模具先進(jìn)制造技術(shù)以外，還有模具反求工程技術(shù)(ReverseEngineering)、模具虛擬制造技術(shù)(VirtualManufacruring)、模具柔性制造技術(shù)(FMS)和模具集成制造技術(shù)(CIMS)等。而有人提出，下一代的先進(jìn)制造技術(shù)采用可重構(gòu)和可擴(kuò)展的制造設(shè)備和系統(tǒng)、知識供應(yīng)鏈和獨立制造島等。
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