第一部分模具的概念及分类

一、模具

模具属于精密机械产品，它主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件、导向零件、支承零件、定位零件及送料机构、抽芯机构、推出机构等。

模具与相应的成形设备（如冲床、塑料注射机、压铸机等）配套使用时，可直接改变金属或非金属材料的形状、尺寸、相对位置和性能，使之成形为合格的制件。

二、模具的分类

总体上说，模具可分为两大类：金属材料制件成形模具，如冲模、锻模、压铸模等；非金属材料制件成形模具，如塑料注射模、压铸模和压注模，橡胶制件、玻璃制件和陶瓷制件成形模具等。

模具的具体分类方法很多，常用的有：按模具结构形式分，冲模可分为单工序模、复合模、级进模等；塑料模可分为单分型面塑料模、双分型面塑料模等。按工艺性质分，冲模可分为冲孔模、落料模、拉深模、弯曲模；塑料模可分为压缩模、压注模、注射模等。

常用模具的分类可如下所示：

第二部分模具的基本结构

本部分主要介绍生产中应用广泛的冷冲模和塑料模的基本结构。

一、冲模的基本结构

冲模的类型虽然很多，但任何一副冲模都是由上模和下模两部分组成。上模通过模柄或上模座安装在压机的滑块上，可随滑块上下运动，是冲模的活动部分；下模通过下模座固定在压机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。

上图所示是一副零部件比较齐全的冲制垫圈的复合冲模。

1、上模的组成：上模由模柄8、上模座7、垫板6、凸模固定板5、冲孔凸模1、落料凹模2、推件装置（由打杆9、推板10、连接推杆11和推块12构成）、导套4及联接用螺钉和销钉等零部件组成。

2、下模的组成：下模由凸凹模16、卸料装置（由卸料板15、卸料螺钉21、弹簧22构成）、导料销14与20、挡料销13、凸凹模固定板17、垫板18、下模座19、导柱3及联接用螺钉和销钉等零部件组成。

3、工作原理：工作时，条料沿导料销14、20送至挡料销13处定位，开动压力机，上模随滑块向下运动，具有锋利刃口的冲孔凸模1、落料凹模2与凸凹模16一起穿过条料使制件和冲孔废料与条料分离而完成冲裁工作。滑决带动上模回升时，卸料装置将箍在凸凹模上的条料卸下，推件装置将卡在落料凹模与冲孔凸模之间（即箍在冲孔凸模上）的制件推落在下模面上，而卡在凸凹模内的冲孔废料是在一次次冲裁过程中由冲孔凸模逐次从凸凹模内向下推出的。将推落在下模上面的制件取走后又可进行下一次冲压循环。

根据各零部件在模具中所起的作用不同，一般又可将冲模分成以下几个部分：

1）工作零件：直接使坯料产生分离或塑性成形的零件，如上图所示中的凸模1、凹模2、凸凹模16。工作零件是冲模中最重要的零件。

2）定位零件：确定坯料或工序件在冲模中正确位置的零件，如上图所示中的挡料销13、导料销14与20。

3）压料、卸料零件：这类零件起压住坯料的作用，并保证把箍在凸模上或卡在凹模内的废料或制件卸下，以保证冲压工作能继续进行，如上图所示中的卸料板15、卸料螺钉21、弹簧22、打杆9、推板10、连接推杆11、推件块12。

4）导向零件：确定上、下模的相对位置并保证运动导向精度的零件，如上图所示中导柱3、导套4。

5）固定零件：将上述各类零件固定在上、下模上以及将上、下模固定在压机上的零件，如上图所示中固定板5与17、垫板6与18、上模座7、下模座19、模柄8。这些零件是冲模的基础零件。

6）其他零件：除上述零件以外的零件，如紧固件（主要有螺钉、销钉）。

当然，不是所有的冲模都具备上述各类零件，但工作零件和必要的固定零件是不可缺少的。

二、塑料模的基本结构

任何一副塑料模的基本结构，都是由动、定模或上、下模两部分组成。对固定式塑料模，定模一般固定在成型设备的固定模板（或下工作台）上，是模具的固定部分；而动模一般固定在成型设备的移动模板（或上工作台）上，可随移动模板往复运动，是模具的活动部分。成型时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统，开模时动模与定模分开取出制件。对移动式塑料模，模具一般不固定在成型设备上，在设备上成型后用手工移出模具，再用卸模工具打开上、下模取出制件。

上图所示是一副典型的塑料注射模。

1、定模的组成：定模由定模座板9、凹模5、定模板10、定位圈7、浇口套8等零件组成。

2、动模的组成：动模由动模板11、型芯4、导柱3、支承板12、动模支架13、推杆2、拉料杆1、推杆固定板14、推板15等零件组成。

3、分型面：动模与定模之间的接合面A-A分型面。

4、模具的安装：模具用定位圈7在注射机上定位，并通过定模座板9和动模支架13用螺钉和压板分别固定在注射机的固定模板和移动模板上。

5、工作原理：注射成型前，模具在注射机合模装置的作用下闭合并被锁紧。成型时，注射机从喷嘴中注射出的塑料熔体通过模具浇口套8及分型面上的流道进入型腔并经过保压、补缩和泠却定型后，注射机的合模装置便带动动模左退，从而使动模与定模从分型面A-A处开启。由于塑料冷却后对型芯具有包紧作用及拉料杆1对流道凝料的拉料作用，模具开启后塑件和流道凝料将留在动模一边。当动模开启到一定位置时，由推杆2、拉料杆1、推杆固定板14和推板15组成的推出机构将在注射机合模装置的顶杆作用下与动模其他部分产生相对运动，于是制件和流道凝料便会被推杆和拉料杆从型芯和分型面流道中推出脱落，从而完成一个注射成型过程。

分析上图所示塑料模结构可以看出，塑料模都可以看成由如下一些功能相似的零部件构成：

1）成型零件：直接与塑料接触，并决定塑件形状和尺寸精度的零件，也即构成型腔的零件。如上图所示中的型芯4、凹模5，它们是模具的主要零件。

2）浇注系统：将塑料熔体由注射机喷嘴或模具加料腔引向型腔的一组进料通道。如上图所示中的浇口套8及开设在分型面上的流道。

3）导向零件：用来保证动、定模或上、下模之间合模时的相对位置，以保证塑件尺寸和尺寸精确度的零件。如上图所示中的导柱3及定模板10上的导向孔。

4）推出机构：用于在开模过程中将塑件及流道凝料从成型零件及流道中推出或拉出的零部件。如上图所示中的推出机构由推杆2、拉料杆1、推杆固定板14、推板15组成。

5）侧向分型抽芯机构：在开模推出塑件前，用来抽出侧型芯的零部件。

6）排气系统：在成型过程中用来排出型腔中的空气及塑料本身挥发出来的气体的结构。排气系统可以是专门设置的排气槽，也可以是型腔附近的一些配合间隙。如上图所示中的排气系统是利用分型面及型芯与推杆之间的间隙进行排气的。

7）冷却与加热装置：用以满足成型工艺对模具温度要求的装置。冷却时，一般在模具型腔周围开设冷却通道，而加热时，则在模具内部或周围安装加热元件。如上图所示中的模具是注射成型热塑性塑料，模具一般不需要专门加热，但在型芯和凹模上分别开设了冷却通道6，以加快塑件的冷却定型速度。

8）支承与固定零件：主要起装配、定位和联接的作用。如上图所示中的定模座板9、定位圈7、定模板10、动模板11、支承板12、动模支架13及螺钉、销钉。

塑料模就是依靠上述各类零件的协调配合来完成塑件成型功能的。当然，并不是所有的塑料模均具有以上各类零件，但成型零件、浇注系统、推出机构和必要的支承固定零件是必不可少的。

第三部分模具工程

模具工程是将与模具有关的成形机械设备、加工的原材料、制件、成型加工工艺、模具设计与制造、材料与成本、精度与寿命、安装与调试、使用和维护以及模具标准化等各方面的问题系统地进行研究的学科，了解它们之间的关系，掌握其客观规律。因此，模具工程就是研究模具及相关问题的系统工程。

在制件生产过程中，从原材料到制件，中间必须经过制件的生产系统；制件的生产系统要求制订合理而完善的制件生产工艺；而现代大规模的制件生产必然需要模具成形加工；正确的模具成形加工工艺、高效率的成形机械设备、先进的模具是影响制件生产的三大重要因素。

模具对成型加工工艺的实现，保证制件的形状、尺寸及公差起着极重要的作用；高效全自动的设备只有配备了适应自动化生产的模具才能发挥其效能；产品的更新也是以模具制造和更新为前提的。

模具作为生产用精密、高效的工艺装备，本身也是一种精密的机械产品。该机械产品能否满足对其使用性能和成形精度的要求，必须解决好模具设计与制造、精度与寿命等各方面与模具相关的问题。

如上图所示，模具作为中心议题，可以细分成模具设计、制造、材料、成本、精度、寿命、安装、使用，以及标准化等各方面问题。模具设计是模具制造的基础，合理正确的设计是正确制造模具的保证；模具制造技术的发展对提高模具质量、精度以及缩短制造模具的周期具有重要的意义；模具的质量、使用寿命、制造精度及合格率在很大程度上取决于制造模具的材料及热处理工艺；模具成本直接关系到制件的成本以及模具生产企业的经济效益；模具工作零件的精度决定制件的精度；模具的寿命又与模具材料及热处理、模具结构以及所加工制作材料等诸多因素有关；模具的安装与使用直接关系到模具的使用性能及安全；而模具的标准化是模具设计与制造的基础，对大规模、专业化生产模具具有极重要的作用，模具标准化程度的高低是模具工业发展水平的标志。

第四部分发展中的模具先进制造技术

一、模具加工的前沿技术——高速数控加工

高速数控加工的关键技术是①高速主轴及高速进给驱动系统机床；②高速加工刀具系统；③基于CAD/CAM自动化数控编程

1、高速数控切削

主要针对车削和铣削。一般高速数控切削的主轴转速比普通数控切削转速高1～10倍。高速数控切削的另一个内涵是采用高的进给速度。维持切削力不变，提高转速就能够提高切除率，减少切削时间；维持进给速度在普通切削水平，提高转速就能够降低切削力，可以加工较细或较薄的模具零件。

高速主轴是高速数控切削的首要条件。目前主轴转速可达100000转/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以达到模具零件的镜面车削和镜面铣削。

1）高速主轴有以下几种渐变形式

(1)保持架采用陶瓷的滚珠轴承高速电动主轴，主轴回转精度达0.5μm，转速达到15000转/min以上

(2)采用液体静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度在0.2μm以下，转速达到100000转/min。

(3)采用空气静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度可在50nm以下，转速可高达200000转/min。正在开发之中。

(4)采用磁悬浮轴的高速电动主轴，主轴回转精度可达0.2μm，刚性非常好。正在开发之中。

2）高速数控切削机床的结构

(1)进给驱动系统的高速化，即采用大导程滚珠丝杠和高速伺服电机；直线电机和精密直线导轨。进给速度可达60～120m/min。

(2)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化。

(3)已研制出三、四、五轴联动高速数控切削机床。可加工复杂型面的模具。

(4)新运动原理机床：高速数控切削领域出现并联结构的六杆机床、三杆五轴机床和四杆机床。正在不断完善和发展之中。

3）高速数控切削刀具系统

(1)刀具材料：有镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基和氧化硅基陶瓷、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等。

(2)刀柄结构：要求具有很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时的完全可靠性。

(3)安装刀具的模块化：有典型的HSK型刀柄及其连接结构、液压膨胀夹头等。

4）高速数据切削发展趋势

研制大功率高速主轴，功率≥100kW，转速≥100000转/min。

2、高速数控磨削关键技术

1）高速主轴

要求具有高速动平衡，可采用机电动平衡系统或电液动平衡系统。

2）高速数控磨床结构

组合多种磨削功能，具有高动态精度、高阻尼、高抗振、高稳定性、高自动化和高可靠性。

3）高速数控磨削砂轮

要求整体具有很高的机械强度，高速时完全可靠，外观锋利，结合剂必须具有很高的结合强度和耐磨性以减少砂轮的磨损，高速砂轮采用等强度来设计优化结构和形状。

4）冷却系统

要求冷却液具有较高的热容量和热传导率以提高冷却效率，能承受较高的压力，有良好的过滤性、良好的防腐性和高附着力，有较高的稳定性，不起泡，不变色，对健康无害，易于清洗，有利于环境保护。

5）高速数控磨削的发展趋势

研制大功率高速主轴，研制适应高速磨削的新型砂轮，改进磨床结构，优化冷却系统，磨速向超音速发展达250～350m/s以上。?

3、基于CAD/CAM自动化数控编程

高速数控加工作为模具加工的前沿技术，关键技术之一就是采用先进的CAD/CAM集成设计和制造系统，进行图形交互的自动数控编程，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。而解决高速数控加工编程的关键是NURBS插补技术，其特点如下：

(1)可以在NC控制器下进行样条曲线插补计算。

(2)减少数据量，提高数据的传输速度。

(3)在CAD-CAM-CNC之间进行数据的精确传递。

(4)易于生成光顺的刀具轨迹。这对加工高质量的复杂型面的模具极为有利。

二、快速成形与快速制模技术

快速成形技术又称快速原型制造技术（即RPM技术），诞生于上世纪80年代后期，是基于材料累加成形的一种高新制造技术，被认为是20世纪制造领域的一次革命性突破。据专家估计，它的发展速度比当年数控技术的发展更快。快速成形技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动和新材料等技术集于一体的先进技术，它的成形过程是：依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，再依不同工艺将不同的材料逐层叠加形成，从而得到三维实体产品。

虽然快速成形技术问世时间不长，但由于它对制造业带来的巨大效益使得这一技术的应用日益广泛，特别是给模具的设计与制造带来了一次飞跃。在各种包装制品的成型过程中，大量使用了各种不同的模具，比如注射模具、吸塑模具和纸浆模塑模具等等。由于快速原型制造（RPM）这一新技术的应用，使包装模具的设计与制造逐步趋向于数字化、快速化，使模具制造在缩短周期，降低成本的进程中，大大前进了一步。

三、结束语

模具先进制造技术种类繁多，几乎大部分的先进制造技术都可以应用到模具制造中，而且在不断发展之中，在此不可能尽数概述。从我国的国情出发，所有模具企业都尽快采用高速数控加工技术是不现实的，因为设备及技术装备费用昂贵。而适当采用相对廉价的面向快速制造的特种加工技术，而值得某些模具企业考虑。从不同角度讲，除了上述发展中的模具先进制造技术以外，还有模具反求工程技术(ReverseEngineering)、模具虚拟制造技术(VirtualManufacruring)、模具柔性制造技术(FMS)和模具集成制造技术(CIMS)等。而有人提出，下一代的先进制造技术采用可重构和可扩展的制造设备和系统、知识供应链和独立制造岛等。