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现代模具制造技术及设备评述

摘要：通过对第十届中国国际模具技术和设备展览会中模具加工技术及关键设备、测量仪器、模具的 CAD/CAM技术等评述，介绍了现代模具制造技术的现状、特点和发展趋势。

关键词：加工中心 数控铣床 特种加工机床 数控雕刻机 测量仪器 模具 CAD/CAM/CAE技术

第十届中国国际模具技术和设备展览会（模展）于2004年5月12～16日在上海举行，本届模展展览面积超过35000ｍ2，共展出各种模具加工设备288台，精品、名品、新品精彩纷呈，展况空前。在模具制造技术及设备方面，国内外知名厂商都参加了展出，体现了模具制造技术的当代先进水平及其发展趋势，显示了模展的强大生命力，必将对我国模具工业发展起到积极的促进和推动作用。

本文就本届模展中的现代模具制造技术及关键设备进行评述。

一、加工中心与数控铣床

本届模展共展出各种加工中心和数控铣床60余台。分别来自瑞士、德国、意大利、美国、日本、西班牙和我国台湾省及香港地区的厂商，国内有部分机床厂产品参展。

展品仍以高速铣削机床（HSM）为主，国外展品全部是高速铣，国内只有合资和独资企业有来件组装或按国外图纸生产的高速铣展出 , 我国台湾厂商的高速铣多于上届。从总体上看本届展品的技术水平高于上届，表现在：多次展出的产品技术上更加成熟，首次展出的新产品技术水平更高。纵观参展产品都各有特色，由于不少展品在上届或前几届展出和评论过，现只对首次展出的新产品介绍如下：

德国的德马吉公司历来是展品最多的展商之一，本届共展出各种模具加工设备9台，其中加工中心6台，2台是首展。其一为 DMC 75V立式加工中心，该产品就是继上届展出的 DMC 64 之后进一步改进完善的X 、Y 、Z 三个坐标均由直线电机驱动的立式加工中心。 DMC 75V 立式加工中心 X 、 Y 、 Z 三个坐标行程为 750（ 885 ）/600/560 （ 600 ）mm ，主轴转速 18000 r/min ，主轴功率 35kw ，最大扭矩 119/85N.m ， X 、 Y 、 Z 三向快速进给均为 90m/min ，加速度 2g ，刀柄 SK63 ，刀库容量 30 把。该机床是专门针对模具行业开发的，机床立柱采用龙门结构， X 轴导轨在立柱上面， Y 轴在床身上，工作台前后移动时重心始终在导轨范围内。系统为 Heidenhain ITNC530 ，具有很价格突破3700元/吨快的处理速度。该机床还有五轴联动的派生产品，可借助主轴头的回转摆动与数控回转工作台实现五轴联动加工。为降低部件高速运动时的温升和热变形，该机床在三个运动部件上装有温度传感器，对温度进行监测和位置补偿。由于三轴速度匹配得当，故三维加工时切削进给速度可以达到 30 ～ 40 m/min ，并保持很高的加工精度。

另一台首展的是 DMC 60T 是一台高精度并有自适应功能的立式加工中心，是一个由模块化组成的系列，由 DMV 60/80/100 等机床组成。展出的 DMC 60T X 、 Y 、 Z 三个坐标行程为 630/560/560mm ，主轴电机 15kw ，主轴转速 12000 r/min ，刀柄 SK40 ，快速进给三轴均为 50m/min ，加速度 6m/s2。高速型为 24000 r/min ，最高 42000 r/min 。该机床还可以提供一种自适应功能软件 ATC ，这是用于模具加工工艺的一种专家系统，是针对“表面质量”、“精度”、“速度（效率）”三种加工目的而设置的专家系统软件，可帮助操作者优选最佳工艺参数，以实现最佳加工效果。

瑞士阿奇夏米尔公司是瑞士有名的电加工机床生产厂，这次除展出多台精密电火花机床外，同时还展出了一台高速铣削中心（ HSM ）。 2000 年瑞士生产精密机床的米克朗公司并入了该集团，这次展出的是米克朗公司并入该集团后开发的 HSM800 加工中心。从某种意义上体现了该集团的经营思想：模具加工的成套性。因为 EDM 和 HSM 两者是模具精加工不可或缺的加工设备。米克朗公司这次展出的 HSM800 主轴转速为 36000 r/min ，主轴功率为 32kw ，加工范围 X/Y/Z 为 800 电钻× 600 × 500mm ，承载 1000kg 是该系列最大的一种。

米克朗公司以生产精密机床著称，所开发的 HSM400U 获 2002 年度欧洲高速加工奖第一名。其产品能保证工件最佳精度的主要原因是：机床选用高阻尼材料作床身，从而使机床刚性和抗震性好。采取的主要措施有：封闭的 O 但是他们的价格也较高形龙门结构、人造大理石的床身、 Y-Z 溜板高强度的铸造结构、高速电主轴采用负载能力高、使用寿命长的陶瓷混合球轴承，并装有用于热补偿的温度传感器和矢量控制系统，以及安装在三轴上的精密光栅尺，以保证加工精度。另外电主轴还装有恒温水冷装置及高压喷射干式或湿式冷却剂的装置和良好的防护，保证高速加工时冷却剂不会泄漏。除上述结构上的保证外，为了使操作人员能根据加工主要目标优选出最佳工艺参数进行加工，从而达到最佳加工效果，米克朗公司开发了 Cyclone 专家系统 MCE 。该系统针对“短的加工时间”、“最高的精度”和“最佳的表面质量”这三个高速切削机床加工的目标而开发的。操作人员可通过三角形显示界面确定并设置参数，参数显示直观操作方便，故操作人员经短期培训即可掌握。例如主要目标是粗加工，效率当是关键，操作人员只需将加工时间设为最优先级，则专家系统将会放宽公差带，并在转角和曲线处只粗略的切出轮廓，机床会提供尽可能大的进给速度，从而获得高的切削效率。如果主要目标是精加工，其精度和表面质量是重点，若要求最高精度，则系统会为之设定较窄的公差带，同时进给传动机构在尖角和曲线处减速，以免过切，但在保证精度的前提下，仍尽可能采用最大进给速度。除此之外，米克朗公司还提供一个选择功能，即机床与连接的功能。在操作人员离岗，设备处于无人管理时，一旦有问题会自动通过向操作者报警。像这种有针对性地提供工艺软件的还有美国赫克（ Hurco ）公司，该公司提供的“提升速度控制软件 AVC ”和“表面加工软件 ASF ”，可自动选择曲面各点达到最好表面质量时的进给速度，从而加工出最好的表面。

日本牧野公司展出了包括电火花机床和数控磨刀机在内的 7 台机床，其中加工中心 3 台（ V22 、 V33 和 V56 ）。 V22 加工中心为首次展出，是一台小型立式加工中心。主轴电机 8.4kw, 转速 400 ～ 40000 r/min ，扭矩 2Nm ，进给速度 20m/mm ，适合于电极及淬硬钢小模具的高速精铣。 V33 上届展出过，并已做过简单介绍。 V56 工作台 550 × 1050mm ， X/Y/Z 三向行程为： 900 × 550 × 450mm ，承载重量 800kg ，主轴转速 20000 r/min ，最大进给速度 20m/mm ，主轴锥孔 7/24 40 号， HSK 为可选，主轴热变形量 ± 1 μ m ，主轴振幅小于 ± 2μ m ，在恒温条件下切园精度 0.004/250mm 。牧野机床高速加工效果好，如加工壳模，使用 Ra0.3mm 球头刀 , 主轴转速 20000 r/min ，进给速度 300mm/min ，加工材料硬度 HRC52, 加工表面粗糙度 Ra0.4 μ m ，且换刀无接刀痕。 V56 立式加工中心的结构设计采用龙门式立柱结构， X 向导轨置于立柱上方， Z 轴导轨置于 X 轴滑板上，使 Z 轴无悬臂现象，从而保证在全行程拉网头内的优异加工精度。 Y 轴在床身上，工作台前后移动时重心始终在导轨范围内，所以机床整体刚性好。主轴采用中心冷却和内压润滑系统及热变形补偿技术，可以最大限度降低机床热变形的影响。从而使 V56 机床即使长时间高速运转也可以保证加工工件的高精度。机床热稳定控制系统（选项）可以使冷却油流经立柱，从而降低立柱的热变形量。除此还有主轴载荷监控功能和牧野专家控制系统等。总之 V56 机床结构是针对高速铣削加工而精心设计制造的，十分适合模具高速加工。

特别值得一提的是德国科恩（ KERN ）公司生产的 HSPC2825 超高速精密小型加工中心（有加工实物样品，机床未参展），最高主轴转速 160000 r/min ，据称为世界之最。五轴五联动，定位精度 ± 1.0 μ m ，分辨率 0. 1μ m ，加工零件精度可达 ± 2 .0 μ m ，最高加工工件硬度为 HRC57 ，最小可加工 Ф 0.03mm 的小孔，能加工淬火钢、硬质合金、陶瓷材料，最佳表面粗糙度 Ra0.2 μ m ，刀具采用测量，可消除主轴高速旋转和静止时对刀具长度的影响。可加工硬质合金刀片模等各类精密小型模具。

这次五联动的加工中心展品多于上届，德马吉3、判定规则：展出 2 台，其余斯宾纳、海默、 ALZMETALL 及菲迪亚公司各展出 1 台，不少厂家在其样本资料中明确有五轴联动高速铣削机床供应。如米克朗公司、日本牧野公司以及西班牙德克雷亚公司等。这说明模具加工对五联动机床的需求日益增多，特别是三维型面加工的高速铣削只有保持刀具轴线与被加工型面间一定的倾角才能获得好的表面加工质量，因此需要五联动机床。

我国内地和台湾省厂商的加工中心和数控铣大都为普通结构，其主轴转速一般为 6000 ～ 8000 r/min 超过 10000 r/min 的展品不多。原因是传统结构的主机其刚性、精度及抗振性等均不适应高速铣削加工需要。展品中也有专为高速铣削设计的国产机床，但都是合资和外商独资企业的产品，如沈阳菲迪亚高速机床有限公司的 HS664 及 D165 高速立式加工中心完全是按 FIDIA 公司图纸制造并配用 FIDIACI 控制系统，还有德马吉公司在中国生产的 DMC64V 和 DMC63 高速立式加工中心，系统为西门子 810D 售价 89.99 万元。台湾厂商本次展出的高速铣床有冠德机械有限公司的 GT-66V S30B 立式加工中心，该机工作台面积 500 × 700mm ，主轴 20kw ，转速最高 30000 r/min ，采用水冷温控系统，快速进给 30m/min ，加速度分别为 X-0.8G, Y-0.9G,Z-1G 以上。机床结构布局于日本牧野 V56 相似，也是龙门型立柱，工作台在床身上做 Y 向运动等。台湾快捷机械股份有限公司展出的 GTV-96 高速立式加工中心，其主轴 24000 r/min ，功率 29kw ，切削进给速度 20m/min ，最高 40m/min （选项）， X/Y/Z 行程为 900/600/500mm 。 GTV-96 造型独特，立柱和床身铸为一体，且立柱三面呈“ 冂”型，在这一机身的顶面装有直线导轨，可移动的横梁在其上做 X运动，而Y向滑板沿横梁导轨运动，主轴箱滑体在Y轴滑板上运动的桥式结构，所以刚性较好。这种结构的机床工作台不动，所以承载能力大，占地面积小，机床各主要参数适合进行高速铣削。展机所切样件 粗糙度为 Ra0.8 μ m ，可以满足模具加工的需要。

从上述展品的特点中可知，适应高速铣削的机床不是主轴转速高就能进行高速铣削的，真正能做高速铣精加工的机床除主轴转速高、进给速度快、加速度大外，机床要高精度、高韧性、高阻尼及良好的抗振性，且运动部件发热少、热变形小、传动平稳等。这些要求一般只有新设计才好解决，在原有产品上改造很难实现。展出的高速铣削机床基本上是国外产品。国内还没有真正自主产权的 HSM ，虽然不少主机厂近年来也为模具加工开发了不少新产品，如：汉川机床有限公司展出的 XH714 、 715 等，但尚无高速铣削面世。而先进的日益成熟的高速铣削加工技术已在模具制造中引起越来越广泛的关注，这项技术也是现代机械加工业值得推广的一项高新技术，希望我国机床制造厂能早日开发出具有自主产权的 HSM 及数控铣床，为提升我国模具制造的总体技术水平服务。

二、特种加工机床

本届模展中用于模具加工的特种加工机床主要是电火花线切割加工机床展品（ WEDM ）、电火花成型加工机床（ SEDM ）、高速小孔电火花加工机床（ HSEDM ）、快速成型机床（ RPM ）等。根据现场统计，本届模展共展出特种加工机床 128 台，其中国内的低速走丝电火花线切割机床（ LSWEDM ）约 13 台，国内的数控电火花成型机床（ NCSEDM ）及普通电火花成型机床（ SEDM ）约 47 台，国内的 HSEDM 约 15 台，其它 1 台，国外的低速走丝电火花线切割机床（ LSWEDM ）约 9 台，数控电火花成型机床（ NCSEDM ）约 6 台，精密微细电火花加工机 1 台， HSEDM 1 台、快速成型机床（ RPM ） 5 台。特种加工机床参展的规模之大、数量之多、品种之全，参展厂商之踊跃，充分证明特种加工机床在模具制造业的重要地位和作用。

1、电火花线切割加工机床—以割代磨的时代即将到来

我国年产 HSEDM 约 25000 台，市场较大。这次参展的苏州沙迪克三光机电有限公司、苏州金马机械电子有限公司、苏州新火花机床有限公司、杭州机床集团、北京市电加工研究所、杭州华方数控机床有限公司、泰州冬庆数控机床有限公司、江苏三星机械制造有限公司、上海汇盛机电有限公司、上海大量电子设备有限公司、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司的产品等都有一定的技术进步。例如：上海大量电子设备有限公司参展的 TP 系列机床采用超短程往复走丝模式，可加工出无黑白条纹、色泽均匀的工件，研制的耐磨性导向装置，能进行精度为 ± 0.006mm 较高精度加工，据该公司介绍，机床还能进行多次切割，以提高加工精度，改善表面粗糙度（ Ra ≤ 1 μ m ）；又例如，泰州冬庆数控机床有限公司生产的 DK7780Z 机床，采用了大偏距单立柱设计， U 、 V 轴大行程锥度装置，上出式偏置伸缩摆杆组件等关键技术，实现了切割厚度 250mm 时锥度为 60 ° ，切割厚度 600mm 时锥度为 30 °的 大厚度大锥度切割，为国内领先水平等等。但是总体来说， HSWEDM 目前很难实现高精度加工，模具的精密加工还要依靠 LSWEDM 来完成。

我国的 LSWEDM 近几年来已有长足的进步，本届模展中也能充分的体现我国 LSWEDM 的水平。目前，具有代表性的北京阿奇夏米尔工业电子有限公司、苏州沙迪克三光机电有限公司、汉川机床有限公司、苏州电加工机床研究所等企业，所生产的 LSWEDM 其加工工艺水平为：最大切割速度 150 ～ 250mm 2 /min ，加工精度 0.005 ～ 0.01mm ，最佳表面粗糙度 Ra0.5 ～ 0.8 μ m ，基本功能齐备，有的还具有无电解电源。在这次模展上，新出现生产 LSWEDM 的厂商有：杭州机床集团、杭州瑞鹏机电有限公司、上海京美电脑机械有限公司等，预计还有一些企业将进入 LSWEDM 的开发生产行列。说明我国 LSWEDM 市场前景看好。但是我国的 LSWEDM 与国外先进水平的 LSWEDM 相比还有较大差距，能真正用于模具精密加工以实现以割代磨的还是国外高水平的 LSWEDM 。

本届模展，国外一些知名厂商都有 LSWEDM 展出，代表了当今 LSWEDM 的先进水平。例如日本沙迪克公司的 AQ550L 、 AQ325L 以及加工精度更高的 AP200L 等；日本三菱公司的 FA20S （大连生产）、 FA20V （日本生产），其中 FA20V 利用 Ф 0.36mmV 型高速丝，其最大切割速度可达 500mm 2 /min ，利用 SL 控制功能，提高了加工精度，直线度为 2 μ m ，转角精度 1 μ m ，（未注工件尺寸）；日本牧野展出的 SP43 ，在异型切割时，经三次切割、平均切割速度 94 mm 2 /min ， Ra0.5 μ m ；瑞士阿奇夏米尔公司展出 ROBOFIL380 、 AGIE CUT PRDGRESS 。该公司的 CC 电源机床，在切割厚度为 60mm 的异型工件时，切割速度可达 400 mm 2 /min ，在精加工时，加工精度为 ± 2 μ m ， Ra 旋切机≤ 0.2 μ m ，变质层亚麻脚垫 ≤ 1μ m 。该公司首次展出的 PRDGRESS 机床，最大切割速度为 500 mm 2 /min ，开发的 e-CUT 新型电源，在一次切割的情况下其表面粗糙度可达 Ra ≤ 0.8 μ m ，切割速度为 300 mm 2 /min ，减少了多次切割次数，使整体切割效率与没有 e-CUT 新型电源相比，提高 200% ，而且减少了滤芯、树脂及电极丝的消耗。该机床精加工的轮廓精度为 3 μ m ，最小 Ra ≤ 0.2 μ m 。

在这次展览会的技术讲座上，瑞士阿奇夏米尔公司介绍的 AGIE CUT VERTEX LSWEDM 是一台国际领先水平的高精度机床。机床处于封闭的恒温（ 20 ℃± 1°）状态下工作，具有双丝切割交换系统（相当于电极库），进行全自动穿丝，细丝切割为 Ф 0.02mm 。可实现轮廓精度 1 ～ 2 μ m ， Ra ≤ 0.05 μ m ，转角精度 ≤ 1μ m 的精密加工。例如：加工高 30mm 钢冲头， Ra0.051 μ m ，直线度 ± 1μ m ，轮廓精度 T f

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