数控加工

探索重塑模具生产的数控技术最新进展

12 月 30, 2024

从整合人工智能和大数据到引入先进制造方法，数控技术在不断快速创新。本文讨论了随着快速成型制造和集成工厂自动化等技术的兴起，数控技术的未来。业内专家就创新如何优化流程和最大限度地提高精密模具成果发表了自己的看法。

用于模具生产的先进 CNC 技术：精度和效率

本文探讨了如何数控机床工作，其在各个领域的应用，以及主要优势，如提高质量、速度和成本效益。报告还讨论了数控技术的进步，这些进步正在增强数控技术的能力，以及数控技术在现代制造业中的作用。

数控机床在模具制造中的工作原理

数控机床大大改进了模具的制造工艺。数控和计算机软件控制着这些机器的运行，否则它们就像一台自动机器......这样就可以根据数字设计和规格快速、精确地制造模具。

它运行一个程序，控制数控机床中切削工具的运动和使用。该程序由产品模具的 3D 计算机辅助设计 (CAD) 文件生成。然后，我们将文件转换为数控机床可理解的 G 代码。

精度和准确性

数控机床的运行精度和可重复性非常高。切削工具的所有动作都经过精确编程，精确到几分之一毫米。
尤其是在生产线上进行常规操作时，人工操作很难达到这样的精度。因此，只有 CNC 操作由于可以很好地满足所需的规格要求，因此可以制造出精度和表面光洁度都很高的模具。

速度和效率

与传统加工相比，数控加工的速度要快得多，因为它在生产过程中实现了全自动操作。一旦设定好，机器就能自动运行，以更高的转速精确加工复杂的形状......与手工加工方法相比，这大大提高了生产效率，降低了劳动力成本。以前需要数周才能完成的复杂模具，现在使用 CNC 只需几天就能完成。

模具数控加工的优势

成本效益

通过简化加工流程，数控制造在多个方面为模具制造商降低了成本。生产速度快，劳动力成本低。减少材料浪费，降低材料成本。减少抛光和清洁等加工后工序，节省二次加工费用。与多台传统机床相比，整体设备支出更低。所有这些因素都有助于实现极具成本效益的模具生产。数控技术.

灵活性和定制化

数控加工为设计师和工程师定制模具提供了更大的灵活性。通过软件工具可以快速更改设计和制作原型。新模具或修改过的模具可以很容易地在数控机床上编程和生产。这使得设计迭代更快，有助于更快地将产品推向市场。数控机床的灵活性满足了需要定制或小批量生产模具的行业的需求。

精密模具数控技术的进步

自 50 年代初数控机床（NC）问世以来，数控机床（NC）得到了长足发展。人工智能和传感器等现代工艺帮助数控机床在精确、高效地生产关键模具零件方面更进一步。

整合人工智能和机器学习

机器工具正越来越多地采用基于人工智能的解决方案，其中使用了机器学习算法。机器上的传感器不断提供运行数据，通过分析这些数据来提高性能。人工智能可在故障发生前检测到异常情况或部件磨损，从而实现预测性维护。人工智能还能优化加工流程、刀具路径、切削参数和机床操作，根据以往工作的经验最大限度地提高效率。一些高端数控系统甚至可以利用人工智能对复杂零件进行自主设置和加工，只需极少的人工干预。

传感器技术的改进

先进的传感器推动了过程监控和质量控制的重大改进。利用非接触式探头和高分辨率视觉系统进行机内计量，可对关键特征进行过程检测，达到微米级公差。热传感器和扭矩传感器可提供切削力和刀具/工件温度的实时数据。这些传感器有助于及早发现错误，确保工艺参数保持在规范范围内。来自多个传感器的数据被集成在一起，从而实现超出单人能力范围的全面过程监控功能。

自动化的进步

模块化自动换枪盘、工件装载/卸载系统、棒料送料器和流体管理系统增强了加工中心的能力。多托盘机床可在托盘之间自动处理工件，实现长时间无人化生产。集成测量机可在加工的同时进行检测，实现闭环质量监控。协作机器人可辅助人类操作员完成装配、打磨和抛光等任务。这种自动化水平可实现复杂的协调流程，包括多个顺序设置和精密工具部件的多品种小批量生产。

随着技术的飞速发展，数控技术的未来将是一个全数字化、自动化和智能化的加工单元。数控技术的进步将推动各行各业进一步提高制造关键模具部件的精度、生产率、灵活性和零件质量。人工智能、大数据分析、新一代传感器和无缝自动化的整合，将使数控技术成为即将到来的工业 4.0 驱动型制造时代的关键技术。

总而言之数控机床由于现代技术的融合，数控加工技术得到了极大的发展，提高了模具和其他关键部件的精密制造能力。数控技术的进步，包括人工智能、机器学习、传感器技术和自动化，正在将数控加工的生产率、质量和灵活性推向新的高度，以满足现代制造业不断提高的需求。

数控加工在模具生产中的优势

计算机数控（CNC）加工已成为生产冲压、注塑和锻造等精加工金属成型模具应用的首选工艺。与传统的模具制造技术相比，数控机床在高效、稳定地生产复杂模具设计方面具有几大优势。

确保复杂模具设计的精度

模具通常具有复杂的三维几何形状和严格的尺寸公差。数控加工通过精密的主轴旋转和刀具定位，可将公差控制在微米以内。自动化加工过程可确保按照 CAD/CAM 程序的规定精确加工出复杂的细节和小特征。这种精度水平是手工加工难以达到的，尤其是对于具有复杂内腔和公差范围较小的设计。

提高生产率，缩短交付周期

数控机床可以在无人值守的情况下，按照预先编程的自主刀具路径和周期，全天候快速加工复杂的模具部件。与人工控制的机器相比，这大大提高了生产率。自动换刀实现了不间断加工。由于编程设置时间极短，交货时间也大大缩短。与传统加工的 4-6 周相比，现在只需 1-2 周即可交付模具的生产版本。

减少浪费，优化材料使用

CAM 软件可精确规划刀具路径和刀具选择，以最少的切削次数加工出接近净形的零件。这种优化的加工工艺可实现极低的金属去除率和切屑产生率。通过高效的粗加工和精加工循环，最大限度地提高了材料利用率。由于消除了手工过度加工和精加工工序，产生的废料与旧方法相比微乎其微。

模具质量的一致性

数控加工的重复精度可达千分之一毫米。与依靠人工操作机器和容易出现人为错误的传统方法相比，数控机床加工的模具具有统一的精密轮廓。精确控制的加工参数可确保在给定产量下一次又一次加工的模具具有一致的表面光洁度。更严格的公差减少了废品和返工。

总之，数控系统的自动化流程能够快速、高效、精确地生产出符合严格标准的复杂金属成型模具。这不仅降低了成本，还能在数字化制造所要求的极具挑战性的时限内生产出高质量的模具，从而增强了模具制造商的竞争力。数控系统的可重复性已成为模具制造不可或缺的一部分。

克服数控模具制造中的挑战

虽然数控加工具有精度和自动化优势，但在复杂模具的生产中仍存在一些挑战。模具制造商正在不断创新，以克服这些障碍。

公差要求严格的复杂模具设计

复杂的模具细节和较小的公差规格要求数控机床的能力。配备先进控制器硬件/软件的多轴机床最大限度地提高了复杂内部特征的刀具可及性。小型球鼻铣刀等新型刀具扩大了可加工几何形状的范围。细间距刀具路径策略可保持尖角和小孔的公差。

数控机床和熟练劳动力成本高昂

随着时间的推移，产量的提高会抵消前期的巨额投资成本。结合铣削和车削的多任务机床可减少夹具更换。模块化自动化单元最大限度地提高了单台机床的利用率。培训计划有助于满足对精通 CNC 技术人员的需求。部分模具工作外包给拥有高级设备的机械厂。

大型模具的尺寸限制

超过机器工作包络面的模具需要使用多个设置/夹具进行断面构建。平行运动机器人可在较大的工作区内保持刚性。新型龙门式轧机可加工长度接近 10 米的模具。一些特殊车间使用 25-30 英尺床身铣床。

难以加工的材料

淬硬钢和特殊合金（如铬镍铁合金）是一项挑战。现代 CNC 与新型硬质合金刀片和涂层相配合，能够高效加工韧性合金。加工模拟可优化参数。电火花加工（EDM）等非常规加工方法可作为 CNC 的补充。

通过不断创新，数控技术仍将是要求精确度和可重复性的复杂模具的首选制造方法。克服这些不断变化的挑战将确保数控技术继续为模具制造商提供高质量、高生产率和低成本的产品。

特定行业中的数控应用

计算机数控（CNC）加工在各行各业都发挥着至关重要的作用，它可以精确制造工具、模具和其他关键部件。以下是一些关键的 CNC 应用：

汽车模具和模具

汽车行业在很大程度上依赖冲压、铸造和注塑等金属成型工艺来生产车身面板、装饰件和功能部件。数控加工对于制造这些工艺中使用的复杂钢模和铝模至关重要。严格的公差可确保组装汽车零件的质量和配合。

航空航天工具组件

生产飞机需要能按照航空航天认证标准制造复杂发动机和机身部件的工具。轻质复合材料非常重要，需要在先进的多轴数控机床上加工出精确的模具和铺层工具。航空航天还需要使用数控机床制造夹具和装配工具。

医疗器械成型

骨科植入物、手术工具和导管组件等设备的制造需要在专用数控机床上加工模具和模板。生物兼容性要求和微米级精度至关重要。遵守规范的质量体系可确保成品模制医疗部件的无菌性和尺寸精度。

消费品包装模具

塑料成型在从食品、饮料到化妆品等各种消费品的包装中发挥着关键作用。通过数控技术，可以快速生产 EPS、聚丙烯和其他具有现代包装设计所需复杂底切的成型模具。一致的模具能以高速生产率提供统一的包装，同时最大限度地减少材料用量。

所有这些行业的共同点都是依靠数控技术来精确加工工具和模具，从而生产出关键的最终使用部件。因此，数控技术的进步通过提高生产规模的精度和可重复性，影响着无数重要的制造行业。

模具数控技术的未来

在工业 4.0 趋势的推动下，计算机数控技术继续快速发展。专家们预计，未来数控机床及其在精密模具生产中的作用将朝着几个创新方向转变。

工厂综合自动化

数控单元将无缝集成到未来全自动和数字连接的 "熄灯 "工厂中。机器将通过机器人技术自主装载/卸载材料，并作为自动导引车系统的一部分进行无线通信。实时数据分析将优化所有资产的生产，实现大规模定制。

为特定需求量身定制的机器

刀具制造商将通过大容量刀库、贯通主轴、6/7 轴和专用切削刀具等模块化附加组件来定制标准数控平台。这将为航空航天和医疗等复杂行业提供最佳配置。这种专门定制的系统可以处理难加工的材料，同时确保加工过程的一致性。

模具生产中的快速成型技术

3D 打印技术将通过制造模具原型此外，我们还将使用增材制造技术，生产出各种图案和专用工具插件。复杂的内部冷却通道和保形冷却电路将采用快速打印技术，以优化零件质量。某些涉及复杂几何形状的模具制造步骤将从铣削完全过渡到三维打印，以节省材料。

远程操作和预测性维护

人工智能驱动的机器人技术和增强/虚拟现实技术将实现远程数控监控和操作。分析机器信号的预测算法将安排维护，避免故障。数字孪生模拟将在不中断生产的情况下虚拟诊断和解决工艺问题。世界各地的操作员将监督自动化生产单元。

未来将是一个全新的时代，一个针对模具行业需求进行优化的定制化、数据驱动和自主集成的数控平台时代。先进的技术将进一步提高生产能力，提供灵活性，最大限度地延长资产的正常运行时间，同时降低人为干预的风险。

结论

计算机数控技术彻底改变了精密工具的制造和使用。模具制造自 20 世纪 50 年代问世以来，数控机床已成为世界上最先进的加工设备之一。数控加工实现了高度自动化和灵活的制造模式，对于满足汽车和医疗等行业的定制化、小批量生产需求至关重要。通过不断整合机器自动化、基于人工智能的流程优化、先进传感器和快速成型制造等领域的创新技术，数控加工技术得到了长足发展。

随着我们向工业 4.0 过渡，数字孪生模拟和 AR/VR 将优化数控加工单元，以实现最高效率。随着数控技术的发展，先进的机床将为特殊应用和难加工材料量身定制，并与机器人和 AGV 相集成，促进未来工厂的自动化 "熄灯 "生产。由机器学习驱动的预测性维护将最大限度地减少停机时间。越来越多地使用三维打印专用工具组件也有望提高工艺水平。

数控系统灵活而精确的能力仍将是模具生产不可或缺的一部分。数控技术的进一步发展必将继续解决新的生产挑战，推动这一关键制造技术的发展。数控技术的未来将是无缝集成、数据驱动和定制解决方案的未来。