模具加工中的特種加工技術(shù)應(yīng)用

首都航天機(jī)械公司 張 昆

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料的不斷涌現(xiàn)，越來(lái)越多的模具采用了具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性、耐高溫等特殊性能的難加工材料，金屬切削加工已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)，傳統(tǒng)的加工方法也難以再滿(mǎn)足要求，以數(shù)控電火花加工為代表的特種加工技術(shù)解決了難加工材料的模具加工難題，以激光快速成形為代表的增材制造技術(shù)也為模具加工提供了新的加工方法。

1.數(shù)控電火花加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制造中的應(yīng)用

某些大型模具常規(guī)加工方法是退火后進(jìn)行銑削加工，然后進(jìn)行熱處理、磨削加工，最后手工打磨、拋光等，加工周期很長(zhǎng)。有些零件在熱處理時(shí)由于結(jié)構(gòu)的原因還可能導(dǎo)致變形，需要二次修整時(shí)由于硬度增加機(jī)械銑削加工有時(shí)反而無(wú)能為力。而數(shù)控電火花加工最突出的一個(gè)特點(diǎn)就是對(duì)材料硬度、熱處理狀態(tài)等沒(méi)有要求，加工時(shí)所使用的工具電極材料一般為純銅、石墨，可以實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”。采用數(shù)控電火花加工淬火后的模具，既可以避免熱變形的弊病，又能減少工序、提高模具強(qiáng)度與壽命，可謂一舉多得。對(duì)于某些高溫合金、鈦合金類(lèi)模具，常規(guī)機(jī)械加工刀具損耗比較嚴(yán)重，有時(shí)往往需要購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口專(zhuān)用刀具，不但加工成本高，加工周期也很長(zhǎng)，雖然數(shù)控電火花加工效率比常規(guī)機(jī)械加工要低，但是對(duì)于高溫合金、鈦合金類(lèi)等難加工材料來(lái)說(shuō)，數(shù)控電火花加工的綜合成本有時(shí)反而會(huì)低于常規(guī)機(jī)械加工。這種情況下，采用數(shù)控電火花加工反而更具優(yōu)勢(shì)。

由于數(shù)控電火花加工時(shí)工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小，所以不存在機(jī)械加工后的應(yīng)力釋放問(wèn)題，對(duì)于某些薄型模具來(lái)說(shuō)，采用數(shù)控電火花加工或線(xiàn)切割加工是一個(gè)極好的選擇。比如目前先進(jìn)的慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床可以使用的最小電極絲直徑可以達(dá)到0.02mm，對(duì)于某些窄槽類(lèi)模具可以直接切割成形，從而使零件加工走進(jìn)了微觀尺寸時(shí)代。而在以前，對(duì)于小于0.1mm的細(xì)窄槽，常規(guī)加工方法根本無(wú)能為力。

多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床的出現(xiàn)使某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具加工成為可能。比如某些深腔類(lèi)復(fù)雜模具，以前一般采用分體模具加工，最后組合成型，或者采用復(fù)雜電極單軸加工完成，工藝設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，所需工裝較多。借助于三維軟件的強(qiáng)大后處理功能，多軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花加工機(jī)床可以利用簡(jiǎn)單電極實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了數(shù)控電火花加工模具的電極設(shè)計(jì)。比如，某些圓周均布結(jié)構(gòu)，如果采用三軸數(shù)控電火花成形機(jī)則需要使用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)或工裝旋轉(zhuǎn)分度，而利用一臺(tái)內(nèi)置C軸的四軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)則不需要任何工裝，只需利用C軸旋轉(zhuǎn)分度即可加工，大大降低了生產(chǎn)材料成本。

2.激光快速成形技術(shù)對(duì)模具設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與制作的影響

激光快速成形技術(shù)，是增材制造技術(shù)的一種，一般形象地稱(chēng)之為3D打印技術(shù)，它的出現(xiàn)，改變了人們常規(guī)的模具設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與制作觀念。一般而言，模具的制造成本在整個(gè)制造過(guò)程中所占比例較大，同時(shí)也限制了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自由性。使用激光快速成形技術(shù)可以減少傳統(tǒng)工藝對(duì)模具的依賴(lài)，同時(shí)也減少了對(duì)加工模具所需高精度機(jī)床的需求，可以快速進(jìn)行低成本的單件小批量生產(chǎn)。

激光快速成形技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了工程化應(yīng)用條件，市場(chǎng)上也有比較成熟的商品機(jī)出售，所用的材料既有塑料等非金屬粉末也有鈦合金等金屬粉末。對(duì)于精度要求不高的金屬模具，可以采用激光快速成形技術(shù)直接制造，然后采用噴丸、磨粒流加工等工藝進(jìn)行表面光整，而對(duì)于精度較高的金屬模具則可以采用激光快速成形技術(shù)制造再采用機(jī)械加工或數(shù)控電火花加工進(jìn)行精密成型后處理。

有了3D打印技術(shù)，模具設(shè)計(jì)可以完全擺脫常規(guī)制造工藝的限制，設(shè)計(jì)人員可以發(fā)揮想象，進(jìn)行完全面向?qū)ο蟮娜S模型設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的工藝處理，就可以很快地加工出模具來(lái)。激光快速成形技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)模具設(shè)計(jì)將會(huì)帶來(lái)革命性的變化，可以實(shí)現(xiàn)全定制化和個(gè)性化的設(shè)計(jì)與制造。比如以往設(shè)計(jì)一套模具為了裝配的需要不得不拆分成多個(gè)零部件，為了聯(lián)接還需要增加法蘭、螺栓等，導(dǎo)致整套模具不但體積較大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。而有了激光快速成形技術(shù)則可以不必局限于此，采用激光選區(qū)熔化（簡(jiǎn)稱(chēng)SLM）技術(shù)可以將某些組合空腔、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)直接一體成形；由于激光快速成形后的工件材料性能遠(yuǎn)優(yōu)于鑄件，加工精度也高于普通鑄造，并且沒(méi)有疏松、氣孔等缺陷，對(duì)于某些復(fù)雜深腔類(lèi)模具，常規(guī)工藝一般采用鑄造、分模銑削、電火花加工等，工序多，周期長(zhǎng)，采用激光快速成形技術(shù)可以直接成形；另外，有了激光快速成形技術(shù)可以?xún)?yōu)化模具設(shè)計(jì)，比如塑料制品的注塑模具，工藝上一般需要有冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常規(guī)的方法是根據(jù)模具結(jié)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)時(shí)要考慮加工、安裝可行性，在冷卻效果上也達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，如果根據(jù)模具形狀能將冷卻管路設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)、S形結(jié)構(gòu)、交叉非對(duì)稱(chēng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等往往是最理想的，但是常規(guī)的制造技術(shù)往往難以實(shí)現(xiàn)，而采用激光快速成形可以很容易制造出來(lái)，利用此技術(shù)制造的模具在生產(chǎn)注塑產(chǎn)品時(shí)可以實(shí)現(xiàn)均勻冷卻，產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)大大提高。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)將在今后的模具加工中會(huì)發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。尤其是現(xiàn)代社會(huì)節(jié)奏快，人們對(duì)新產(chǎn)品的要求高，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，模具制造業(yè)面臨越來(lái)越激烈的挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)是產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵。采用激光快速成形技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)將設(shè)計(jì)的模型變成產(chǎn)品，大大增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，開(kāi)發(fā)者可以采用3D技術(shù)直接制造產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)用戶(hù)使用意見(jiàn)修改設(shè)計(jì)，完善后可以再次試制測(cè)試，這樣可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，等產(chǎn)品定型后就可以進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)，這樣可以大大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

3.結(jié)語(yǔ)

數(shù)控電火花加工技術(shù)比較成熟，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于模具加工中，在某些模具加工中比常規(guī)方法更具優(yōu)勢(shì)；激光快速成形技術(shù)由于在成形精度方面還不能滿(mǎn)足模具的加工要求，目前主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，相信隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷進(jìn)步，未來(lái)肯定會(huì)在模具加工領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。