模具加工中的特种加工技术应用

2013-04-17首都航天机械公司

金属加工(冷加工) 2013年9期

首都航天机械公司张昆

随着科学技术的发展、新材料的不断涌现，越来越多的模具采用了具有高强度、高硬度、高韧性、高脆性、耐高温等特殊性能的难加工材料，金属切削加工已经难以应对，传统的加工方法也难以再满足要求，以数控电火花加工为代表的特种加工技术解决了难加工材料的模具加工难题，以激光快速成形为代表的增材制造技术也为模具加工提供了新的加工方法。

1.数控电火花加工技术在现代模具制造中的应用

某些大型模具常规加工方法是退火后进行铣削加工，然后进行热处理、磨削加工，最后手工打磨、抛光等，加工周期很长。有些零件在热处理时由于结构的原因还可能导致变形，需要二次修整时由于硬度增加机械铣削加工有时反而无能为力。而数控电火花加工最突出的一个特点就是对材料硬度、热处理状态等没有要求，加工时所使用的工具电极材料一般为纯铜、石墨，可以实现“以柔克刚”。采用数控电火花加工淬火后的模具，既可以避免热变形的弊病，又能减少工序、提高模具强度与寿命，可谓一举多得。对于某些高温合金、钛合金类模具，常规机械加工刀具损耗比较严重，有时往往需要购买进口专用刀具，不但加工成本高，加工周期也很长，虽然数控电火花加工效率比常规机械加工要低，但是对于高温合金、钛合金类等难加工材料来说，数控电火花加工的综合成本有时反而会低于常规机械加工。这种情况下，采用数控电火花加工反而更具优势。

由于数控电火花加工时工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小，所以不存在机械加工后的应力释放问题，对于某些薄型模具来说，采用数控电火花加工或线切割加工是一个极好的选择。比如目前先进的慢走丝线切割机床可以使用的最小电极丝直径可以达到0.02mm，对于某些窄槽类模具可以直接切割成形，从而使零件加工走进了微观尺寸时代。而在以前，对于小于0.1mm的细窄槽，常规加工方法根本无能为力。

多轴联动精密数控电火花加工机床的出现使某些复杂结构的模具加工成为可能。比如某些深腔类复杂模具，以前一般采用分体模具加工，最后组合成型，或者采用复杂电极单轴加工完成，工艺设计比较复杂，所需工装较多。借助于三维软件的强大后处理功能，多轴联动精密数控电火花加工机床可以利用简单电极实现复杂的空间运动，大大简化了数控电火花加工模具的电极设计。比如，某些圆周均布结构，如果采用三轴数控电火花成形机则需要使用数控转台或工装旋转分度，而利用一台内置C轴的四轴联动精密数控电火花成形机则不需要任何工装，只需利用C轴旋转分度即可加工，大大降低了生产材料成本。

2.激光快速成形技术对模具设计、开发与制作的影响

激光快速成形技术，是增材制造技术的一种，一般形象地称之为3D打印技术，它的出现，改变了人们常规的模具设计、开发与制作观念。一般而言，模具的制造成本在整个制造过程中所占比例较大，同时也限制了产品设计的自由性。使用激光快速成形技术可以减少传统工艺对模具的依赖，同时也减少了对加工模具所需高精度机床的需求，可以快速进行低成本的单件小批量生产。

激光快速成形技术经过多年的发展，已经具备了工程化应用条件，市场上也有比较成熟的商品机出售，所用的材料既有塑料等非金属粉末也有钛合金等金属粉末。对于精度要求不高的金属模具，可以采用激光快速成形技术直接制造，然后采用喷丸、磨粒流加工等工艺进行表面光整，而对于精度较高的金属模具则可以采用激光快速成形技术制造再采用机械加工或数控电火花加工进行精密成型后处理。

有了3D打印技术，模具设计可以完全摆脱常规制造工艺的限制，设计人员可以发挥想象，进行完全面向对象的三维模型设计，经过简单的工艺处理，就可以很快地加工出模具来。激光快速成形技术的出现对模具设计将会带来革命性的变化，可以实现全定制化和个性化的设计与制造。比如以往设计一套模具为了装配的需要不得不拆分成多个零部件，为了联接还需要增加法兰、螺栓等，导致整套模具不但体积较大，结构也比较复杂。而有了激光快速成形技术则可以不必局限于此，采用激光选区熔化（简称SLM）技术可以将某些组合空腔、转轴结构直接一体成形；由于激光快速成形后的工件材料性能远优于铸件，加工精度也高于普通铸造，并且没有疏松、气孔等缺陷，对于某些复杂深腔类模具，常规工艺一般采用铸造、分模铣削、电火花加工等，工序多，周期长，采用激光快速成形技术可以直接成形；另外，有了激光快速成形技术可以优化模具设计，比如塑料制品的注塑模具，工艺上一般需要有冷却结构设计，常规的方法是根据模具结构单独设计，并且设计时要考虑加工、安装可行性，在冷却效果上也达不到理想的设计效果。对于设计者来说，如果根据模具形状能将冷却管路设计成螺旋结构、S形结构、交叉非对称网格结构等往往是最理想的，但是常规的制造技术往往难以实现，而采用激光快速成形可以很容易制造出来，利用此技术制造的模具在生产注塑产品时可以实现均匀冷却，产品质量也会大大提高。

随着科学技术的发展，3D打印技术将在今后的模具加工中会发挥出越来越重要的作用。尤其是现代社会节奏快，人们对新产品的要求高，新产品的开发周期越来越短，模具制造业面临越来越激烈的挑战，如何实现设计的快速响应是产品取得成功的关键。采用激光快速成形技术可以在很短的时间内将设计的模型变成产品，大大增强产品的竞争力。在产品设计初期，开发者可以采用3D技术直接制造产品进行测试，然后根据用户使用意见修改设计，完善后可以再次试制测试，这样可以大大缩短产品设计周期，等产品定型后就可以进行模具开发设计并实现批产，这样可以大大降低产品开发成本。