模具制造新技术应用前景

2020-07-09山西航天清华装备有限责任公司山西长治046012李晓波

金属加工(冷加工) 2020年6期

■ 山西航天清华装备有限责任公司（山西长治 046012）李晓波

高级技师李晓波

模具是现代工业生产中的重要工艺装备，广泛应用于机械制造、电子电器、汽车、航空航天、农业和国防等行业，被称为“工业之母”。借助模具生产能够达到节约材料、降低产品成本和提高生产效率的目的，尤其是在大批量的生产模式中，更能体现出它的优越性。随着社会的发展，生活水平的不断提高，人们逐渐对产品的性能、功能和外观有了更强、更全、更时尚的追求，意味着产品零部件向着更精巧、更轻便和更美观的方向发展，追本溯源，零部件的发展决定了模具的精密程度更高、结构更复杂以及使用寿命更长，对模具的制造技术提出了更高的要求。

随着现代工业技术的迅速发展，新材料、新设备及新工艺层出不穷，促使模具制造技术也发展得越来越快。

1. 数字化设计与制造技术

当今模具的发展趋势愈来愈趋向于高精度、功能多样化，模具结构也是愈来愈复杂，这对模具的设计提出了更高的要求。对于现在模具的高速发展态势，传统的设计手段就显得相形见绌了，需要有更高级的设计手段来适应模具的发展。

数字化设计与制造技术基于CAD/CAE/CAM软件技术，利用计算机软件来完成模具产品的设计与制造。它借助计算机软件的强大功能对模具的结构设计、加工参数等进行优化，对设计出的模具在显示器上进行直观的观察和修改调整，将最优的设计结果进行仿真并生成加工程序，传输到数控机床进行加工。相对于传统的设计方法，数字化设计能够有效地减少设计和制造周期、降低模具生产成本以及提高模具的制造精度。

虚拟制造技术是CAD/CAE/CAM软件技术发展的更高阶段。它融合了计算机仿真技术和虚拟现实技术，能够把模具从设计到制造，直至装配、检验的全过程，在计算机上全部模拟完成，根据设计出的模具产品模型，利用软件的强大功能，在计算机上模拟出实际加工过程以及各个零件最后装配过程中的情况，对加工或装配过程中出现的问题进行及时的修正，避免把问题带到实际生产中。虚拟制造技术最突出的特点，是能够模拟出模具最后装配的情况，不需要加工实体模型，利用计算机建造的虚拟环境，可视化地观察模具装配过程中各个零件的干涉情况，并及时进行修正。而传统模具装配过程中，必须用实体模型进行反复的修改和调试，耗费大量的人工和时间，有时还难免出现零件报废的情况，与之相较，虚拟制造技术的优势不言而喻。

2. 高硬度材料加工技术

现代模具追求高的使用寿命，以平衡其较高的制造成本，获得更高的性价比。使用高硬度材料来制造模具的关键零部件，是提高模具使用寿命最直接的方法。

高速切削技术（HSC）是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。高速切削技术基于高速切削理论，认为对于每一种零件材料，在常规的加工速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而升高，如果用远远超过常规切削速度范围的速度来加工的话，切削温度反而会降低。20世纪20年代末德国物理学家萨洛蒙博士首次提出高速切削加工的概念。借助于集成了高速电主轴、高速伺服系统、高精度的快速进给系统和高性能控制系统等先进技术的高速切削机床，配备硬质合金、聚晶金刚石（PCD）及聚晶立方氮化硼（PCBN）甚至陶瓷等新型材料刀具，高速切削可以加工硬度达60HRC甚至更高硬度材料的零件。因此，高速切削能直接加工经热处理硬化的工件，粗、半精和精加工只需要在机床上装夹一次即可完成，还能省去热处理后的电火花加工，简化了工件的工艺流程，节约生产成本。

不仅如此，得益于高速切削机床很高的主轴转速、进给速度和较小的切削力，高速切削具有很高的加工精度和加工效率。同常规切削方式相比，高速切削单位时间的材料切除率可提高3～6倍，而切削力却降低了30%左右，工件和刀具热变形都能得到有效控制，所以可以达到很高的加工精度和很小的表面粗糙度值，切削较硬材料时能达到表面粗糙度值Ra=0.2μm，切削较软材料也能达到Ra=0.4μm，对于某些工件来说，可以直接省去最后的修磨抛光工序。

高速切削技术具有诸多优点，在工业发达国家得到广泛的应用。高速切削技术在模具制造方面除了应用于高硬度材料模具型腔的直接加工外，在电火花加工（EDM）、快速样件制作和模具快速修复等方面也得到了大量应用。

电火花加工技术是适用于高硬度材料加工的另一项技术。其实电火花加工技术在模具制造中的应用历史比高速切削长得多。电火花加工原理是利用放电产生的电蚀作用蚀除需要去除的金属，直至达到需要的形状。电火花加工不同于一般的机械切削加工，它最大的特点是加工过程中没有切削力，只要能导电，几乎能加工任何硬度的材料，所以在高速切削技术出现以前的模具制造过程中，电火花加工技术在高硬度材料加工领域基本上是独领风骚。尽管高速切削技术近年来在一定程度上有取代电火花加工的趋势，但是受限于刀具的长度和直径等因素，所能加工的模具型腔底部圆角最小半径为0.3mm。在加工一些具有小深孔、尖角和窄槽等结构的复杂模具时，高速切削还是显得有些力不从心。另外，对于一些超硬材料，高速切削也很难加工。所以在一些小型精密注射模具或超硬材料工件的加工方面，电火花加工技术仍然占有一席之地。其实电火花加工技术从产生至今，并不是墨守成规地一成不变，尤其是近期，随着工业技术的不断创新发展，电火花加工也取得了长足的进步。现代的高精密电火花加工技术融合了标准化夹具快速精密定位、混粉加工法、摇动加工法以及多轴联动加工技术等多项先进的加工工艺，可以对复杂的模具型腔进行精密加工以及极小半径的清角加工，能够加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的精密表面，配备合适的工装和电极，甚至可以加工超硬材料零件的高精度内螺纹。

电火花创成加工是近年来兴起的一种加工技术，又被称为电火花铣削，它可以看做是电火花加工和精密多轴数控机床相结合的产物。与传统电火花加工必须使用与零件形状相适应的复杂电极不同，电火花创成加工只需要简单的电极（一般采用圆柱棒状电极），像铣刀一样在数控系统控制下按预设的轨迹来加工工件。电火花创成加工可以加工具有形状非常复杂的空间自由曲面而采用高硬度、高强度和高脆性等材料制作的模具。不过电火花创成加工对编程的要求较高，不仅要进行几何尺寸的编程，还要考虑不同加工条件下电火花顺利加工的工艺编程，比如电火花的电源参数等。

3. 快速成形技术

快速成形（RP）技术是20世纪90年代发展起来的一项先进技术，现在已经在发达国家的制造业中得到广泛应用。快速成形技术将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光技术、精密伺服驱动技术及新材料技术融为一体，其制造原理与传统的加工方法截然不同。快速成形技术属于“增材制造”。传统的加工方法是将大的毛坯一点一点削减为零件，而快速成形技术则是用原料一点一点堆积叠加形成零件。

根据成形原理和系统特点以及所用成形材料的不同，快速成形技术分为3DP喷墨技术、FDM熔融层积成形技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术和DLP激光成形技术等多种类型。尽管快速成形有多种技术类型，但它们的基本原理都一样，就是“分层制造、逐层叠加”，就像一台“立体打印机”，因此，形象地把快速成形称为“3D打印”技术。

快速成形技术在生产前期不需要准备刀具、工装等，它可以快速地将设计者的想法迅速转化为看得见、摸得着的三维样品，因此它非常适用于新模具投产之前的样品试制或小批量生产，这样可大幅提高产品开发的成功率，缩短新产品研发时间，降低模具的成本。如果利用网络将设在不同地点的设计系统与3D打印设备连接起来，还可以进行异地产品的打印。

快速成形技术制造的零件，力学和物理性能往往不能直接满足产品要求，需进行进一步的处理，通过精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极和陶瓷精密铸造等配套制造技术对其进行物理性质转换。现在已经出现了结合了锻造技术的3D打印技术，用这种技术制造的零件的物理性能将大幅提高。随着科技的发展，快速成形技术生产的零件直接应用于产品指日可待。