模具制造新技術(shù)應(yīng)用前景

■ 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （山西長(zhǎng)治 046012） 李曉波

高級(jí)技師 李曉波

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子電器、汽車、航空航天、農(nóng)業(yè)和國(guó)防等行業(yè)，被稱為“工業(yè)之母”。借助模具生產(chǎn)能夠達(dá)到節(jié)約材料、降低產(chǎn)品成本和提高生產(chǎn)效率的目的，尤其是在大批量的生產(chǎn)模式中，更能體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們逐漸對(duì)產(chǎn)品的性能、功能和外觀有了更強(qiáng)、更全、更時(shí)尚的追求，意味著產(chǎn)品零部件向著更精巧、更輕便和更美觀的方向發(fā)展，追本溯源，零部件的發(fā)展決定了模具的精密程度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜以及使用壽命更長(zhǎng)，對(duì)模具的制造技術(shù)提出了更高的要求。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，新材料、新設(shè)備及新工藝層出不窮，促使模具制造技術(shù)也發(fā)展得越來(lái)越快。

1. 數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

當(dāng)今模具的發(fā)展趨勢(shì)愈來(lái)愈趨向于高精度、功能多樣化，模具結(jié)構(gòu)也是愈來(lái)愈復(fù)雜，這對(duì)模具的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于現(xiàn)在模具的高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段就顯得相形見(jiàn)絀了，需要有更高級(jí)的設(shè)計(jì)手段來(lái)適應(yīng)模具的發(fā)展。

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)基于CAD/CAE/CAM軟件技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。它借助計(jì)算機(jī)軟件的強(qiáng)大功能對(duì)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)出的模具在顯示器上進(jìn)行直觀的觀察和修改調(diào)整，將最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真并生成加工程序，傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，數(shù)字化設(shè)計(jì)能夠有效地減少設(shè)計(jì)和制造周期、降低模具生產(chǎn)成本以及提高模具的制造精度。

虛擬制造技術(shù)是CAD/CAE/CAM軟件技術(shù)發(fā)展的更高階段。它融合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠把模具從設(shè)計(jì)到制造，直至裝配、檢驗(yàn)的全過(guò)程，在計(jì)算機(jī)上全部模擬完成，根據(jù)設(shè)計(jì)出的模具產(chǎn)品模型，利用軟件的強(qiáng)大功能，在計(jì)算機(jī)上模擬出實(shí)際加工過(guò)程以及各個(gè)零件最后裝配過(guò)程中的情況，對(duì)加工或裝配過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的修正，避免把問(wèn)題帶到實(shí)際生產(chǎn)中。虛擬制造技術(shù)最突出的特點(diǎn)，是能夠模擬出模具最后裝配的情況，不需要加工實(shí)體模型，利用計(jì)算機(jī)建造的虛擬環(huán)境，可視化地觀察模具裝配過(guò)程中各個(gè)零件的干涉情況，并及時(shí)進(jìn)行修正。而傳統(tǒng)模具裝配過(guò)程中，必須用實(shí)體模型進(jìn)行反復(fù)的修改和調(diào)試，耗費(fèi)大量的人工和時(shí)間，有時(shí)還難免出現(xiàn)零件報(bào)廢的情況，與之相較，虛擬制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不言而喻。

2. 高硬度材料加工技術(shù)

現(xiàn)代模具追求高的使用壽命，以平衡其較高的制造成本，獲得更高的性價(jià)比。使用高硬度材料來(lái)制造模具的關(guān)鍵零部件，是提高模具使用壽命最直接的方法。

高速切削技術(shù)（HSC）是近十年來(lái)迅速崛起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削技術(shù)基于高速切削理論，認(rèn)為對(duì)于每一種零件材料，在常規(guī)的加工速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增加而升高，如果用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)切削速度范圍的速度來(lái)加工的話，切削溫度反而會(huì)降低。20世紀(jì)20年代末德國(guó)物理學(xué)家薩洛蒙博士首次提出高速切削加工的概念。借助于集成了高速電主軸、高速伺服系統(tǒng)、高精度的快速進(jìn)給系統(tǒng)和高性能控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的高速切削機(jī)床，配備硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（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達(dá)60HRC甚至更高硬度材料的零件。因此，高速切削能直接加工經(jīng)熱處理硬化的工件，粗、半精和精加工只需要在機(jī)床上裝夾一次即可完成，還能省去熱處理后的電火花加工，簡(jiǎn)化了工件的工藝流程，節(jié)約生產(chǎn)成本。

不僅如此，得益于高速切削機(jī)床很高的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和較小的切削力，高速切削具有很高的加工精度和加工效率。同常規(guī)切削方式相比，高速切削單位時(shí)間的材料切除率可提高3～6倍，而切削力卻降低了30%左右，工件和刀具熱變形都能得到有效控制，所以可以達(dá)到很高的加工精度和很小的表面粗糙度值，切削較硬材料時(shí)能達(dá)到表面粗糙度值Ra=0.2μm，切削較軟材料也能達(dá)到Ra=0.4μm，對(duì)于某些工件來(lái)說(shuō)，可以直接省去最后的修磨拋光工序。

高速切削技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。高速切削技術(shù)在模具制造方面除了應(yīng)用于高硬度材料模具型腔的直接加工外，在電火花加工（EDM）、快速樣件制作和模具快速修復(fù)等方面也得到了大量應(yīng)用。

電火花加工技術(shù)是適用于高硬度材料加工的另一項(xiàng)技術(shù)。其實(shí)電火花加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用歷史比高速切削長(zhǎng)得多。電火花加工原理是利用放電產(chǎn)生的電蝕作用蝕除需要去除的金屬，直至達(dá)到需要的形狀。電火花加工不同于一般的機(jī)械切削加工，它最大的特點(diǎn)是加工過(guò)程中沒(méi)有切削力，只要能導(dǎo)電，幾乎能加工任何硬度的材料，所以在高速切削技術(shù)出現(xiàn)以前的模具制造過(guò)程中，電火花加工技術(shù)在高硬度材料加工領(lǐng)域基本上是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。盡管高速切削技術(shù)近年來(lái)在一定程度上有取代電火花加工的趨勢(shì)，但是受限于刀具的長(zhǎng)度和直徑等因素，所能加工的模具型腔底部圓角最小半徑為0.3mm。在加工一些具有小深孔、尖角和窄槽等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜模具時(shí)，高速切削還是顯得有些力不從心。另外，對(duì)于一些超硬材料，高速切削也很難加工。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，電火花加工技術(shù)仍然占有一席之地。其實(shí)電火花加工技術(shù)從產(chǎn)生至今，并不是墨守成規(guī)地一成不變，尤其是近期，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，電火花加工也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)代的高精密電火花加工技術(shù)融合了標(biāo)準(zhǔn)化夾具快速精密定位、混粉加工法、搖動(dòng)加工法以及多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的加工工藝，可以對(duì)復(fù)雜的模具型腔進(jìn)行精密加工以及極小半徑的清角加工，能夠加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的精密表面，配備合適的工裝和電極，甚至可以加工超硬材料零件的高精度內(nèi)螺紋。

電火花創(chuàng)成加工是近年來(lái)興起的一種加工技術(shù)，又被稱為電火花銑削，它可以看做是電火花加工和精密多軸數(shù)控機(jī)床相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)電火花加工必須使用與零件形狀相適應(yīng)的復(fù)雜電極不同，電火花創(chuàng)成加工只需要簡(jiǎn)單的電極（一般采用圓柱棒狀電極），像銑刀一樣在數(shù)控系統(tǒng)控制下按預(yù)設(shè)的軌跡來(lái)加工工件。電火花創(chuàng)成加工可以加工具有形狀非常復(fù)雜的空間自由曲面而采用高硬度、高強(qiáng)度和高脆性等材料制作的模具。不過(guò)電火花創(chuàng)成加工對(duì)編程的要求較高，不僅要進(jìn)行幾何尺寸的編程，還要考慮不同加工條件下電火花順利加工的工藝編程，比如電火花的電源參數(shù)等。

3. 快速成形技術(shù)

快速成形（RP）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。快速成形技術(shù)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）、激光技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及新材料技術(shù)融為一體，其制造原理與傳統(tǒng)的加工方法截然不同?？焖俪尚渭夹g(shù)屬于“增材制造”。傳統(tǒng)的加工方法是將大的毛坯一點(diǎn)一點(diǎn)削減為零件，而快速成形技術(shù)則是用原料一點(diǎn)一點(diǎn)堆積疊加形成零件。

根據(jù)成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)以及所用成形材料的不同，快速成形技術(shù)分為3DP噴墨技術(shù)、FDM熔融層積成形技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)和DLP激光成形技術(shù)等多種類型。盡管快速成形有多種技術(shù)類型，但它們的基本原理都一樣，就是“分層制造、逐層疊加”，就像一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此，形象地把快速成形稱為“3D打印”技術(shù)。

快速成形技術(shù)在生產(chǎn)前期不需要準(zhǔn)備刀具、工裝等，它可以快速地將設(shè)計(jì)者的想法迅速轉(zhuǎn)化為看得見(jiàn)、摸得著的三維樣品，因此它非常適用于新模具投產(chǎn)之前的樣品試制或小批量生產(chǎn)，這樣可大幅提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率，縮短新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，降低模具的成本。如果利用網(wǎng)絡(luò)將設(shè)在不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)與3D打印設(shè)備連接起來(lái)，還可以進(jìn)行異地產(chǎn)品的打印。

快速成形技術(shù)制造的零件，力學(xué)和物理性能往往不能直接滿足產(chǎn)品要求，需進(jìn)行進(jìn)一步的處理，通過(guò)精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極和陶瓷精密鑄造等配套制造技術(shù)對(duì)其進(jìn)行物理性質(zhì)轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)合了鍛造技術(shù)的3D打印技術(shù)，用這種技術(shù)制造的零件的物理性能將大幅提高。隨著科技的發(fā)展，快速成形技術(shù)生產(chǎn)的零件直接應(yīng)用于產(chǎn)品指日可待。

4. 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)的模具制造業(yè)方興未艾，涌現(xiàn)出的各種模具制造新技術(shù)也如百花齊放，各領(lǐng)風(fēng)騷，又很好地互相銜接，分別在模具制造的各個(gè)環(huán)節(jié)大顯身手。隨著科技的不斷發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)更多、更先進(jìn)的新技術(shù)，應(yīng)用到模具的制造過(guò)程中。