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模具精加工综述

模具型腔的精加工工序是模具加工的最后一道工序,是直接影响模具质量好坏的最重要的一环,它占整个模具加工量的30%40%左右,因此倍受国内外专家的重视。在我国尽管模具加工的大部分工序(车、铣、刨、磨、电火花、线切割等)已经实现了高度自动化,但模具的精整加工大部分仍采用手工加工的方式,在一定程度上严重影响了我国模具的发展。

所谓精整加工就是在保证零件型面精度的前提下,降低零件表面粗糙度的加工方法。目前常用的方法有:手工抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光等等。在这些方法中,手工抛光是最常用的精整方法,因为手工抛光运动灵活,可以加工任何复杂的型腔,但同时该方法的劳动强度大,生产效率低,产品的质量没有保障。而其它方法虽然效果也不错,从产品的质量、加工的效率和工人的强度都有很大的改善,但由于模具型腔的复杂性、多样性、不规则性,使得这些加工工具很难完全沿着工件的轮廓线加工、有时受到这些型腔空间的限制,所以很多精整加工方法只能在某些领域有自己的用武之地,却很难广泛地推广使用。

 

模具型腔表面精加工中存在的问题

 

国外大多数模具厂家都采用模具设计、加工甚至装配一体化,也就是模具CAD/CAM/CAE的一体化,利用模具CAD软件和反求工程进行设计;利用虚拟现实系统进行装配试模,发现干涉及时调整,在没有问题的条件下,才进行加工;在加工过程中,利用加工中心和CAD/CAM,把整个加工过程一体化,也就是工件一次安装就完成零件的加工,所以工件的精度可以保证。

尽管如此,对于模具型腔表面的精加工问题仍是个世界难题,这主要是由于存在以下几方面的问题:

◆模具型腔的多样化和不规则性。在很多场合下,模具的型腔表面都是三维不规则的自由曲面,由于这些曲面的形状各异,这给光整加工时的刀具或磨具的运动轨迹及进给带来很大的麻烦。即使用现代的数控加工技术来控制刀具或磨具的运动,但给数控程序的编制也带来很大的困难,所以这是导致模具光整加工难以实现自动化的根本原因。

◆用于模具光整加工的刀具或磨具的自适应性和柔性差。由于模具型面的特殊性,要求加工它的刀具或磨具要有很好的自我调整的能力,也就是所谓的自适应性,要随着加工轮廓形状的改变而改变自己的运行轨迹,当然这里指的是微调。这就要求加工模具型腔的工具具有一定范围的可塑性,即柔性。

◆模具表面的精度和光洁度要求较高。这也是模具自身的特点决定的,模具作为加工工件的模型,它的精度的高低直接决定了工件精度的好坏,也对自身的寿命、耐腐蚀性、耐磨性以及加工后能否顺利把工件从模具中取出都起到至关重要的作用。即使有些加工方法本身加工精度很高,但用在模具加工上,却由于在提高模具表面光洁度的同时,很难保证工件的原始形位公差,结果也很难胜任。

目前,我国对模具型腔精加工方法仍然是机械加工和电加工两大方面,并且有电加工越来越占优势的趋势;另外就是模具CAD/CAM技术的应用,但由于模具本身的特点,形状复杂难于规范化,所以型腔模CAD/CAM的开发不如冲模及塑料模在CAD/CAM上开发的那样快,那么成熟。尽管如此,这仍是型腔模加工方法的一个发展方向。在这些加工方法中,发展较快的是机械加工中的铣削技术、磨削技术和电加工中的电火花成形加工技术。分别简介如下。

 

1)铣削加工技术的崛起——高速铣削加工

铣削加工是型腔模的重要加工手段,特别适用于中、大型锻模的加工。近年来铣削加工获得了迅速的发展,主要体现在以下几个方面:

◆高精度化:认为铣削加工是普通加工的时代已经过去。机床的定位精度从80年代的±12mm/800mm,已提高到90年代的±25mm/全行程。采用了精密机床的热平衡结构,以及主轴冷却等措施,以控制热变形,其控制分辨率已由原来的1mm提高到0.2mm。这样使加工精度由原来的±10mm提高到±25mm,精密级可达±1.5mm,使铣削加工机床进入了精密机床的领域。

◆加工效率高速化:随着刀具、电机、轴承、数控系统的进步,高速铣削技术迅速崛起。目前主轴转速已从40006000r/min提高到14200r/min。切削进给速度提高到16m/min,快速进给速度由812m/min提高到3040m/min,换刀时间由510s降到13s,这就大幅度提高了加工效率。高速铣削与普通的加工方式相比,加工效率可提高510倍。

◆铣削材料的高硬度化:高速铣削技术与新型刀具(金属陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬质合金刀具等)相结合,可对硬度为3652HRC的工件进行加工,甚至可加工60HRC的工件。

高速铣削加工技术的发展,促进了模具加工技术的进步。特别是对汽车,家电行业等中、大型型腔模具制造方面注入了新的活力。

 

2)电火花成形加工面临新的挑战

高速铣削技术发展了,作为型腔模加工另一重要手段的电火花成形加工的发展也相当完美,但作为一个加工体系,确实面临着高速铣削加工的新的挑战。

◆电火花成形加工的技术进步:由于微精加工脉冲电源、工作液、混硅粉加工工艺等相关技术的进步,使电火花成形加工表面粗糙度达到Rmax0.60.8mm,而且可以进行大面积加工。并且由于电极损耗不断降低(最小达0.1%)以及对微加工加工余量的精确控制等,可以说电火花成形加工已进入了精密加工领域。

◆电火花成形加工面临的挑战:由于高速铣削能加工硬度3652HRC,甚至60HRC的材料,几乎所有型腔模材料都能加工,改变了高硬度材料只有采用电加工的局面。高速铣削的加工效率与电火花加工的效率相比为4:1,有的甚至是电火花成形加工的78倍,而且节省了电极的制造。高速铣削还具有一定加工精度和较好的表面粗糙度。国外认为,在型腔模的加工领域里,高速铣削可以替代电火花加工,这不是没有根据的。由于这样,在应用领域方面,特别是在汽车等行业,电火花成形加工有被高速铣削挤出来的危险。不过电火花成形加工在加工深槽、窄缝、筋肋、纹理等方面有其不可替代的优越性。但总的说来。电火花成形在加工的应用领域缩小了,一部分市场被别的加工设备占领了,特别是对大型电火花成形加工机床的发展会产生更大的影响。

◆电火花成形加工的发展战略:电火花成形加工是几十年形成的一个加工体系,本身也在不断地发展,针对铣削加工技术的发展,最近提出了“电火花铣削加工”技术与之相抗衡。总体来说,“电火花铣削加工”是以提高电火花成形加工效率为目标,采用成形(石墨电极),以水作为工作液的电火花成形加工,与以油作为工作液相比,其加工效率提高23倍,国外称之谓“电火花铣削加工”,这代表了一个发展方向。但与高速铣削加工相比其整体加工效率还有较大差距。采用高速旋转的主轴,带动棒状(管状)电极旋转,配合工作台及主轴的数控轨迹运动及伺服进给,其加工成形方式类似于机械铣削加工。这种“电火花铣削加工”可以在电极库中存放不同直径的标准管电极,而在数控进给中成形,这大大简化了电极的设计、制造、管理等。这是一种新的发展策略,但同样存在加工效率低的问题。预计“电火花铣削加工”将有新的进展,与高速铣削加工会进行激烈的竞争。

 随着电子、电器、通讯、计算机等行业的迅速发展,精密、微细、复杂模具的加工越来越多,市场越来越大,这些模具的加工正是电火花成形加工的优势。因此,在竞争的同时,应充分发挥电火花成形加工的优势,即应重点向精密、复杂、微细模具加工方向转移,这是电火花成形加工发展的又一重要方向。

3)磨削加工仍是精密模具加工的主要手段

磨削加工是一种精密加工技术,到目前为止,磨削加工精度已经很高了,最高可达12mm,加工的表面质量也非常好,其表面的粗糙度一般在Ra0.040.32μm,并且利用磨削加工,加工出的表面没有软化层、变质层等缺陷,所以广泛用于精密模具的加工中。随着磨床种类的增多,如坐标磨床、成形磨床、光曲磨床以及专用模加工磨床等,特别是数控程度的提高,使加工的范围越来越大,精度越来越高。不仅能加工冷冲模,而且也能加工各种型腔模,如锻模、塑料模等,所以说,磨削加工仍是精密模具加工的主要手段。

下面将重点介绍磁粒研磨技术。

 

磁粒研磨技术的原理

 

磁力研磨就是在磁场中放入磁性磨料,磁性磨料在磁场力的作用下形成磁粒刷,当工件在磁场中相对磁极做相对运动时,磁粒刷将对工件表面进行研磨。由于形成的磁粒刷有很好的自适应性和柔性,因此非常有利于对复杂型面的加工。

 

磁粒研磨的特点

 

磁力研磨与其它加工方法相比具有以下特点:

◆工件不与磁极相接触,磁极的磨损量较小,磁极的形状误差对加工表面的形状精度影响较小。

◆磁极的结构形状不同,会影响加工区域磁场的分布状况,因而影响加工表面的质量和加工效率。

◆磁性磨料刷既有一定的刚性,同时又具有一定的柔性,可以随加工表面形状的变化而变形,因此它可以加工形状极为复杂的表面。

◆研磨的压力可以通过改变励磁电流进行调节,研磨过程比较容易控制。

◆受磁场力的作用,磨料不易飞散,磨料的耐用度高可反复使用,磨料的损耗少,工作环境比较清洁。

◆采用金刚石粉作为磨料时,可对陶瓷等超硬的非金属进行加工。

◆加工设备简单,成本较低。

该技术在国外研究的较多,在国内研究的人还很少,笔者认为该技术的发展如能和数控技术相结合必将对模具型腔的加工带来新的革命。

 

我国模具精加工的发展方向

 

21世纪模具制造业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化,追求的目标是提高产品质量及生产效率、缩短设计及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。具体表现为以下7个特征:

◆集成化技术;

◆智能化技术;

◆网络技术的应用;

◆多学科多功能综合产品设计技术;

◆虚拟现实与多媒体技术的应用;

◆反求技术的应用;

◆快速成形技术。

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