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模具先进制造技术的发展主要体现

模具高速加工技术是多种先进加工技术的集成,不仅涉及到高速加工工艺,而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。国际模协秘书长罗百辉表示,模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用,而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高,大力发展和推广应用模具高速加工技术对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。

1、高速铣削加工

普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数,而高速铣削加工则采用高的进给速度和小的切削参数,高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点:

a.高效高速铣削的主轴转速一般为15000r/min~40000r/min,最高可达100000r/min。在切削钢时,其切削速度约为400m/min,比传统的铣削加工高5~10倍;在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高4~5倍。

b.高精度高速铣削加工精度一般为10μm,有的精度还要高。

c.高的表面质量由于高速铣削时工件温升小(约为3°C),故表面没有变质层及微裂纹,热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm,减少了后续磨削及抛光工作量。

d.可加工高硬材料可铣削50~54HRC的钢材,铣削的最高硬度可达60HRC。鉴于高速加工具备上述优点,所以高速加工在模具制造中正得到广泛应用,并逐步替代部分磨削加工和电加工。

五金模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率,并为半精加工准备工件的几何轮廓。在切削过程中因切削层金属面积发生变化,导致五金刀具承受的载荷发生变化,使切削过程不稳定,五金刀具磨损速度不均匀,加工表面质量下降。

目前开发的许多CAM软件可通过以下措施保持切削条件恒定,从而获得良好的加工质量。恒定的切削载荷。通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率,使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡,以提高刀具寿命和加工质量。避免突然改变刀具进给方向。避免将刀具埋入工件。如加工模具型腔时,应避免刀具垂直插入工件,而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为20°~30°),最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷;加工模具型芯时,应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出,避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削(Climb cutting) 可降低切削热,减小刀具受力和加工硬化程度,提高加工质量。半精加工模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整,表面精加工余量均匀,这对于工具钢模具尤为重要,因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化,从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。粗加工是基于体积模型(Volumemodel),精加工则是基于面模型(Surfacemodel)。而以前开发的CAD/CAM系统对零件的几何描述是不连续的,由于没有描述粗加工后、精加工前加工模型的中间信息,故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此应对半精加工策略进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。

优化过程包括:粗加工后轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。现有的模具高速加工CAD/CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能,并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。如OpenMind公司的HyperMill和HyperForm软件提供了束状铣削(Pencilmilling)和剩余铣削(Restmilling)等方法来清除粗加工后剩余加工余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量。Pro/Engineer软件的局部铣削(Localmilling)具有相似的功能,如局部铣削工序的剩余加工余量取值与粗加工相等,该工序只用一把小直径铣刀来清除粗加工未切到的角落,然后再进行半精加工;如果取局部铣削工序的剩余加工余量值作为半精加工的剩余加工余量,则该工序不仅可清除粗加工未切到的角落,还可完成半精加工。

精加工模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点,而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工,应尽可能在一个工序中进行连续加工,而不是对各个曲面分别进行加工,以减少抬刀、下刀的次数。然而由于加工中表面斜率的变化,如果只定义加工的侧吃刀量(Stepover),就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀,从而影响加工质量。Pro/Engineer解决上述问题的方法是在定义侧吃刀量的同时,再定义加工表面残留面积高度(Scallopmachine);HyperMill则提供了等步距加工(Equidistantmachine)方式,可保证走刀路径间均匀的侧吃刀量,而不受表面斜率及曲率的限制,保证刀具在切削过程中始终承受均匀的载荷。

一般情况下,精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍,以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中,在每次切入、切出工件时,进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接,避免采用直线转接,以保持切削过程的平稳性。进给速度的优化目前很多CAM软件都具有进给速度的优化调整功能:在半精加工过程中,当切削层面积大时降低进给速度,而切削层面积小时增大进给速度。应用进给速度的优化调整可使切削过程平稳,提高加工表面质量。切削层面积的大小完全由CAM软件自动计算,进给速度的调整可由用户根据加工要求来设置。

2、电火花铣削加工

电火花铣削加工(又称为电火花创成加工)是电火花加工技术的重大发展,这是一种替代传统用成型电极加工模具型腔的新技术。像数控铣削加工一样,电火花铣削加工采用高速旋转的杆状电极对工件进行二维或三维轮廓加工,无需制造复杂、昂贵的成型电极。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E电火花创成加工机床,配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系统、在线自动测量系统和动态仿真系统,体现了当今电火花创成加工机床的水平。

3、慢走丝线切割技术

目前,数控慢走丝线切割技术发展水平已相当高,功能相当完善,自动化程度已达到无人看管运行的程度。最大切割速度已达300mm2/min,加工精度可达到±1.5μm,加工表面粗糙度Ra0.1~0.2μm。直径0.03~0.1mm细丝线切割技术的开发,可实现凹凸模的一次切割完成,并可进行0.04mm的窄槽及半径0.02mm内圆角的切割加工。锥度切割技术已能进行30°以上锥度的精密加工。

4、模具表面处理技术及其发展

在现代生产中,模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着现代工业和尖端科学技术的发展,人们对模具工业提出的要求越来越高,因为它们直接决定与其相关产品的质量、成本及使用寿命。据罗百辉介绍,如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本,成为当前迫切需要解决的问题。对于那些在高温条件下使用并要求耐磨、抗氧化等的模具来讲,表面处理是提高表面性能常用的工艺方法,是提高模具质量和使用寿命、降低成本的最有效途径,对于提高模具质量、大幅度降低生产成本、提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能都具有重大意义。

模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外,其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指:耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善,单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的,也是不经济的,而通过表面处理技术,往往可以收到事半功倍的效果,这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。

模具的表面处理技术,是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术,改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上,又可分为:化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现,但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式,每一种渗氮方式中,都有若干种渗氮技术,可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面,并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性,同时渗氮温度低,渗氮后不需激烈冷却,模具的变形极小,因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早,也是应用最广泛的。

模具渗碳的目的,主要是为了提高模具的整体强韧性,即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性,由此引入的技术思路是,用较低级的材料,即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料,从而降低制造成本。

硬化膜沉积技术目前较成熟的是CVD、PVD。为了增加膜层工件表面的结合强度,现在发展了多种增强型CVD、PVD技术。硬化膜沉积技术最早在工具(刀具、刃具、量具等)上应用,效果极佳,多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。模具自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术。目前的技术条件下,硬化膜沉积技术(主要是设备)的成本较高,仍然只在一些精密、长寿命模具上应用,如果采用建立热处理中心的方式,则涂覆硬化膜的成本会大大降低,更多的模具如果采用这一技术,可以整体提高我国的模具制造水平。

表面处理技术已经大量应用于模具上,在提高模具寿命和制品质量方面已有显著的进步和巨大的经济效益,但是先进表面技术的应用和发展方面与国外相比还有一定的差距。充分应用表面处理技术是提高模具寿命的一种重要的经济、高效手段,也是发展现代模具的必经之路,研究开发出适用于精密、大型模具的表面处理技术,是发展模具表面技术的重点和难点。

表面处理技术在模具表面中的应用,在相当程度上弥补了模具材料的性能缺陷,可达到以下效果:

(1)提高模具表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能,大幅度提高模具的使用寿命;

(2)提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力,提高生产率;

(3)采用碳素工具钢或低合金钢材生产的模具,经表面强化处理后,其表面性能可达到或超过高合金化模具材料,甚至达到硬质合金的性能指标,不仅大幅度降低材料成本,而且简化模具制造加工工艺和热处理工艺,降低生产成本;

(4)可用于模具的修复,如电刷镀技术可在不拆卸模具的条件下,完成对模具表面的修复,且能保证修复后的模具表面质量。

对于传统的表面技术,应该进一步改进和提高处理效果,降低其能源消耗和环境污染。扩展传统表面技术和现代表面处理技术之间的复合形式,把纳米技术和模具表面技术结合起来。中国工程院院士徐滨士在纳米热喷涂技术、纳米复合镀技术、金属材料表面自身纳米化等方面做了大量研究工作,并取得了较好的效果。

据罗百辉介绍,目前大部分表面处理技术均需要大型的专用设备,成本较高,因此仍然只在一些精密、长寿命模具上应用。结合我国目前模具制造业的结构特点,除了继续完善现有模具表面处理工艺之外,还应该研究与开发低成本模具表面处理技术,进一步扩大模具表面处理技术的应用范围,从整体上提高我国的模具制造水平。

磨削及抛光加工由于精度高、表面质量好、表面粗糙度值低等特点,在精密模具加工中广泛应用。目前,精密模具制造广泛使用数控成形磨床、数控光学曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光机等先进设备和技术。

5、数控测量

产品结构的复杂,必然导致模具零件形状的复杂。传统的几何检测手段已无法适应模具的生产。现代模具制造已广泛使用三坐标数控测量机进行模具零件的几何量的测量,模具加工过程的检测手段也取得了很大进展。三坐标数控测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施以及简便的操作步骤,使得现场自动化检测成为可能。

模具先进制造技术的应用改变了传统制模技术模具质量依赖于人为因素,不易控制的状况,使得模具质量依赖于物化因素,整体水平容易控制,模具再现能力强。

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