四大模具制造技术的发展现状与趋势

模具制造是指在特定的制造装备和工艺下,直接对原材料进行加工,使之成为具有一定形状和尺寸要求的零件,然后装配成模具的过程,即模具零件的加工和装配过程。模具制造行业属于离散型制造业,其过程复杂,具有单件生产、制造质量要求高、形状复杂、材料硬度高等特点。
模具零件的制造加工方法有常见的金属切削加工、电化学加工和电火花加工,同时还有精密铸造、激光加工、其他高能波束加工以及集2种加工方法为一体的复合加工等。随着数控技术和计算机技术的发展,其在模具零件的加工中应用越来越广泛。
1、特种加工方法
模具制造常用的特种加工方法有:电火花加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、模具电铸成形等。
1.1电火花加工
电火花加工是利用电蚀作用去除导电材料的加工方法,又称放电加工或电蚀加工。加工时工件和工具电极同时浸泡在绝缘工作液中,并在两者之间施加强脉冲电压,以击穿绝缘工作液,由于能量高度集中,放电区的高温使工件表面金属局部熔化脱落,达到去除材料的效果。电火花加工主要分为电火花成形加工和电火花线切割加工。

电火花成形加工在模具行业应用广泛,尤其适用于手机、汽车等注射模零件加工。随着零件加工精度、粗糙度要求的不断提高,电火花成形机的需求也增加。电火花成形机的优势:放电加工控制系统可实现4轴联动或5轴联动加工,实现机床加工的高精度(重复定位精度≤2μm)、高效率(切割速率≥500mm/min)、低表面粗糙度(Ra≤0.1μm)、低电极损耗率(≤0.1%)、任意轴向的抬刀和伺服放电加工、复杂的4轴联动加工。

线切割加工是电火花加工的一种,电极是细长金属丝,金属丝在移动同时进行脉冲放电使其附近的金属局部熔化脱落,通过控制金属丝的移动轨迹即可切割相应的图案。高速走丝线切割使用钼丝作为工具电极,其直径为ϕ0.02~ϕ0.3mm,往复移动速度达8~10m/s。低速走丝线切割使用铜丝作为工具电极,其移动速度较慢,一般<0.2m/s,且单向运动。相比于电火花成形加工,线切割加工精度高,约为10μm。慢走丝精度可达0.5μm,表面粗糙度约Ra0.2μm。快走丝精度可达20μm,表面粗糙度约Ra3.2μm。电火花线切割适用于加工冲孔模和落料模等零件上的各种模孔、型孔、复杂型面、样板和窄缝等。
1.2、激光加工

激光加工是材料加工部位在高能激光束的照射作用下加热至高温熔融状态,并使用冲击波将熔融物质喷射出去的加工方法,或是使材料在较低能量密度的激光束作用下熔化,然后进行焊接的加工方法。在模具行业,尤其是在模具修复和模具制造方面,激光加工应用广泛,常见的有激光切割、激光打孔、激光淬火和激光焊接等。
同时激光加工技术还能应用在表面强化处理方面,主要有2种方式:一是利用激光熔焊对模具表面局部损伤部位进行修复;二是利用激光对模具表面进行淬火硬化。
1.3、超声波加工

超声波是指频率超过人耳频率上限(>16kHz)的振动波。超声波加工是利用超声波作为动力,带动工具作超声振动,通过工具与工件之间的磨料冲击工件表面进行加工的成形方法。采用超声波-电化学抛光复合加工工艺抛光模具型腔表面,不仅可以提高模具型腔表面质量和降低表面粗糙度,还能提高生产效率,减少工具的损耗。
1.4、电子束加工

(资料图:源于网络)
电子束加工是指通过真空环境中的高能电子束将工件待加工部位加热至熔融或蒸发的状态,达到去除材料的加工方法。同时,利用高能电子束提供能量使工件表面发生化学反应,也是电子束加工的一种应用。将带有脉冲电压的电子束照射在模具零件表面,可以对模具零件表面进行抛光处理,是一种新型的模具零件表面处理工艺。
1.5、模具电铸成形

电铸成形是利用电化学过程中的阴极沉积现象进行成形的加工方法,主要用于注射模零件的加工。注射模的电铸成形是将动模作为阴极,将需要电铸的金属作为阳极同时置于镀槽中,然后通入直流电,此时阳极的金属释放金属离子,并向动模沉积,一段时间后,动模上会沉积有适当厚度的金属层,形成电铸层。电铸工艺适用于金属型腔的复制加工,且加工精度高。
2、数控加工技术
2.1
模具零件数控加工
模具作为成型塑件的工具,其零件制造精度要求高于成型塑件的精度。组成模具的大部分零件一般具有复杂的型面,传统的加工方法不仅加工效率低,且加工精度低。数控加工是模具零件加工的主要方法,如数控车削加工、数控铣削加工、数控线切割加工、数控电火花加工等。
(1)数控车削加工。数控车削可用于顶杆、推杆、导柱、导套等轴类零件的加工;还可用于回转体模具零件的加工,如外圆体、内圆盆类零件的注射模零件,轴类、盘类零件的锻模以及冲模的凸模等。
(2)数控铣削加工。数控铣削可用于外形轮廓较为复杂或者带有三维曲面型面的模具零件的加工,如注射模的型芯、型腔板的加工等。
(3)数控线切割加工。数控线切割可加工各种直壁模具零件或者一些形状复杂、材料特殊以及带有异型通槽的模具零件。
(4)数控电火花加工。数控电火花加工可用于微细复杂形状、特殊材料、镶拼型腔板及镶件、带异型槽的模具零件的加工。
(5)数控加工中心加工。数控加工中心根据加工轴数可分为3轴、4轴和5轴等,其中,5轴数控加工中心可以加工高精度、曲面复杂的模具零件。目前,在模具零件加工中,5轴数控加工中心应用较广泛。
2.2
国内外数控系统
国内外有名的数控系统有:发那科(FANUC)、马扎克(MAZAK)、三菱(MITSUBISHI)、西门子(SIMENS)、发格(FAGOR)、西曼斯(CMS)、华中数控(HSK)、广州数控(GSK)、宝元(LNC)、新代(SYNTEC)等,如表1所示。
表1 国内外数控系统

一些国外知名厂家采取技术封锁和低价销售的策略,利用灵活多样的促销手段和先进的技术以及优质的产品迅速抢占中国市场。目前,国内普及型、中、高档数控系统的市场已经被国外品牌垄断。但国外的数控系统有如下缺点:
(1)维修费用高,维修时效性低,系统更新慢。
(2)技术封锁,数控系统二次开发难度大。
(3)与国内数控机床相比价格昂贵,性价比低。
随着国内数控系统公司不断创新,国内数控技术的发展取得了跨越式进展。目前,我国的数控系统与国外相比虽有差距,但差距正不断缩小,如广州数控、华中数控等,正在积极发展自己的核心技术。
3、柔性制造技术
3.1柔性制造单元

柔性制造单元(flexiblemanufacturingcells,FMC)是数控加工中心的扩展,数台数控机床或加工中心和工件运输装置在计算机系统的控制下,根据需要自动更换夹具和刀具,进行工件的加工。FMC主要有以下3种类型。
(1)托板存储库式FMC,其特点是有托板储存系统,可通过PLC控制托板的选择和定位,适用于非回转体零件的加工。
(2)机器人搬运式FMC,由加工中心、数控机床机器人和工件传输系统等组成,有些单元还包括清洗设备。
(3)可换主轴箱式FMC,一般由可更换主轴箱的数控机床、主轴库、主轴交换装置和托板交换装置组成。装有工件的托板交换装置将工件运送至圆形工作台上夹紧,装有主轴箱的动力头驱动刀具加工工件。可换主轴箱式FMC的加工方式为多轴加工,适用于中、大批量的工件加工生产。
3.2
柔性制造系统
柔性制造系统(flexiblemanufacturingsystem,FMS)主要由数台加工中心、工业机器人和自动制导小车(AGV)等组成,在计算机的控制下,实现对不同的加工对象的自动化机械制造。

柔性制造系统的优势有:
(1)设备利用率高。相比于机床分散式单机作业,成组的机床编入柔性制造系统后,生产效率可以提高数倍。
(2)产品数量减少80%左右。柔性制造系统一般包括多个工序,每个产品在生产组装时无需等待就能进入下一工序,从而使等待加工的产品数量大幅度减少。
(3)生产能力稳定。柔性制造系统包含一台或多台机床,当某一台机床发生故障时,能实现降级运转,同时,物料传输系统能自动绕过故障机床,避免生产线停产。
(4)产品质量高。加工时工件只需一次装夹,就能完成各工序的加工,加工精度高、稳定性好。
(5)运行灵活。柔性制造系统的检验、装夹和维护工作都可以在第1班完成,可实现第2班、第3班自动化生产。对于功能更加完善的柔性制造系统,刀具的磨损更换、物流的堵塞疏通等问题都能在监控系统作用下解决。
(6)产品应变能力大。夹具、刀具和物料传送装置的柔性大,系统的可扩展性强,能通过增加或减少设备,实现不同产品的生产。
(7)经济效益显著。FMS能根据装配作业的需要及时调整所需零件的加工,达到及时生产的效果,避免了毛坯的囤积,降低了流动资金的占用量,提高生产效率。同时,在相同的生产能力下,较高的设备利用率能减少设备需求和厂房面积,且FMS能在人员数量少的情况下实现自动化连续生产,降低劳动力的需求,FMS生产的产品质量大幅度提高。
4. 快速制模技术
与传统模具零件加工技术相比,快速制模技术能以较低的生产成本以及较高的效率,制造出较高精度和耐用性的模具,是一种经济效益良好的先进制造技术。
(1)3D打印技术。3D打印属于增材制造(additivemanufacturing,AM)技术,是激光技术、材料科学技术、计算机技术、数控技术高度发展的产物。3D打印技术与传统去除材料的加工方法不同,其采用“分层切片,层层叠加”的原理,只需要把产品3D模型通过指定的方式传输到3D打印设备,就可以打印出具有一定精度的产品。相比于传统制模技术,3D打印技术的制造效率高,成本低,适用于新产品的开发研究。
3D打印技术包括激光立体光刻成型(SLA)、分层物体制造(LOM)、选择性激光熔化(SLM)、熔融沉积成型(FDM)等多种成型工艺。3D打印制造模具实例及镶件如图1所示。

(a)3D打印塑件与硅胶模具

(b)3D打印金属模具镶件
图1 3D打印制造模具实例及镶件
(2)表面成形制模技术。表面成形制模技术可用于型腔表面或精细花纹的加工,涉及的工艺技术有电铸、喷涂、化学腐蚀等。
(3)浇铸成形制模技术。浇铸成形制模技术主要有铋锡合金制模技术、锌基合金制模技术、树脂复合成形技术及硅胶制模技术等。
(4)冷挤压及超塑性成形制模技术。冷挤压是模具型腔板的一种加工方法,不需要切削加工,只需将坚硬的原模或动模经过冷挤压压入较软且塑性好的材料内,形成所需的型腔。经冷挤压加工形成的型腔表面光滑,可缩短挤压后的加工过程。采用冷挤压、冷滚压加工方法加工复杂型腔或型面的新工艺,由于效率高、质量好,广泛用于制造塑料、压铸、热锻、精压、冷镦、冷冲、螺纹滚压等各种模具零件。
(5)无模多点成形技术。通过对一系列排列规则、高度可调的基体的实时控制,自由地构造成型面,实现板材曲面加工,是集计算机技术和多点成形技术于一体的复合制造技术。
(6)随形冷却技术。注射模中,冷却水道可以根据塑件形状设计成相应的形状,水道直径可以根据需要改变,水道截面形状的选择呈多样化。模具冷却时间是决定塑件生产周期长短的重要因素,通过CAE分析优化模具冷却水道的形状和布置方式,可以提高冷却效率,并降低因冷却不均导致的废品率。目前,随形冷却水道主要通过选择性激光熔化(SLM)技术制造,具有随形冷却水道的注射模如图2所示。(刘斌 模具工业 模具工业)

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