模具精加工綜述

模具型腔的精加工工序是模具加工的最后一道工序，是直接影響模具質(zhì)量好壞的最重要的一環(huán)，它占整個模具加工量的30%～40%左右，因此倍受國內(nèi)外專家的重視。在我國盡管模具加工的大部分工序（車、銑、刨、磨、電火花、線切割等）已經(jīng)實現(xiàn)了高度自動化，但模具的精整加工大部分仍采用手工加工的方式，在一定程度上嚴重影響了我國模具的發(fā)展。

    所謂精整加工就是在保證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：手工拋光、超聲波拋光、化學與電化學拋光等等。在這些方法中，手工拋光是最常用的精整方法，因為手工拋光運動靈活，可以加工任何復雜的型腔，但同時該方法的勞動強度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品的質(zhì)量沒有保障。而其它方法雖然效果也不錯，從產(chǎn)品的質(zhì)量、加工的效率到工人的強度都有很大的改善，但由于模具型腔的復雜性、多樣性、不規(guī)則性，使得這些加工工具很難完全沿著工件的輪廓線加工，有時受到這些型腔空間的限制，所以很多精整加工方法只能在某些領(lǐng)域有自己的用武之地，卻很難廣泛地推廣使用。 

    國外大多數(shù)模具廠家都采用模具設(shè)計、加工甚至裝配一體化，也就是模具CAD/CAM/CAE的一體化，利用模具CAD軟件和反求工程進行設(shè)計；利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行裝配試模，發(fā)現(xiàn)干涉及時調(diào)整，在沒有問題的條件下，才進行加工；在加工過程中，利用加工中心和CAD/CAM，把整個加工過程一體化，也就是工件一次安裝就完成零件的加工，所以工件的精度可以得到保證。

    盡管如此，模具型腔表面的精加工問題仍是個世界難題，這主要是由于存在以下幾方面的問題： 

◆模具型腔的多樣化和不規(guī)則性。在很多場合下，模具的型腔表面都是三維不規(guī)則的自由曲面，由于這些曲面的形狀各異，這給光整加工時的刀具或磨具的運動軌跡及進給帶來很大的麻煩。即使用現(xiàn)代的數(shù)控加工技術(shù)來控制刀具或磨具的運動，也給數(shù)控程序的編制帶來很大的困難，所以這是導致模具光整加工難以實現(xiàn)自動化的根本原因。

◆用于模具光整加工的刀具或磨具的自適應(yīng)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調(diào)整的能力，也就是所謂的自適應(yīng)性，要隨著加工輪廓形狀的改變而改變自己的運行軌跡，當然這里指的是微調(diào)。這就要求加工模具型腔的工具具有一定范圍的可塑性，即柔性。 

◆模具表面的精度和光潔度要求較高。這也是模具自身的特點決定的，模具作為加工工件的模型，它的精度高低直接決定了工件精度的好壞，也對自身的壽命、耐腐蝕性、耐磨性以及加工后能否順利把工件從模具中取出都起到至關(guān)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，卻由于在提高模具表面光潔度的同時又很難保證工件的原始形位公差，結(jié)果也不理想。

    目前，我國對模具型腔精加工方法仍然是機械加工和電加工兩大方面，并且電加工越來越占優(yōu)勢。此外，就是模具CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，但由于模具本身的特點，形狀復雜難于規(guī)范化，所以型腔模CAD/CAM的開發(fā)不如沖模及塑料模在CAD/CAM上開發(fā)得那么成熟。盡管如此，這仍是型腔模加工方法的一個發(fā)展方向。在這些加工方法中，發(fā)展較快的是機械加工中的銑削技術(shù)、磨削技術(shù)和電加工中的電火花成形加工技術(shù)，分別簡介如下。

    1、銑削加工技術(shù)的崛起——高速銑削加工 

    銑削加工是型腔模的重要加工手段，特別適用于中、大型鍛模的加工。近年來銑削加工獲得了迅速的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

◆高精度化：認為銑削加工是普通加工的時代已經(jīng)過去。機床的定位精度從80年代的±12mm/800mm，已提高到90年代的±2～5mm/全行程，采用了精密機床的熱平衡結(jié)構(gòu)以及主軸冷卻等措施來控制熱變形，其控制分辨率已由原來的1mm提高到0.2mm。這樣使加工精度由原來的±10mm提高到±2～5mm，精密級可達±1.5mm，使銑削加工機床進入了精密機床的領(lǐng)域。

◆加工效率高速化：隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控系統(tǒng)的進步，高速銑削技術(shù)迅速崛起。目前主軸轉(zhuǎn)速已從4000～6000r/min提高到14200r/min，切削進給速度提高到1～6m/min，快速進給速度由8～12m/min提高到30～40m/min，換刀時間由5～10s降到1～3s，這就大幅度提高了加工效率。高速銑削與普通的加工方式相比，加工效率可提高5～10倍。 

◆銑削材料的高硬度化：高速銑削技術(shù)與新型刀具(金屬陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬質(zhì)合金刀具等)相結(jié)合，可對硬度為36～52HRC的工件進行加工，甚至可加工60HRC的工件。 

高速銑削加工技術(shù)的發(fā)展，促進了模具加工技術(shù)的進步，特別是對汽車，家電行業(yè)等中、大型型腔模具制造方面注入了新的活力。

    2、電火花成形加工面臨新的挑戰(zhàn) 

    高速銑削技術(shù)發(fā)展了，作為型腔模加工另一重要手段的電火花成形加工的發(fā)展也相當完美，但作為一個加工體系，確實面臨著高速銑削加工的新挑戰(zhàn)。 

◆電火花成形加工的技術(shù)進步：由于微精加工脈沖電源、工作液、混硅粉加工工藝等相關(guān)技術(shù)的進步，使電火花成形加工表面粗糙度達到Rmax0.6～0.8mm，而且可以進行大面積加工。并且由于電極損耗不斷降低（最小達0.1%）以及對微加工的加工余量精確控制等，可以說電火花成形加工已進入了精密加工領(lǐng)域。

◆電火花成形加工面臨的挑戰(zhàn)：由于高速銑削能加工硬度36～52HRC甚至60HRC的材料，幾乎所有型腔模材料都能加工，改變了高硬度材料只有采用電加工的局面。高速銑削的加工效率與電火花加工的效率相比為4:1，有的甚至是電火花成形加工的7～8倍，而且節(jié)省了電極的制造。高速銑削還具有一定加工精度和較好的表面粗糙度。國外認為，在型腔模的加工領(lǐng)域里，高速銑削可以替代電火花加工，這不是沒有根據(jù)的。由于這樣，在應(yīng)用領(lǐng)域方面，特別是在汽車等行業(yè)，電火花成形加工有被高速銑削擠出來的危險。不過電火花成形加工在加工深槽、窄縫、筋肋、紋理等方面有其不可替代的優(yōu)越性。但總的說來。電火花成形在加工的應(yīng)用領(lǐng)域縮小了，一部分市場被別的加工設(shè)備占領(lǐng)了，特別是對大型電火花成形加工機床的發(fā)展會產(chǎn)生更大的影響。

◆電火花成形加工的發(fā)展戰(zhàn)略：電火花成形加工是幾十年形成的一個加工體系，本身也在不斷地發(fā)展，針對銑削加工技術(shù)的發(fā)展，最近出現(xiàn)了“電火花銑削加工”技術(shù)與之相抗衡�？傮w來說，“電火花銑削加工”是以提高電火花成形加工效率為目標，采用成形（石墨電極），以水作為工作液的電火花成形加工，與以油作為工作液相比，其加工效率提高2～3倍，國外稱之為“電火花銑削加工”，這代表了它的發(fā)展方向。但與高速銑削加工相比其整體加工效率還有較大差距。采用高速旋轉(zhuǎn)的主軸，帶動棒狀（管狀）電極旋轉(zhuǎn)，配合工作臺及主軸的數(shù)控軌跡運動及伺服進給，其加工成形方式類似于機械銑削加工。這種“電火花銑削加工”可以在電極庫中存放不同直徑的標準管電極，而在數(shù)控進給中成形，這大大簡化了電極的設(shè)計、制造、管理等。這是一種新的發(fā)展策略，但同樣存在加工效率低的問題。預計“電火花銑削加工”將有新的進展，與高速銑削加工會進行激烈的競爭。

    隨著電子、電器、通訊、計算機等行業(yè)的迅速發(fā)展，精密、微細、復雜模具的加工越來越多，市場越來越大，這些模具的加工正是電火花成形加工的優(yōu)勢。因此，在競爭的同時，應(yīng)充分發(fā)揮電火花成形加工的優(yōu)勢，即應(yīng)重點向精密、復雜、微細模具加工方向轉(zhuǎn)移，這是電火花成形加工發(fā)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

    磨削加工是一種精密加工技術(shù)，到目前為止，磨削加工精度已經(jīng)很高了，最高可達1～2mm，加工的表面質(zhì)量也非常好，其表面的粗糙度一般在Ra0.04～0.32μm，并且利用磨削加工，加工出的表面沒有軟化層、變質(zhì)層等缺陷，所以廣泛用于精密模具的加工中。隨著磨床種類的增多，如坐標磨床、成形磨床、光曲磨床以及專用模加工磨床等，特別是數(shù)控程度的提高，使加工的范圍越來越大，精度越來越高。不僅能加工冷沖模，而且也能加工各種型腔模，如鍛模、塑料模等，所以說，磨削加工仍是精密模具加工的主要手段。下面重點介紹磁粒研磨技術(shù)。 

    1）磁粒研磨技術(shù)的原理 

    磁力研磨就是在磁場中放入磁性磨料，磁性磨料在磁場力的作用下形成磁粒刷，當工件在磁場中相對磁極做相對運動時，磁粒刷將對工件表面進行研磨。由于形成的磁粒刷有很好的自適應(yīng)性和柔性，因此非常有利于加工復雜型面。

    2）磁粒研磨的特點 

◆工件不與磁極相接觸，磁極的磨損量較小，磁極的形狀誤差對加工表面的形狀精度影響較小。

◆磁極的結(jié)構(gòu)形狀不同，會影響加工區(qū)域磁場的分布狀況，因而影響加工表面的質(zhì)量和加工效率。 

◆磁性磨料刷既有一定的剛性，同時又具有一定的柔性，可以隨加工表面形狀的變化而變形，因此它可以加工形狀極為復雜的表面。

◆研磨的壓力可以通過改變勵磁電流進行調(diào)節(jié)，研磨過程比較容易控制。

◆受磁場力的作用，磨料不易飛散，磨料的耐用度高可反復使用，磨料的損耗少，工作環(huán)境比較清潔。

◆采用金剛石粉作為磨料時，可對陶瓷等超硬的非金屬進行加工。

◆加工設(shè)備簡單，成本較低。

該技術(shù)在國外研究得較多，在國內(nèi)研究的人還很少，筆者認為該技術(shù)的發(fā)展如能和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合必將給模具型腔的加工帶來一場新的革命。

    21世紀模具制造業(yè)的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和網(wǎng)絡(luò)化，追求的目標是提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計及制造周期、降低生產(chǎn)成本、最大限度地提高模具制造業(yè)的應(yīng)變能力以滿足用戶需求。具體表現(xiàn)為以下7個特征：

◆集成化技術(shù)；

◆智能化技術(shù)；

◆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用；

◆多學科多功能綜合產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)； 

◆虛擬現(xiàn)實與多媒體技術(shù)的應(yīng)用；

◆反求技術(shù)的應(yīng)用；

◆快速成形技術(shù)。