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(gè)模具加工量的30%～40%左右，因此倍受國(guó)內(nèi)外專家的重視。在我國(guó)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(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)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(yán)重影響了我國(guó)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(xué)與電化學(xué)拋光等等。在這些方法中，手工拋光是最常用的精整方法，因?yàn)槭止�拋光運(yùn)動(dòng)靈活，可以加工任何復(fù)雜的型腔，但同時(shí)該方法的勞動(dòng)強(qiáng)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(cuò)，從產(chǎn)品的質(zhì)量、加工的效率到工人的強(qiáng)度都有很大的改善，但由于模具型腔的復(fù)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(shí)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(guó)外大多數(shù)模具廠家都采用模具設(shè)計(jì)、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(jìn)行設(shè)計(jì)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行裝配試模，發(fā)現(xiàn)干涉及時(shí)調(diào)整，在沒有問題的條件下，才進(jìn)行加工；在加工過程中，利用加工中心和CAD/CAM，把整個(gè)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(gè)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(chǎng)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(shí)的刀具或磨具的運(yùn)動(dòng)軌跡及進(jìn)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(yùn)動(dòng)，也給數(shù)控程序的編制帶來很大的困難，所以這是導(dǎo)致模具光整加工難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yùn)行軌跡，當(dāng)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(guó)對(duì)模具型腔精加工方法仍然是機(jī)械加工和電加工兩大方面，并且電加工越來越占優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)，形狀復(fù)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(gè)發(fā)展方向。在這些加工方法中，發(fā)展較快的是機(jī)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(jiǎn)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(gè)方面：

◆高精度化：認(rèn)為銑削加工是普通加工的時(shí)代已經(jīng)過去。機(jī)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(jī)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(jí)可達(dá)±1.5mm，使銑削加工機(jī)床進(jìn)入了精密機(jī)床的領(lǐng)域。

◆加工效率高速化：隨著刀具、電機(jī)、軸承、數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)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(jìn)給速度提高到1～6m/min，快速進(jìn)給速度由8～12m/min提高到30～40m/min，換刀時(shí)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(duì)硬度為36～52HRC的工件進(jìn)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(jìn)了模具加工技術(shù)的進(jìn)步，特別是對(duì)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(dāng)完美，但作為一個(gè)加工體系，確實(shí)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(jìn)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(jìn)步，使電火花成形加工表面粗糙度達(dá)到Rmax0.6～0.8mm，而且可以進(jìn)行大面積加工。并且由于電極損耗不斷降低（最小達(dá)0.1%）以及對(duì)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(jìn)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(guó)外認(rèn)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(xiǎn)。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(chǎng)被別的加工設(shè)備占領(lǐng)了，特別是對(duì)大型電火花成形加工機(jī)床的發(fā)展會(huì)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(gè)加工體系，本身也在不斷地發(fā)展，針對(duì)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。總體來說，“電火花銑削加工”是以提高電火花成形加工效率為目標(biāo)，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(guó)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(dòng)棒狀（管狀）電極旋轉(zhuǎn)，配合工作臺(tái)及主軸的數(shù)控軌跡運(yùn)動(dòng)及伺服進(jìn)給，其加工成形方式類似于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)管電極，而在數(shù)控進(jìn)給中成形，這大大簡(jiǎn)化了電極的設(shè)計(jì)、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(yù)計(jì)“電火花銑削加工”將有新的進(jìn)展，與高速銑削加工會(huì)進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

    隨著電子、電器、通訊、計(jì)算機(jī)等行業(yè)的迅速發(fā)展，精密、微細(xì)、復(fù)雜模具的加工越來越多，市場(chǎng)越來越大，這些模具的加工正是電火花成形加工的優(yōu)勢(shì)。因此，在競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮電火花成形加工的優(yōu)勢(shì)，即應(yīng)重點(diǎn)向精密、復(fù)雜、微細(xì)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(dá)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(biāo)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(diǎn)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(chǎng)中放入磁性磨料，磁性磨料在磁場(chǎng)力的作用下形成磁粒刷，當(dāng)工件在磁場(chǎng)中相對(duì)磁極做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁粒刷將對(duì)工件表面進(jìn)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(fù)雜型面。

    2）磁粒研磨的特點(diǎn) 

◆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(duì)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(huì)影響加工區(qū)域磁場(chǎng)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(shí)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(fù)雜的表面。

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

◆受磁場(chǎng)力的作用，磨料不易飛散，磨料的耐用度高可反復(fù)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(shí)，可對(duì)陶瓷等超硬的非金屬進(jìn)行加工。

◆加工設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低。

該技術(shù)在國(guó)外研究得較多，在國(guó)內(nèi)研究的人還很少，筆者認(rèn)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(chǎng)新的革命。

    21世紀(jì)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(biāo)是提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計(jì)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(gè)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(xué)科多功能綜合產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)； 

◆虛擬現(xiàn)實(shí)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)。