模具加工中的特種加工技術應用

首都航天機械公司 張 昆

隨著科學技術的發展、新材料的不斷涌現，越來越多的模具采用了具有高強度、高硬度、高韌性、高脆性、耐高溫等特殊性能的難加工材料，金屬切削加工已經難以應對，傳統的加工方法也難以再滿足要求，以數控電火花加工為代表的特種加工技術解決了難加工材料的模具加工難題，以激光快速成形為代表的增材制造技術也為模具加工提供了新的加工方法。

1.數控電火花加工技術在現代模具制造中的應用

某些大型模具常規加工方法是退火后進行銑削加工，然后進行熱處理、磨削加工，最后手工打磨、拋光等，加工周期很長。有些零件在熱處理時由于結構的原因還可能導致變形，需要二次修整時由于硬度增加機械銑削加工有時反而無能為力。而數控電火花加工最突出的一個特點就是對材料硬度、熱處理狀態等沒有要求，加工時所使用的工具電極材料一般為純銅、石墨，可以實現“以柔克剛”。采用數控電火花加工淬火后的模具，既可以避免熱變形的弊病，又能減少工序、提高模具強度與壽命，可謂一舉多得。對于某些高溫合金、鈦合金類模具，常規機械加工刀具損耗比較嚴重，有時往往需要購買進口專用刀具，不但加工成本高，加工周期也很長，雖然數控電火花加工效率比常規機械加工要低，但是對于高溫合金、鈦合金類等難加工材料來說，數控電火花加工的綜合成本有時反而會低于常規機械加工。這種情況下，采用數控電火花加工反而更具優勢。

由于數控電火花加工時工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小，所以不存在機械加工后的應力釋放問題，對于某些薄型模具來說，采用數控電火花加工或線切割加工是一個極好的選擇。比如目前先進的慢走絲線切割機床可以使用的最小電極絲直徑可以達到0.02mm，對于某些窄槽類模具可以直接切割成形，從而使零件加工走進了微觀尺寸時代。而在以前，對于小于0.1mm的細窄槽，常規加工方法根本無能為力。

多軸聯動精密數控電火花加工機床的出現使某些復雜結構的模具加工成為可能。比如某些深腔類復雜模具，以前一般采用分體模具加工，最后組合成型，或者采用復雜電極單軸加工完成，工藝設計比較復雜，所需工裝較多。借助于三維軟件的強大后處理功能，多軸聯動精密數控電火花加工機床可以利用簡單電極實現復雜的空間運動，大大簡化了數控電火花加工模具的電極設計。比如，某些圓周均布結構，如果采用三軸數控電火花成形機則需要使用數控轉臺或工裝旋轉分度，而利用一臺內置C軸的四軸聯動精密數控電火花成形機則不需要任何工裝，只需利用C軸旋轉分度即可加工，大大降低了生產材料成本。

2.激光快速成形技術對模具設計、開發與制作的影響

激光快速成形技術，是增材制造技術的一種，一般形象地稱之為3D打印技術，它的出現，改變了人們常規的模具設計、開發與制作觀念。一般而言，模具的制造成本在整個制造過程中所占比例較大，同時也限制了產品設計的自由性。使用激光快速成形技術可以減少傳統工藝對模具的依賴，同時也減少了對加工模具所需高精度機床的需求，可以快速進行低成本的單件小批量生產。

激光快速成形技術經過多年的發展，已經具備了工程化應用條件，市場上也有比較成熟的商品機出售，所用的材料既有塑料等非金屬粉末也有鈦合金等金屬粉末。對于精度要求不高的金屬模具，可以采用激光快速成形技術直接制造，然后采用噴丸、磨粒流加工等工藝進行表面光整，而對于精度較高的金屬模具則可以采用激光快速成形技術制造再采用機械加工或數控電火花加工進行精密成型后處理。

有了3D打印技術，模具設計可以完全擺脫常規制造工藝的限制，設計人員可以發揮想象，進行完全面向對象的三維模型設計，經過簡單的工藝處理，就可以很快地加工出模具來。激光快速成形技術的出現對模具設計將會帶來革命性的變化，可以實現全定制化和個性化的設計與制造。比如以往設計一套模具為了裝配的需要不得不拆分成多個零部件，為了聯接還需要增加法蘭、螺栓等，導致整套模具不但體積較大，結構也比較復雜。而有了激光快速成形技術則可以不必局限于此，采用激光選區熔化（簡稱SLM）技術可以將某些組合空腔、轉軸結構直接一體成形；由于激光快速成形后的工件材料性能遠優于鑄件，加工精度也高于普通鑄造，并且沒有疏松、氣孔等缺陷，對于某些復雜深腔類模具，常規工藝一般采用鑄造、分模銑削、電火花加工等，工序多，周期長，采用激光快速成形技術可以直接成形；另外，有了激光快速成形技術可以優化模具設計，比如塑料制品的注塑模具，工藝上一般需要有冷卻結構設計，常規的方法是根據模具結構單獨設計，并且設計時要考慮加工、安裝可行性，在冷卻效果上也達不到理想的設計效果。對于設計者來說，如果根據模具形狀能將冷卻管路設計成螺旋結構、S形結構、交叉非對稱網格結構等往往是最理想的，但是常規的制造技術往往難以實現，而采用激光快速成形可以很容易制造出來，利用此技術制造的模具在生產注塑產品時可以實現均勻冷卻，產品質量也會大大提高。

隨著科學技術的發展，3D打印技術將在今后的模具加工中會發揮出越來越重要的作用。尤其是現代社會節奏快，人們對新產品的要求高，新產品的開發周期越來越短，模具制造業面臨越來越激烈的挑戰，如何實現設計的快速響應是產品取得成功的關鍵。采用激光快速成形技術可以在很短的時間內將設計的模型變成產品，大大增強產品的競爭力。在產品設計初期，開發者可以采用3D技術直接制造產品進行測試，然后根據用戶使用意見修改設計，完善后可以再次試制測試，這樣可以大大縮短產品設計周期，等產品定型后就可以進行模具開發設計并實現批產，這樣可以大大降低產品開發成本。

3.結語

數控電火花加工技術比較成熟，已經廣泛地應用于模具加工中，在某些模具加工中比常規方法更具優勢；激光快速成形技術由于在成形精度方面還不能滿足模具的加工要求，目前主要應用于產品研發，相信隨著技術創新的不斷進步，未來肯定會在模具加工領域發揮更大的作用。