特種加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

摘 要：本文詳細介紹了特種加工中的電火花加工、電火花線切割、電子束加工、快速成型技術(shù)的主要原理、工藝流程和技術(shù)特點，并以實例說明這些技術(shù)在模具型腔加工、模具成形加工、模具冷卻水路加工、模具翻制方面的應(yīng)用。最后歸納了這些技術(shù)在模具制造中的優(yōu)勢，為這些技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：特種加工 模具型腔加工 模具冷卻水路加工 增材法模具制造

特種加工通指不僅用機械能而且還采用電、化學、光、聲等能量進行加工的加工技術(shù)。自1943年電火花加工面世后，特種加工獲得了空前發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于材料硬、脆、加工難度高、零件形狀相對復(fù)雜、加工精度高、表面粗糙度要求高等各種特殊場合，特別是模具制造中，特種加工更是得到了越來越多的應(yīng)用。特種加工有自身特點，與傳統(tǒng)機械加工有本質(zhì)不同：其對工件進行加工時，不是主要依靠機械能，而是主要用聲、光、電等其他能量去除材料；不是依靠工具的切削力對材料進行去除，工具與工件間沒有顯著切削力；無需工具硬度高于工件硬度，如電火花加工中，柔軟的銅絲可加工超硬的沖模材料。

模具制造是特種加工的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。高效的生產(chǎn)效率、高品質(zhì)的精度保證和相對低廉的生產(chǎn)成本是目前很多企業(yè)采用特種加工技術(shù)進行模具制造的主要原因。特種加工按成形方式有去除材料加工和添加材料加工，本文主要介紹去除材料加工中的電加工，包括電火花加工（Electrical Discharge Machining EDM）和電火花線切割（Wire Electrical Discharge Machining WEDM ）兩種、電子束加工（Electron Beam Machining EBM）及添加材料加工中的快速成型（Rapid Protoyping RP）及它們在模具中的應(yīng)用。

1.電加工（EDM、WEDM）

電加工的原理是基于工具與工件之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。電火花是脈沖電源產(chǎn)生的一種自激放電，是一種利用電、熱能量進行加工的方法。在加工過程中，使工具電極和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬時產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來。火花放電時兩個電極間在放電前具有較高的電壓，當兩電極接近時，其間介質(zhì)被擊穿，隨后發(fā)生火花放電。伴隨擊穿過程，兩電極間的電阻急劇變小，兩極之間的電壓也隨之急劇變低，火花通道維持時間很短，使電火花產(chǎn)生的瞬時高熱量作用于極小的范圍和深度，以達到工件局部熔化、氣化并隨火花油拋出的目的。

電加工具有下述特點：加工性能僅與材料導(dǎo)電性有關(guān)，不受材料硬度影響，故可加工傳統(tǒng)機械加工是難于處理的高硬度材料，可進行熱處理后進行加工，減少后續(xù)加工變形量；加工時，工具與工件間有一定間隙，兩者間宏觀作用力小，可用相對軟的工具，工具電極易于制造；放電時間短，工件熱影響層薄，有利于保持工件性能；直接利用電能加工，便于實現(xiàn)加工過程的自動化。由于電加工的上述特點，其在模具行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)資料統(tǒng)計，模具工業(yè)中30%-50%的加工量是電加工機床直接完成，電加工機床已成為模具制造中不可或缺的重要設(shè)備。由于電加工不受導(dǎo)電工件硬度限制，它的加工優(yōu)勢在模具加工行業(yè)得到凸顯，成為在許多情況下常規(guī)加工技術(shù)無法替代的加工方法。電火花加工（EDM）主要用于注射模具制造中，尤其是成型產(chǎn)品復(fù)雜的模具，其中如型芯、鑲件、滑塊、斜銷等零件溝槽、拐角特別多，用電火花加工具有很大優(yōu)越性，因此對于精密注射模，電火花加工方法占據(jù)主導(dǎo)地位。

電火花線切割是在電火花加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝。以很細金屬絲為工具電極，不需要成型的工具電極，一方面可以加工微細異形孔、窄縫和復(fù)雜形狀的工件，另一方面縮短了新產(chǎn)品試制時間，增加了產(chǎn)品加工的快速性和柔性。在模具中主要用于工具電極的切割與沖模中凸凹模的切割。

2.電子束加工（EBM）

電子束是近年來得到快速發(fā)展的特種加工。它的工作原理是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，快速沖擊到工件表面，大部分能量轉(zhuǎn)變成熱能，使工件表面材料快速熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。

由于電子束在磁場中能偏轉(zhuǎn)，因此電子束不僅能加工直孔和直型面，也能加工彎孔和曲面，加工示意圖如圖1所示。電子束的這種性能，給模具冷卻水路加工提供了一種可行方法。當模具型腔較復(fù)雜時，采用傳統(tǒng)直水路，起不到良好的冷卻效果，如水路能與型腔表面形狀保持一致，則冷卻效果明顯。這種依據(jù)型腔形狀而改變形狀的水路稱為隨形水路，也叫異型水路，它能均衡型腔溫度，縮短模具冷卻時間，改善塑料產(chǎn)品質(zhì)量。

3.快速成型（RP）

快速成型基于增材加工法，可以自動、直接、快速、精確的將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯蛹庸ち慵瑥亩梢詫Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。以RP系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的的快速工裝模具制造、快速精鑄技術(shù)則可實現(xiàn)零件的快速制造。

快速成型中的選擇性激光粉末燒結(jié)成形（Selected Laser Sintering SLS）是由美國的C.R.Dechard于1989年研制成功，可用于加工形狀復(fù)雜的模具。使用傳統(tǒng)方法，復(fù)雜模具的加工成本高，加工周期長。但是對于SLS來說，再復(fù)雜的模具也可一次加工成型，可直接加工金屬模具，也可制作出原型件后快速翻制各種模具。

結(jié)束語

模具制造行業(yè)的主要特征是工件材料硬度高，工件精度要求高、工件形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高，這正是特種加工所具有的典型特征，也是傳統(tǒng)機加工缺限所在。故用特種加工技術(shù)進行模具加工能充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)點，制造出高效率、高品質(zhì)的模具。近年來獲得快速發(fā)展的快速成型能直接加工復(fù)雜模具，也可先直接加工零件，再用已制好零件翻制模具，縮短產(chǎn)品制造周期。

參考文獻：

[1]Gibson I，Rosen D，Stucker B. Additive manufacturing technologies： rapid prototyping to direct digital manufacturing[M].New York：Springer，2009.

[2]宮海軍，王懋露，王揚. 金屬材料的疊加制造技術(shù)及其在工具制造中的應(yīng)用[J].電加工與模具，2012（5）：44-49.

[3]Rannar L，Glad A，Gustafson C. Efficient cooling with tool inserts manufactured by electron beam melting[J].Raped prototyping journal，2007（13）：128-135.

[4]劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].機械工業(yè)出版社，2010，1.