模具型腔的精密加工工序是模具加工的最后一道工序,是直接影響模具質量好壞的最重要的一環,它占整個模具加工量的30%~40%左右,因此倍受國內外專家的重視。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)已經實現了高度自動化,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、生產效率低、產品的質量沒有保障。而其它方法雖然效果也不錯,從產品的質量、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域有自己的用武之地,卻很難廣泛地推廣使用。
國外大多數模具廠家都采用模具設計、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計;利用虛擬現實系統進行裝配試模,發現干涉及時調整,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,模具型腔表面的精密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:
一、模具型腔的多樣化和不規則性。在很多場合下,模具的型腔表面都是三維不規則的自由曲面,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。即使用現代的數控加工技術來控制刀具或磨具的運動,也給數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自動化的根本原因。
二、用于模具光整加工的刀具或磨具的自適應性和柔性差。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整的能力,也就是所謂的自適應性,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。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。
三、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,結果也不理想。
目前,我國對模具型腔精密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勢。此外,就是模具CAD/CAM技術的應用,但由于模具本身的特點,形狀復雜難于規范化,所以型腔模CAD/CAM的開發不如沖模及塑料模在CAD/CAM上開發得那么成熟。盡管如此,這仍是型腔模加工方法的一個發展方向。在這些加工方法中,發展較快的是機械加工中的銑削技術、磨削技術和電加工中的電火花成形加工技術,分別簡介如下。
1、銑削加工技術的崛起——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展,主要體現在以下幾個方面:
◆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構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域。
◆加工效率高速化:隨著刀具、電機、軸承、數控系統的進步,高速銑削技術迅速崛起。目前主軸轉速已從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:高速銑削技術與新型刀具(金屬陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬質合金刀具等)相結合,可對硬度為36~52HRC的工件進行加工,甚至可加工60HRC的工件。
高速銑削加工技術的發展,促進了模具加工技術的進步,特別是對汽車,家電行業等中、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
高速銑削技術發展了,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。
◆電火花成形加工的技術進步:由于微精密加工脈沖電源、工作液、混硅粉加工工藝等相關技術的進步,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域。