發(fā)展中的模具先進(jìn)制造技術(shù)
信息來(lái)源：fromsite 發(fā)布時(shí)間：2006-11-10 9:34:57 責(zé)任編輯：gaoyuan4332068 分享到： 
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1、引言
模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，受到政府和企業(yè)界的高度重視，發(fā)達(dá)國(guó)家“模具工業(yè)是進(jìn)入富裕社會(huì)的源動(dòng)力”之說(shuō)，可見(jiàn)其重視的程度。當(dāng)今，“模具就是經(jīng)濟(jì)效益”的觀念，已被越來(lái)越多的人所接受。而在模具制造中，廣泛采用各種先進(jìn)的制造技術(shù)并使之不斷發(fā)展完善，是促進(jìn)模具工業(yè)興旺發(fā)達(dá)的必由之路。 模具先進(jìn)制造技術(shù)從廣義上講是模具制造業(yè)不斷吸取信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，并將其綜合應(yīng)用于模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的模具制造全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗和靈活生產(chǎn)，提高在多變的市場(chǎng)中的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的模具制造技術(shù)的總稱。模具先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)就是：客戶化、小批量和快速交貨。 而其總的發(fā)展趨勢(shì)是：高效化、精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、集成化和全球化。模具產(chǎn)品要達(dá)到：功能(Function)、交貨期(Timetomarket)、質(zhì)量(Quality)、價(jià)格(Cost)、和服務(wù)(Service)均優(yōu)良，即FTQCS五要素缺一不可。 本文介紹在模具制造領(lǐng)域中已經(jīng)采用的和正在發(fā)展的先進(jìn)加工制造技術(shù)。 2、模具加工的前沿技術(shù)——高速數(shù)控加工 高速數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)是①高速主軸及高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床；②高速加工刀具系統(tǒng)；③基于CAD/CAM自動(dòng)化數(shù)控編程 2.1 高速數(shù)控切削 主要針對(duì)車削和銑削。一般高速數(shù)控切削的主軸轉(zhuǎn)速比普通數(shù)控切削轉(zhuǎn)速高1～10倍。高速數(shù)控切削的另一個(gè)內(nèi)涵是采用高的進(jìn)給速度。維持切削力不變，提高轉(zhuǎn)速就能夠提高切除率，減少切削時(shí)間；維持進(jìn)給速度在普通切削水平，提高轉(zhuǎn)速就能夠降低切削力，可以加工較細(xì)或較薄的模具零件。 高速主軸是高速數(shù)控切削的首要條件。目前主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)100000轉(zhuǎn)/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以達(dá)到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削。 2.1.1 高速主軸有以下幾種漸變形式 (1)保持架采用陶瓷的滾珠軸承高速電動(dòng)主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.5μm，轉(zhuǎn)速達(dá)到15000轉(zhuǎn)/min以上 (2)采用液體靜壓軸承的高速電動(dòng)主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度在0.2μm以下，轉(zhuǎn)滾達(dá)到100000轉(zhuǎn)/min。 (3)采用空氣靜壓軸承的高速電動(dòng)主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度可在50nm以下，轉(zhuǎn)速可高達(dá)200000轉(zhuǎn)/min。正在開(kāi)發(fā)之中。 (4)采用磁懸浮軸的高速電動(dòng)主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.2μm，剛性非常好。正在開(kāi)發(fā)之中。 2.1.2 高速數(shù)控切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)
(1)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速化，即采用大導(dǎo)程滾珠絲杠和高速伺服電機(jī)；直線電機(jī)和精密直線導(dǎo)軌。進(jìn)給速度可達(dá)60～120m/min。 (2)運(yùn)動(dòng)部件輕量化和伺服進(jìn)給控制精密化。 (3)已研制出三、四、五軸聯(lián)動(dòng)高速數(shù)控切削機(jī)床�？杉庸�(fù)雜型面的模具。 (4)新運(yùn)動(dòng)原理機(jī)床：高速數(shù)控切削領(lǐng)域出現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的六桿機(jī)床、三桿五軸機(jī)床和四桿機(jī)床。正在不斷完善和發(fā)展之中。 2.1.3 高速數(shù)控切削刀具系統(tǒng) (1)刀具材料：有鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氧化鋁基和氧化硅基陶瓷、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼等。 (2)刀柄結(jié)構(gòu)：要求具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度、很高的裝夾剛度和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的完全可靠性。 (3)安裝刀具的模塊化：有典型的HSK型刀柄及其連接結(jié)構(gòu)、液壓膨脹夾頭、TRIBOS力脹套夾頭等。 2.1.4 高速數(shù)據(jù)切削發(fā)展趨勢(shì) 研制大功率高速主軸，功率≥100kW，轉(zhuǎn)速≥100000轉(zhuǎn)/min。 2.2 高速數(shù)控磨削關(guān)鍵技術(shù) 2.2.1 高速主軸 要求具有高速動(dòng)平衡，可采用機(jī)電動(dòng)平衡系統(tǒng)或電液動(dòng)平衡系統(tǒng)。 2.2.2 高速數(shù)控磨床結(jié)構(gòu) 組合多種磨削功能，具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振、高穩(wěn)定性、高自動(dòng)化和高可靠性。 2.2.3 高速數(shù)控磨削砂輪 要求整體具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，高速時(shí)完全可靠，外觀鋒利，結(jié)合劑必須具有很高的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性以減少砂輪的磨損，高速砂輪采用等強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和形狀。 2.2.4 冷卻系統(tǒng) 要求冷卻液具有較高的熱容量和熱傳導(dǎo)率以提高冷卻效率，能承受較高的壓力，有良好的過(guò)濾性、良好的防腐性和高附著力，有較高的穩(wěn)定性，不起泡，不變色，對(duì)健康無(wú)害，易于清洗，有利于環(huán)境保護(hù)。 2.2.5 高速數(shù)控磨削的發(fā)展趨勢(shì) 研制大功率高速主軸，研制適應(yīng)高速磨削的新型砂輪，改進(jìn)磨床結(jié)構(gòu)，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，磨速向超音速發(fā)展達(dá)250～350m/s以上。 2.3 基于CAD/CAM自動(dòng)化數(shù)控編程 高速數(shù)控加工作為模具加工的前沿技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用先進(jìn)的CAD/CAM集成設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，進(jìn)行圖形交互的自動(dòng)數(shù)控編程，這種方法速度快、精度高、直觀、使用簡(jiǎn)便和便于檢查。而解決高速數(shù)控加工編程的關(guān)鍵是NURBS插補(bǔ)技術(shù)，其特點(diǎn)如下： (1)可以在NC控制器下進(jìn)行樣條曲線插補(bǔ)計(jì)算。
(2)減少數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。 (3)在CAD-CAM-CNC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確傳遞。 (4)易于生成光順的刀具軌跡。這對(duì)加工高質(zhì)量的復(fù)雜型面的模具極為有利。 3、發(fā)展面向快速制造的特種加工技術(shù) 面向快速制造的特種加工技術(shù)是在傳統(tǒng)的特種加工技術(shù)與材料技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合的基礎(chǔ)上，隨著快速響應(yīng)市場(chǎng)需求而逐步發(fā)展起來(lái)的。 3.1 基于分層制造思想，利用簡(jiǎn)單工具實(shí)現(xiàn)三維成型加工的去除型特種加工技術(shù)包括數(shù)控電火花仿銑加工技術(shù)、數(shù)控電化學(xué)銑削加工技術(shù)和數(shù)控超聲波加工技術(shù)。普通的電火花、電化學(xué)、超聲波成形加工利用形狀拷貝原理將工具的形狀復(fù)制到工件上。要得到一定精度的模具三維形狀，就需要制作與其形狀相同、凸凹相反的工具，并嚴(yán)格控制工作液在加工間隙中的流場(chǎng)分布。為節(jié)省大量的復(fù)雜形狀工具的制造費(fèi)用和時(shí)間，簡(jiǎn)化工作液的流動(dòng)控制，可采用簡(jiǎn)單形狀的工具，依照數(shù)控銑削那樣依靠機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)來(lái)加工出復(fù)雜的模具三維型面的新型加工工藝技術(shù)。 這必須解決如下幾個(gè)技術(shù)難題： ①實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的穩(wěn)定控制； ②具有確定的材料去除規(guī)律及工具損耗規(guī)律； ③實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程建模； ④研制出相應(yīng)的CAD/CAM軟件。為有效地簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性，將采用類似快速成形的分層制造加工模式，并嚴(yán)格控制每一層的加工余量，確保工具只有底面實(shí)現(xiàn)加工，而側(cè)面不參與加工，從而使復(fù)雜的模具三維型面加工問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列平面加工問(wèn)題。 3.2 基于電場(chǎng)控制、溶解與切削相結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù) 此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效光整、高效精密模具成形加工，或光整及精密模具成形的一體化加工。 一般而言，細(xì)砂輪精密磨削加工精度高，但砂輪堵塞不易修整，加工曲面時(shí)砂輪損耗補(bǔ)償也困難，且磨削力大，被加工表面易產(chǎn)生變質(zhì)層，影響零件的表面質(zhì)量；相比之下，電化學(xué)溶解加工精度雖低，但效率高，不存在工具損耗且無(wú)切削力，被加工零件表面質(zhì)量好；而散粒體研磨由于加工壓力容易控制，因此加工表面質(zhì)量好，但整形能力差，且效率低。因此，以鈍性工作液為紐帶，結(jié)合電場(chǎng)控制策略，探索這些工藝的復(fù)合方法，以充分發(fā)揮其各自的長(zhǎng)處，可發(fā)展出復(fù)雜曲面形狀和光整一體化加工技術(shù)。具體包括電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)，化學(xué)機(jī)械加工技術(shù)，超聲放電復(fù)合加工技術(shù)，時(shí)變場(chǎng)控制、磁場(chǎng)輔助的電化學(xué)及電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)，時(shí)變場(chǎng)控制的電解在線修整砂輪磨削加工技術(shù)，時(shí)變場(chǎng)控制電化學(xué)及磁粒研磨的復(fù)合加工技術(shù)等。 (源自：) 3.3 三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化技術(shù)
電火花精加工模具零件時(shí)，需要采用較小的放電能量和加工間隙。這樣當(dāng)加工面積較大時(shí)，工作和電極間就會(huì)形成較大的寄生電容，導(dǎo)致易產(chǎn)生集中放電現(xiàn)象，影響表面的加工質(zhì)量。 這里采用在普通煤油工作液中添加固體微細(xì)粉末的方法，來(lái)增大精加工的極間距離、減小電容效應(yīng)、增大放電通道的分散性。從而可使排屑好、放電穩(wěn)定、加工效率提高，并有效降低加工表面的粗糙度。同時(shí)使用混粉工作液還可在模具工件表面形成硬度較高的鍍層，提高模具型腔表面的硬度和耐磨性，實(shí)現(xiàn)模具三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化。 3.4 基于RP技術(shù)的特種加工技術(shù)，以及面向RP技術(shù)的特種加工工藝組合技術(shù) 快速成形技術(shù)已成為模具制造的有效手段，正以其特有的制造哲理深刻地變革著模具制造領(lǐng)域，未來(lái)的模具制造體系必然綜合材料增長(zhǎng)制造和去除加工兩種原理，以實(shí)現(xiàn)模具零件的快速制造，使特殊材料(如功能梯度材料)零件的直接制造成為可能，使得人們長(zhǎng)期以來(lái)設(shè)想的按力學(xué)、電磁學(xué)性能來(lái)設(shè)計(jì)制造新材料零件變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。應(yīng)該探索快速成形技術(shù)與電鑄、電弧噴涂、等離子噴涂、等離子熔射成形、澆注、精密鑄造、電火花等特種加工方法的組合工藝技術(shù)，為特殊性能材料零件和金屬模具的快速制造提供嶄新的技術(shù)手段。 3.4.1 直接利用RP工藝，結(jié)合相應(yīng)的后處理工藝或快速精密鑄造工藝制造模具的方法 (1)直接生成金屬模具零件的方法：利用金屬粉末燒結(jié)(SLS)制成的原型件，直接進(jìn)行金屬熔滲處理，形成金屬模具零件。 (2)直接生成非金屬模具零件的方法：利用SLA、FDM或LOM方法，直接制造樹(shù)脂、ABS塑料模具零件。 (3)直接生成消失模的方法：用SLS方法直接制造鑄造用的消失蠟?zāi)＃瑢?shí)現(xiàn)零件的快速精密鑄造。 3.4.2 基于RP原型件，結(jié)合相應(yīng)的特種加工工藝，間接制造模具的方法 (1)基于RP原型，與電鑄工藝、金屬噴涂、陶瓷涂覆工藝相結(jié)合，快速制造金屬或陶瓷模具的工藝技術(shù)。 (2)基于RP原型，澆注硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨脂等軟材料，直接制造軟模具。 3.4.3 基于RP原型，結(jié)合相應(yīng)的特種加工工藝，快速制造電加工的電極，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具零件的快速電火花成形加工 (1)在原型或原型制作的母模上刷涂導(dǎo)電層，再電鑄或電鍍形成金屬電極。 (2)直接在原型上進(jìn)行金屬冷噴涂形成金屬電極。 (3)利用原型制造母模，充實(shí)粉末，再壓實(shí)燒結(jié)形成電極。 (4)在原型制作的母模內(nèi)充入石墨粉與粘接劑的混合物，固化形成石墨電極。 (5)在原型制作的母模內(nèi)充入環(huán)氧樹(shù)脂與碳化硅粉的混合物，首先形成研磨模，再在專用振動(dòng)研磨機(jī)上研磨出石墨電極。
4、表面工程技術(shù)進(jìn)展 模具材料是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求，采用表面工程技術(shù)可在一定程度上彌補(bǔ)模具材料的不足�？捎糜谀＞咧圃斓谋砻婀こ碳夹g(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的激光表面強(qiáng)化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)、復(fù)合電鍍技術(shù)、復(fù)合電刷鍍技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)等。而稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)的進(jìn)展必將進(jìn)一步推動(dòng)模具制造的表面工程技術(shù)的發(fā)展。在此僅介紹稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)。 4.1 稀土表面工程技術(shù) 表面工程技術(shù)中加入稀土元素通常采用化學(xué)熱處理、噴涂噴焊、氣相沉積、激光涂覆、電沉積等方法。 (1)稀土元素對(duì)化學(xué)熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用，大大優(yōu)化工藝過(guò)程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加，改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性的抗沖擊磨損性。 (2)利用熱噴涂和噴焊技術(shù)，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。 (3)物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大小密切相關(guān)，稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，膜層表面致密度明顯增大。同時(shí)，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善，例如應(yīng)用于模具表現(xiàn)的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，提高了模具的使用壽命。 (4)含稀土化合物的涂覆層，可大幅度提高模具金屬材料表面對(duì)激光輻照能量的吸收率，對(duì)降低能耗和生產(chǎn)成本，以及推廣激光表面工程技術(shù)都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后，組織和性能發(fā)生明顯改善，涂覆層的硬度和耐磨性顯著提高，耐磨性是45鋼調(diào)質(zhì)的5～6倍。對(duì)加入CeO2的熱噴涂層進(jìn)行激光重溶，研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細(xì)化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金，稀土化合物質(zhì)點(diǎn)在其中彌散強(qiáng)化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增強(qiáng)，有的文獻(xiàn)報(bào)道稀土元素提高了耐磨性達(dá)1～4倍。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物。 (5)把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍、電鍍等電沉積方法。稀土甘氮酸配合物的加入使鍍層防氧鈍化壽命明顯提高；稀土元素有催化還原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化，明顯改善了鍍層的減摩性能，提高了抗腐蝕的能力，使模具型腔表面的耐磨壽命延長(zhǎng)近5倍。 4.2 納米表面工程技術(shù)
納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過(guò)特定的加工技術(shù)、加工手段，對(duì)固體表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性、超精細(xì)加工，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。納米表面工程技術(shù)是極具應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力的。 (1)制作納米復(fù)合鍍層。在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點(diǎn)粉體材料可形成納米復(fù)合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復(fù)合鍍層，可使模具壽命延長(zhǎng)、精度持久不變，長(zhǎng)時(shí)間使用鍍層光滑無(wú)裂紋。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復(fù)合鍍層。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層，可提高鍍層在550-850℃的高溫抗氧化性能使鍍層的耐蝕性提高2～3倍，耐磨性和硬度也都明顯提高。采用Co-DNP納米復(fù)合鍍層，在500℃以上，與Ni基、Cr基Co基復(fù)合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高。在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐�，加入納米粉體材料，也可制備出性能優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層。 (2)制作納米結(jié)構(gòu)涂層。熱噴涂技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)涂層的一種極有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡(jiǎn)單、涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大、沉積速率快，以及容易形成復(fù)合涂層等等。與傳統(tǒng)熱噴涂涂層相比，納米結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種涂層可同時(shí)具有上述多種性能。 5、結(jié)束語(yǔ) 模具先進(jìn)制造技術(shù)種類繁多，幾乎大部分的先進(jìn)制造技術(shù)都可以應(yīng)用到模具制造中，而且在不斷發(fā)展之中，在此不可能盡數(shù)概述。從我國(guó)的國(guó)情出發(fā)，所有模具企業(yè)都盡快采用高速數(shù)控加工技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樵O(shè)備及技術(shù)裝備費(fèi)用昂貴。而適當(dāng)采用相對(duì)廉價(jià)的面向快速制造的特種加工技術(shù)，而值得某些模具企業(yè)考慮。從不同角度講，除了上述發(fā)展中的模具先進(jìn)制造技術(shù)以外，還有模具反求工程技術(shù)(Reverse Engineering)、模具虛擬制造技術(shù)(Virtual Manufacruring)、模具柔性制造技術(shù)(FMS)和模具集成制造技術(shù)(CIMS)等。而有人提出，下一代的先進(jìn)制造技術(shù)采用可重構(gòu)和可擴(kuò)展的制造設(shè)備和系統(tǒng)、知識(shí)供應(yīng)鏈和獨(dú)立制造島等。 |
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