发展中的模具先进制造技术

作者：大连理工大学模具研究所 郭东明 王昌 于同敏

欢迎访问e展厅 展厅 5 模具相关产品展厅 模具CAD/CAM, 模具钢材, 模具抛光机, 模具保护器, 模具监视器, ... 1、引言 模具工业是国民经济的基础工业，受到政府和企业界的高度重视，发达国家“模具工业是进入富裕社会的源动力”之说，可见其重视的程度。当今，“模具就是经济效益”的观念，已被越来越多的人所接受。而在模具制造中，广泛采用各种先进的制造技术并使之不断发展完善，是促进模具工业兴旺发达的必由之路。 模具先进制造技术从广义上讲是模具制造业不断吸取信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于模具产品设计、加工、检验、管理、销售、使用、服务乃至回收的模具制造全过程，以实现优质、高效、低耗和灵活生产，提高在多变的市场中的适应能力和竞争能力的模具制造技术的总称。模具先进制造技术的一个发展趋势就是：客户化、小批量和快速交货。 而其总的发展趋势是：高效化、精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、集成化和全球化。模具产品要达到：功能(Function)、交货期(Timetomarket)、质量(Quality)、价格(Cost)、和服务(Service)均优良，即FTQCS五要素缺一不可。 本文介绍在模具制造领域中已经采用的和正在发展的先进加工制造技术。 2、模具加工的前沿技术--高速数控加工 高速数控加工的关键技术是①高速主轴及高速进给驱动系统机床；②高速加工刀具系统；③基于CAD/CAM自动化数控编程 2.1 高速数控切削 主要针对车削和铣削。一般高速数控切削的主轴转速比普通数控切削转速高1～10倍。高速数控切削的另一个内涵是采用高的进给速度。维持切削力不变，提高转速就能够提高切除率，减少切削时间；维持进给速度在普通切削水平，提高转速就能够降低切削力，可以加工较细或较薄的模具零件。 高速主轴是高速数控切削的首要条件。目前主轴转速可达100000转/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以达到模具零件的镜面车削和镜面铣削。 2.1.1 高速主轴有以下几种渐变形式 (1)保持架采用陶瓷的滚珠轴承高速电动主轴，主轴回转精度达0.5μm，转速达到15000转/min以上 (2)采用液体静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度在0.2μm以下，转滚达到100000转/min。 (3)采用空气静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度可在50nm以下，转速可高达200000转/min。正在开发之中。 (4)采用磁悬浮轴的高速电动主轴，主轴回转精度可达0.2μm，刚性非常好。正在开发之中。 2.1.2 高速数控切削机床的结构 (1)进给驱动系统的高速化，即采用大导程滚珠丝杠和高速伺服电机；直线电机和精密直线导轨。进给速度可达60～120m/min。 (2)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化。 (3)已研制出三、四、五轴联动高速数控切削机床。可加工复杂型面的模具。 (4)新运动原理机床：高速数控切削领域出现并联结构的六杆机床、三杆五轴机床和四杆机床。正在不断完善和发展之中。 2.1.3 高速数控切削刀具系统 (1)刀具材料：有镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基和氧化硅基陶瓷、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等。 (2)刀柄结构：要求具有很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时的完全可靠性。 (3)安装刀具的模块化：有典型的HSK型刀柄及其连接结构、液压膨胀夹头、TRIBOS力胀套夹头等。 2.1.4 高速数据切削发展趋势 研制大功率高速主轴，功率≥100kW，转速≥100000转/min。 2.2 高速数控磨削关键技术 2.2.1 高速主轴 要求具有高速动平衡，可采用机电动平衡系统或电液动平衡系统。 2.2.2 高速数控磨床结构 组合多种磨削功能，具有高动态精度、高阻尼、高抗振、高稳定性、高自动化和高可靠性。 2.2.3 高速数控磨削砂轮 要求整体具有很高的机械强度，高速时完全可靠，外观锋利，结合剂必须具有很高的结合强度和耐磨性以减少砂轮的磨损，高速砂轮采用等强度来设计优化结构和形状。 2.2.4 冷却系统 要求冷却液具有较高的热容量和热传导率以提高冷却效率，能承受较高的压力，有良好的过滤性、良好的防腐性和高附着力，有较高的稳定性，不起泡，不变色，对健康无害，易于清洗，有利于环境保护。 2.2.5 高速数控磨削的发展趋势 研制大功率高速主轴，研制适应高速磨削的新型砂轮，改进磨床结构，优化冷却系统，磨速向超音速发展达250～350m/s以上。 2.3 基于CAD/CAM自动化数控编程 高速数控加工作为模具加工的前沿技术，关键技术之一就是采用先进的CAD/CAM集成设计和制造系统，进行图形交互的自动数控编程，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。而解决高速数控加工编程的关键是NURBS插补技术，其特点如下： (1)可以在NC控制器下进行样条曲线插补计算。 (2)减少数据量，提高数据的传输速度。 (3)在CAD-CAM-CNC之间进行数据的精确传递。 (4)易于生成光顺的刀具轨迹。这对加工高质量的复杂型面的模具极为有利。 3、发展面向快速制造的特种加工技术 面向快速制造的特种加工技术是在传统的特种加工技术与材料技术、控制技术、微电子技术和计算机技术紧密结合的基础上，随着快速响应市场需求而逐步发展起来的。 3.1 基于分层制造思想，利用简单工具实现三维成型加工的去除型特种加工技术 包括数控电火花仿铣加工技术、数控电化学铣削加工技术和数控超声波加工技术。普通的电火花、电化学、超声波成形加工利用形状拷贝原理将工具的形状复制到工件上。要得到一定精度的模具三维形状，就需要制作与其形状相同、凸凹相反的工具，并严格控制工作液在加工间隙中的流场分布。为节省大量的复杂形状工具的制造费用和时间，简化工作液的流动控制，可采用简单形状的工具，依照数控铣削那样依靠机床的成形运动来加工出复杂的模具三维型面的新型加工工艺技术。 这必须解决如下几个技术难题： ①实现加工过程的稳定控制； ②具有确定的材料去除规律及工具损耗规律； ③实现工艺过程建模； ④研制出相应的CAD/CAM软件。为有效地简化问题的复杂性，将采用类似快速成形的分层制造加工模式，并严格控制每一层的加工余量，确保工具只有底面实现加工，而侧面不参与加工，从而使复杂的模具三维型面加工问题转化为一系列平面加工问题。 3.2 基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工技术 此技术可以实现高效光整、高效精密模具成形加工，或光整及精密模具成形的一体化加工。 一般而言，细砂轮精密磨削加工精度高，但砂轮堵塞不易修整，加工曲面时砂轮损耗补偿也困难，且磨削力大，被加工表面易产生变质层，影响零件的表面质量；相比之下，电化学溶解加工精度虽低，但效率高，不存在工具损耗且无切削力，被加工零件表面质量好；而散粒体研磨由于加工压力容易控制，因此加工表面质量好，但整形能力差，且效率低。因此，以钝性工作液为纽带，结合电场控制策略，探索这些工艺的复合方法，以充分发挥其各自的长处，可发展出复杂曲面形状和光整一体化加工技术。具体包括电化学机械复合加工技术，化学机械加工技术，超声放电复合加工技术，时变场控制、磁场辅助的电化学及电化学机械复合加工技术，时变场控制的电解在线修整砂轮磨削加工技术，时变场控制电化学及磁粒研磨的复合加工技术等。 3.3 三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化技术 电火花精加工模具零件时，需要采用较小的放电能量和加工间隙。这样当加工面积较大时，工作和电极间就会形成较大的寄生电容，导致易产生集中放电现象，影响表面的加工质量。 这里采用在普通煤油工作液中添加固体微细粉末的方法，来增大精加工的极间距离、减小电容效应、增大放电通道的分散性。从而可使排屑好、放电稳定、加工效率提高，并有效降低加工表面的粗糙度。同时使用混粉工作液还可在模具工件表面形成硬度较高的镀层，提高模具型腔表面的硬度和耐磨性，实现模具三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化。 3.4 基于RP技术的特种加工技术，以及面向RP技术的特种加工工艺组合技术 快速成形技术已成为模具制造的有效手段，正以其特有的制造哲理深刻地变革着模具制造领域，未来的模具制造体系必然综合材料增长制造和去除加工两种原理，以实现模具零件的快速制造，使特殊材料(如功能梯度材料)零件的直接制造成为可能，使得人们长期以来设想的按力学、电磁学性能来设计制造新材料零件变为现实。应该探索快速成形技术与电铸、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔射成形、浇注、精密铸造、电火花等特种加工方法的组合工艺技术，为特殊性能材料零件和金属模具的快速制造提供崭新的技术手段。 3.4.1 直接利用RP工艺，结合相应的后处理工艺或快速精密铸造工艺制造模具的方法 (1)直接生成金属模具零件的方法：利用金属粉末烧结(SLS)制成的原型件，直接进行金属熔渗处理，形成金属模具零件。 (2)直接生成非金属模具零件的方法：利用SLA、FDM或LOM方法，直接制造树脂、ABS塑料模具零件。 (3)直接生成消失模的方法：用SLS方法直接制造铸造用的消失蜡模，实现零件的快速精密铸造。 3.4.2 基于RP原型件，结合相应的特种加工工艺，间接制造模具的方法 (1)基于RP原型，与电铸工艺、金属喷涂、陶瓷涂覆工艺相结合，快速制造金属或陶瓷模具的工艺技术。 (2)基于RP原型，浇注硅橡胶、环氧树脂或聚氨脂等软材料，直接制造软模具。 3.4.3 基于RP原型，结合相应的特种加工工艺，快速制造电加工的电极，实现复杂模具零件的快速电火花成形加工 (1)在原型或原型制作的母模上刷涂导电层，再电铸或电镀形成金属电极。 (2)直接在原型上进行金属冷喷涂形成金属电极。 (3)利用原型制造母模，充实粉末，再压实烧结形成电极。 (4)在原型制作的母模内充入石墨粉与粘接剂的混合物，固化形成石墨电极。 (5)在原型制作的母模内充入环氧树脂与碳化硅粉的混合物，首先形成研磨模，再在专用振动研磨机上研磨出石墨电极。 4、表面工程技术进展 模具材料是模具工业的基础，但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求，采用表面工程技术可在一定程度上弥补模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的进展必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。在此仅介绍稀土表面工程技术和纳米表面工程技术。 4.1 稀土表面工程技术 表面工程技术中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂喷焊、气相沉积、激光涂覆、电沉积等方法。 (1)稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用，大大优化工艺过程；加入少量稀土化合物，渗层深度可以明显增加，改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性的抗冲击磨损性。 (2)利用热喷涂和喷焊技术，将稀土元素加入涂层，可取得良好的组织与性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。 (3)物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具表现的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。 (4)含稀土化合物的涂覆层，可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产成本，以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能发生明显改善，涂覆层的硬度和耐磨性显著提高，耐磨性是45钢调质的5～6倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重溶，研究发现合金化层的显微组织明显改变，晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金，稀土化合物质点在其中弥散强化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蚀性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增强，有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达1～4倍。另外，有研究发现，加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。 (5)把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高；稀土元素有催化还原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化，明显改善了镀层的减摩性能，提高了抗腐蚀的能力，使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。 4.2 纳米表面工程技术 纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。 (1)制作纳米复合镀层。在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550-850℃的高温抗氧化性能使镀层的耐蚀性提高2～3倍，耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层，在500℃以上，与Ni基、Cr基Co基复合镀层相比，工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体材料，也可制备出性能优异的纳米复合镀层。 (2)制作纳米结构涂层。热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单、涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大、沉积速率快，以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。 5、结束语 模具先进制造技术种类繁多，几乎大部分的先进制造技术都可以应用到模具制造中，而且在不断发展之中，在此不可能尽数概述。从我国的国情出发，所有模具企业都尽快采用高速数控加工技术是不现实的，因为设备及技术装备费用昂贵。而适当采用相对廉价的面向快速制造的特种加工技术，而值得某些模具企业考虑。从不同角度讲，除了上述发展中的模具先进制造技术以外，还有模具反求工程技术(Reverse Engineering)、模具虚拟制造技术(Virtual Manufacruring)、模具柔性制造技术(FMS)和模具集成制造技术(CIMS)等。而有人提出，下一代的先进制造技术采用可重构和可扩展的制造设备和系统、知识供应链和独立制造岛等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/22/2004)