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随着现代工业生产的迅速发展和科学技术的进步,模具在工业生产中占有越来越重要的地位,模具制造技术甚至已成为衡量一个国家产品制造是否先进的重要标志。据国际生产技术协会统计,目前,机械零件粗加工的75%和精加工的50%都由模具成形完成。应用模具的目的不仅要求保证产品质量,而且要求提高生产效率和降低成本。目前,高熔点、高硬度、高强度、高韧性的新型模具材料不断涌现,结构复杂和工艺要求特殊的模具也越来越多,仅采用传统的机械加工方法就十分困难,甚至无法加工,新型模具加工技术——模具特种加工技术由此产生。
模具的特种加工技术与普通机械加工技术有本质的不同,它不要求工具材料比工件材料更硬,也不需要在加工过程中施加明显的切削力,而是直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工,以达到一定的几何尺寸精度和表面粗糙度。目前,应用最广泛、最普遍的模具特种加工技术是电火花成形加工和电火花线切割加工。
一、电火花成形加工
加工原理:基于工具电极与工件电极(正极与负极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象,来对工件进行加工。
1.加工特点
(1)模具材料的选用范围宽。利用脉冲放电加工,可以加工任何硬、脆、韧及高溶点的导电材料。
(2)工具电极材料要求低。加工时工具电极与工件不接触,二者之间不存在明显的宏观作用力,工具材料(紫铜、石墨)不必比工件硬。
(3)工件加工精度和表面质量高。脉冲放电持续时间短促,约为10-7～10-3s,放电所产生的热量来不及传散到材料的内部,使得工件表面的热影响区很小。同时,由于脉冲参数能在一个较大范围内调节,可以在同一台机床上连续进行粗、中、精、精微加工,精加工尺寸精度可控制在±0.01mm,表面粗糙度为Ra0.63～1.25,精微加工时尺寸精度能达到0.002～0.004mm,表面粗糙度为Ra0.004～0.16。
(4)生产效率高。由于是利用电能进行加工,便于自动化生产和计算机智能生产。
2.常见应用
(1)冷冲模具是生产中应用较多的一类模具,其凹模大多数难以采用传统机械加工方法制作,且在热处理时常因淬火变形或开裂导致模具报废,采用电火花成型加工工艺,模板可先行淬火,令其变形后加工凹模,避免了热处理变形的弊端。而且模板可制成整体,无需镶拼,既简化了模具结构又能提高模具的强度和寿命。
(2)注塑模具和压胶模具,在机械铣削型腔后,用普通刀具难以加工,精铣时有些部位有普通加工方法也无法保证加工精度,这时我们可用电火花加工。
(3)大型模具常用电火花加工作为铣削加工后的补充加工手段。
(4)精微模具加工。如变速齿轮、专用锥齿轮,先采用机械切削加工模具外表及型腔,预留0.03～0.1mm加工余量, 然后采用电火花成型加工,加工表面粗糙度可以达到Ra1.25～2.5,无需钳工修型或抛光即可使用。
(5)现代塑料制品,特别是各种壳体装饰表面,如:照相机、计算器、手机等机壳表面,要求外壳表面呈均匀细小类似喷砂的效果,称为“亚光”处理,以达到视觉柔和不反光刺眼,手感舒适的效果。利用电火花加工,在保证型腔几何尺寸精度的前提下,在模具型腔表面得到均匀分布的电火花放电痕迹,其粗细可按产品的需要而决定,从而达到“亚光”的效果。
随着科学技术的发展,对于精微零部件的加工和有些刀具与工件发生干涉部位的加工,采用数控多轴联动电火花成型加工,具有更高的经济效益。
二、电火花线切割加工
1.加工原理
基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理,采用不断移动的电极丝作为工具,工件则按预定的轨迹进行运动,极间金属瞬间熔化和汽化,而切割出所需要的零件。
2.加工特点
(1)只能加工以直线为母线的曲面。用电极丝作为加工工具,加工表面母线必须为直线。
(2)加工速度快,工件材料损耗少。国外慢走絲电火花线切割机床可达300mm/min,国产快走丝线切割加工效率可达150mm/min;切削丝直径很小,一般为0.2mm,工件材料被腐蚀的量很少,这也有助于提高加工速度,而且加工下来的材料还可以利用。
(3)加工精度高,表面质量好。加工时细长的电极丝移动,使单位长度电极丝的直径损耗较小,有助于电火花线切割加工精度控制在±0.01mm以内。对于慢走丝电火花线切割来说,电极丝只使用一次,电极损耗对加工精度的影响更小,能够方便地加工各种复杂的精密零件,包含各种微槽和窄缝,并且采用精标准一次加工成型,在加工过程中不需要转换加工标准。
(4)生产效率。电火花线切割技术在生产应用中,不断完善,具有智能化、网络化、无人化控制的特点,采用集中编程,专人管理,企业内部数据共享,方便CAD/CAM运行。车间控制微机可选择一控一或一控四的多控方式,采用无盘微机也不会感染电脑病毒。
3.应用
电火花线切割可以应用在于模具加工、刀具、量具加工、化工与化纤设备零件加工等多种场合。具体在机床上加工可采用专用附件组合,如精密坐标磨削与精密电火花磨削复合,高速电火花线切割作为粗加工工序,精密坐标磨削加工工作为精加工工序,可以达到速度快,精度高的目的。对于一些特殊要求的部位,如0.04～0.06mm窄缝,R=0.02～0.03mm的内圆加工,可采用细电极丝的电火花线切割加工,另外根据不同的制作需要,如切削功能、穿孔功能、雕铣功能,均能借助相应选配附件进行加工,从而扩大机床加工范围。为适应模具制造业的需要,我国快走丝线切割机床,自身的制造精度及加工精度也日趋完善,锥度切割范围已超过60°,最大实用生产率也达到100～150mm/min,最佳表面粗糙度也达到了Ra1.25。慢走丝线切割机床多为进口设备,目前最佳加工精度达到±0.002 mm,在特定条件下,甚至可加工出±0.001mm精度的模具。
随着现代工业的发展,模具新品种,新工艺,新材料的不断更新,对于不同的模具类型,不同的产品结构,不同的生产要求,只有结合实际生产情况,合理的制订工艺路线,借助现代先进的CAD、CAM技术,与模具制造的常规机加工、塑性加工、铸造甚至焊接相融洽,模具特种加工才能扬长避短,更高效率的发挥其特点,同时,在生产应用中,只有不断的更新完善其功能,提高制造精度与效率,与时俱进,才能在模具制造业中创造更多的成果。
(作者单位:聂俊红,湖南化工职业技术学院;
聂辉文,湖南工业高级技工学校)
模具的特种加工技术与普通机械加工技术有本质的不同,它不要求工具材料比工件材料更硬,也不需要在加工过程中施加明显的切削力,而是直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工,以达到一定的几何尺寸精度和表面粗糙度。目前,应用最广泛、最普遍的模具特种加工技术是电火花成形加工和电火花线切割加工。
一、电火花成形加工
加工原理:基于工具电极与工件电极(正极与负极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象,来对工件进行加工。
1.加工特点
(1)模具材料的选用范围宽。利用脉冲放电加工,可以加工任何硬、脆、韧及高溶点的导电材料。
(2)工具电极材料要求低。加工时工具电极与工件不接触,二者之间不存在明显的宏观作用力,工具材料(紫铜、石墨)不必比工件硬。
(3)工件加工精度和表面质量高。脉冲放电持续时间短促,约为10-7～10-3s,放电所产生的热量来不及传散到材料的内部,使得工件表面的热影响区很小。同时,由于脉冲参数能在一个较大范围内调节,可以在同一台机床上连续进行粗、中、精、精微加工,精加工尺寸精度可控制在±0.01mm,表面粗糙度为Ra0.63～1.25,精微加工时尺寸精度能达到0.002～0.004mm,表面粗糙度为Ra0.004～0.16。
(4)生产效率高。由于是利用电能进行加工,便于自动化生产和计算机智能生产。
2.常见应用
(1)冷冲模具是生产中应用较多的一类模具,其凹模大多数难以采用传统机械加工方法制作,且在热处理时常因淬火变形或开裂导致模具报废,采用电火花成型加工工艺,模板可先行淬火,令其变形后加工凹模,避免了热处理变形的弊端。而且模板可制成整体,无需镶拼,既简化了模具结构又能提高模具的强度和寿命。
(2)注塑模具和压胶模具,在机械铣削型腔后,用普通刀具难以加工,精铣时有些部位有普通加工方法也无法保证加工精度,这时我们可用电火花加工。
(3)大型模具常用电火花加工作为铣削加工后的补充加工手段。
(4)精微模具加工。如变速齿轮、专用锥齿轮,先采用机械切削加工模具外表及型腔,预留0.03～0.1mm加工余量, 然后采用电火花成型加工,加工表面粗糙度可以达到Ra1.25～2.5,无需钳工修型或抛光即可使用。
(5)现代塑料制品,特别是各种壳体装饰表面,如:照相机、计算器、手机等机壳表面,要求外壳表面呈均匀细小类似喷砂的效果,称为“亚光”处理,以达到视觉柔和不反光刺眼,手感舒适的效果。利用电火花加工,在保证型腔几何尺寸精度的前提下,在模具型腔表面得到均匀分布的电火花放电痕迹,其粗细可按产品的需要而决定,从而达到“亚光”的效果。
随着科学技术的发展,对于精微零部件的加工和有些刀具与工件发生干涉部位的加工,采用数控多轴联动电火花成型加工,具有更高的经济效益。
二、电火花线切割加工
1.加工原理
基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理,采用不断移动的电极丝作为工具,工件则按预定的轨迹进行运动,极间金属瞬间熔化和汽化,而切割出所需要的零件。
2.加工特点
(1)只能加工以直线为母线的曲面。用电极丝作为加工工具,加工表面母线必须为直线。
(2)加工速度快,工件材料损耗少。国外慢走絲电火花线切割机床可达300mm/min,国产快走丝线切割加工效率可达150mm/min;切削丝直径很小,一般为0.2mm,工件材料被腐蚀的量很少,这也有助于提高加工速度,而且加工下来的材料还可以利用。
(3)加工精度高,表面质量好。加工时细长的电极丝移动,使单位长度电极丝的直径损耗较小,有助于电火花线切割加工精度控制在±0.01mm以内。对于慢走丝电火花线切割来说,电极丝只使用一次,电极损耗对加工精度的影响更小,能够方便地加工各种复杂的精密零件,包含各种微槽和窄缝,并且采用精标准一次加工成型,在加工过程中不需要转换加工标准。
(4)生产效率。电火花线切割技术在生产应用中,不断完善,具有智能化、网络化、无人化控制的特点,采用集中编程,专人管理,企业内部数据共享,方便CAD/CAM运行。车间控制微机可选择一控一或一控四的多控方式,采用无盘微机也不会感染电脑病毒。
3.应用
电火花线切割可以应用在于模具加工、刀具、量具加工、化工与化纤设备零件加工等多种场合。具体在机床上加工可采用专用附件组合,如精密坐标磨削与精密电火花磨削复合,高速电火花线切割作为粗加工工序,精密坐标磨削加工工作为精加工工序,可以达到速度快,精度高的目的。对于一些特殊要求的部位,如0.04～0.06mm窄缝,R=0.02～0.03mm的内圆加工,可采用细电极丝的电火花线切割加工,另外根据不同的制作需要,如切削功能、穿孔功能、雕铣功能,均能借助相应选配附件进行加工,从而扩大机床加工范围。为适应模具制造业的需要,我国快走丝线切割机床,自身的制造精度及加工精度也日趋完善,锥度切割范围已超过60°,最大实用生产率也达到100～150mm/min,最佳表面粗糙度也达到了Ra1.25。慢走丝线切割机床多为进口设备,目前最佳加工精度达到±0.002 mm,在特定条件下,甚至可加工出±0.001mm精度的模具。
随着现代工业的发展,模具新品种,新工艺,新材料的不断更新,对于不同的模具类型,不同的产品结构,不同的生产要求,只有结合实际生产情况,合理的制订工艺路线,借助现代先进的CAD、CAM技术,与模具制造的常规机加工、塑性加工、铸造甚至焊接相融洽,模具特种加工才能扬长避短,更高效率的发挥其特点,同时,在生产应用中,只有不断的更新完善其功能,提高制造精度与效率,与时俱进,才能在模具制造业中创造更多的成果。
(作者单位:聂俊红,湖南化工职业技术学院;
聂辉文,湖南工业高级技工学校)