發(fā)展中的模具先進制造技術
引言
模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)诊拦，受到政府和企業(yè)界的高度重視憎对，發(fā)達國家“模具工業(yè)是進入富裕社會的源動力”之說，可見其重視的程度酌铺。當今散岩，“模具就是經(jīng)濟效益”的觀念，已被越來越多的人所接受辕洗。而在模具制造中萌圣，廣泛采用各種先進的制造技術并使之不斷發(fā)展完善，是促進模具工業(yè)興旺發(fā)達的必由之路趋亡。
模具先進制造技術從廣義上講是模具制造業(yè)不斷吸取信息技術和現(xiàn)代管理技術的成果低海，并將其綜合應用于模具產(chǎn)品設計、加工挪其、檢驗顿蝇、管理、銷售什猖、使用票彪、服務乃至回收的模具制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)不狮、高效降铸、低耗和靈活生產(chǎn)在旱，提高在多變的市場中的適應能力和競爭能力的模具制造技術的總稱。模具先進制造技術的一個發(fā)展趨勢就是：客戶化推掸、小批量和快速交貨桶蝎。
而其總的發(fā)展趨勢是：高效化、精密化谅畅、柔性化登渣、網(wǎng)絡化、虛擬化毡泻、智能化胜茧、集成化和全球化。模具產(chǎn)品要達到：功能(Function)牙捉、交貨期(Timetomarket)竹揍、質(zhì)量(Quality)妆吱、價格(Cost)橘凿、和服務(Service)均優(yōu)良，即FTQCS五要素缺一不可啃端。
本文介紹在模具制造領域中已經(jīng)采用的和正在發(fā)展的先進加工制造技術寡络。
2、模具加工的前沿技術——高速數(shù)控加工
高速數(shù)控加工的關鍵技術是①高速主軸及高速進給驅(qū)動系統(tǒng)機床含口；②高速加工刀具系統(tǒng)述搀；③基于CAD/CAM自動化數(shù)控編程
2.1 高速數(shù)控切削
主要針對車削和銑削。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倍模皱。高速數(shù)控切削的另一個內(nèi)涵是采用高的進給速度恰避。維持切削力不變，提高轉(zhuǎn)速就能夠提高切除率噪蒲，減少切削時間获殉；維持進給速度在普通切削水平，提高轉(zhuǎn)速就能夠降低切削力篙萧，可以加工較細或較薄的模具零件轩鸭。
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100000轉(zhuǎn)/min漏设，高速切削速度在5～100m/s墨闲。完全可以達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主軸郑口，主軸回轉(zhuǎn)精度達0.5μm鸳碧，轉(zhuǎn)速達到15000轉(zhuǎn)/min以上
(2)采用液體靜壓軸承的高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度在0.2μm以下犬性，轉(zhuǎn)滾達到100000轉(zhuǎn)/min杆兵。
(3)采用空氣靜壓軸承的高速電動主軸雁仲，主軸回轉(zhuǎn)精度可在50nm以下，轉(zhuǎn)速可高達200000轉(zhuǎn)/min琐脏。正在開發(fā)之中攒砖。
(4)采用磁懸浮軸的高速電動主軸，主軸回轉(zhuǎn)精度可達0.2μm日裙，剛性非常好吹艇。正在開發(fā)之中。
2.1.2 高速數(shù)控切削機床的結構
(1)進給驅(qū)動系統(tǒng)的高速化昂拂，即采用大導程滾珠絲杠和高速伺服電機受神；直線電機和精密直線導軌。進給速度可達60～120m/min逻富。
(2)運動部件輕量化和伺服進給控制精密化副呆。
(3)已研制出三、四拳刚、五軸聯(lián)動高速數(shù)控切削機床朋井。可加工復雜型面的模具楷首。
(4)新運動原理機床：高速數(shù)控切削領域出現(xiàn)并聯(lián)結構的六桿機床韧仓、三桿五軸機床和四桿機床。正在不斷完善和發(fā)展之中俘汹。
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)合金臊链、金屬陶瓷、氧化鋁基和氧化硅基陶瓷苇均、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼等侄掠。
(2)刀柄結構：要求具有很高的幾何精度和裝夾重復精度、很高的裝夾剛度和高速運轉(zhuǎn)時的完全可靠性溯鱼。
(3)安裝刀具的模塊化：有典型的HSK型刀柄及其連接結構钻哩、液壓膨脹夾頭、TRIBOS力脹套夾頭等葛闷。
2.1.4 高速數(shù)據(jù)切削發(fā)展趨勢
研制大功率高速主軸憋槐，功率≥100kW，轉(zhuǎn)速≥100000轉(zhuǎn)/min淑趾。
2.2 高速數(shù)控磨削關鍵技術
2.2.1 高速主軸
要求具有高速動平衡阳仔，可采用機電動平衡系統(tǒng)或電液動平衡系統(tǒng)。
2.2.2 高速數(shù)控磨床結構
組合多種磨削功能扣泊，具有高動態(tài)精度近范、高阻尼、高抗振延蟹、高穩(wěn)定性评矩、高自動化和高可靠性叶堆。
2.2.3 高速數(shù)控磨削砂輪
要求整體具有很高的機械強度，高速時完全可靠斥杜，外觀鋒利虱颗，結合劑必須具有很高的結合強度和耐磨性以減少砂輪的磨損，高速砂輪采用等強度來設計優(yōu)化結構和形狀蔗喂。
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率以提高冷卻效率墙滋，能承受較高的壓力，有良好的過濾性妨屑、良好的防腐性和高附著力巍慧，有較高的穩(wěn)定性，不起泡浑云，不變色并园，對健康無害，易于清洗庸垢，有利于環(huán)境保護樊颁。
2.2.5 高速數(shù)控磨削的發(fā)展趨勢
研制大功率高速主軸，研制適應高速磨削的新型砂輪旧伺，改進磨床結構浆英，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)吹复，磨速向超音速發(fā)展達250～350m/s以上君祸。
2.3 基于CAD/CAM自動化數(shù)控編程
高速數(shù)控加工作為模具加工的前沿技術，關鍵技術之一就是采用先進的CAD/CAM集成設計和制造系統(tǒng)轧愧，進行圖形交互的自動數(shù)控編程含滴，這種方法速度快、精度高丐巫、直觀谈况、使用簡便和便于檢查。而解決高速數(shù)控加工編程的關鍵是NURBS插補技術递胧，其特點如下：
(1)可以在NC控制器下進行樣條曲線插補計算碑韵。
(2)減少數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度缎脾。
(3)在CAD-CAM-CNC之間進行數(shù)據(jù)的精確傳遞祝闻。
(4)易于生成光順的刀具軌跡。這對加工高質(zhì)量的復雜型面的模具極為有利遗菠。
3联喘、發(fā)展面向快速制造的特種加工技術
面向快速制造的特種加工技術是在傳統(tǒng)的特種加工技術與材料技術、控制技術辙纬、微電子技術和計算機技術緊密結合的基礎上豁遭，隨著快速響應市場需求而逐步發(fā)展起來的叭喜。
3.1 基于分層制造思想，利用簡單工具實現(xiàn)三維成型加工的去除型特種加工技術包括數(shù)控電火花仿銑加工技術党滓、數(shù)控電化學銑削加工技術和數(shù)控超聲波加工技術矗赔。普通的電火花、電化學狠楞、超聲波成形加工利用形狀拷貝原理將工具的形狀復制到工件上侮搭。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比紫、凸凹相反的工具闭凡，并嚴格控制工作液在加工間隙中的流場分布。為節(jié)省大量的復雜形狀工具的制造費用和時間蕾捣，簡化工作液的流動控制秩菩，可采用簡單形狀的工具，依照數(shù)控銑削那樣依靠機床的成形運動來加工出復雜的模具三維型面的新型加工工藝技術齐寻。
這必須解決如下幾個技術難題：
》鄞亍①實現(xiàn)加工過程的穩(wěn)定控制；
∨傥②具有確定的材料去除規(guī)律及工具損耗規(guī)律蛀膊；
③實現(xiàn)工藝過程建模底挫；
『闵怠④研制出相應的CAD/CAM軟件。為有效地簡化問題的復雜性建邓，將采用類似快速成形的分層制造加工模式盈厘，并嚴格控制每一層的加工余量，確保工具只有底面實現(xiàn)加工官边，而側(cè)面不參與加工沸手，從而使復雜的模具三維型面加工問題轉(zhuǎn)化為一系列平面加工問題。
3.2 基于電場控制注簿、溶解與切削相結合的復合加工技術
此技術可以實現(xiàn)高效光整契吉、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诡渴。
一般而言捐晶，細砂輪精密磨削加工精度高，但砂輪堵塞不易修整玩徊，加工曲面時砂輪損耗補償也困難租悄，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)量诲操；相比之下烟瞳，電化學溶解加工精度雖低，但效率高帮伙，不存在工具損耗且無切削力航娩，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鹰党，因此加工表面質(zhì)量好炫茄，但整形能力差，且效率低钓藏。因此状奴，以鈍性工作液為紐帶，結合電場控制策略精臭，探索這些工藝的復合方法耗憨，以充分發(fā)揮其各自的長處，可發(fā)展出復雜曲面形狀和光整一體化加工技術摇祖。具體包括電化學機械復合加工技術眷篇，化學機械加工技術，超聲放電復合加工技術荔泳，時變場控制蕉饼、磁場輔助的電化學及電化學機械復合加工技術，時變場控制的電解在線修整砂輪磨削加工技術玛歌，時變場控制電化學及磁粒研磨的復合加工技術等昧港。
3.3 三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化技術
電火花精加工模具零件時，需要采用較小的放電能量和加工間隙沾鳄。這樣當加工面積較大時慨飘，工作和電極間就會形成較大的寄生電容确憨，導致易產(chǎn)生集中放電現(xiàn)象译荞，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粉末的方法休弃，來增大精加工的極間距離吞歼、減小電容效應、增大放電通道的分散性塔猾。從而可使排屑好篙骡、放電穩(wěn)定、加工效率提高永炭，并有效降低加工表面的粗糙度掺昵。同時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魏桅，實現(xiàn)模具三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化博遵。
3.4 基于RP技術的特種加工技術缓缝，以及面向RP技術的特種加工工藝組合技術
快速成形技術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域敦驼，未來的模具制造體系必然綜合材料增長制造和去除加工兩種原理赂品，以實現(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述加，使得人們長期以來設想的按力學誓豺、電磁學性能來設計制造新材料零件變?yōu)楝F(xiàn)實。應該探索快速成形技術與電鑄飘蔓、電弧噴涂吏恃、等離子噴涂、等離子熔射成形账何、澆注恕刘、精密鑄造、電火花等特種加工方法的組合工藝技術抒倚，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手段褐着。
3.4.1 直接利用RP工藝，結合相應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(SLS)制成的原型件托呕，直接進行金屬熔滲處理含蓉，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项郊、FDM或LOM方法馅扣，直接制造樹脂、ABS塑料模具零件着降。
(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模差油，實現(xiàn)零件的快速精密鑄造。
3.4.2 基于RP原型件任洞，結合相應的特種加工工藝蓄喇，間接制造模具的方法
(1)基于RP原型，與電鑄工藝交掏、金屬噴涂偷真、陶瓷涂覆工藝相結合，快速制造金屬或陶瓷模具的工藝技術精幌。
(2)基于RP原型熙同，澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂或聚氨脂等軟材料犯暮，直接制造軟模具锻刹。
3.4.3 基于RP原型，結合相應的特種加工工藝，快速制造電加工的電極壕矿，實現(xiàn)復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電層列汽，再電鑄或電鍍形成金屬電極。
(2)直接在原型上進行金屬冷噴涂形成金屬電極愧橄。
(3)利用原型制造母模喳律，充實粉末，再壓實燒結形成電極瘪期。
(4)在原型制作的母模內(nèi)充入石墨粉與粘接劑的混合物赤朽，固化形成石墨電極。
(5)在原型制作的母模內(nèi)充入環(huán)氧樹脂與碳化硅粉的混合物昆码，首先形成研磨模气忠，再在專用振動研磨機上研磨出石墨電極。
4赋咽、表面工程技術進展
模具材料是模具工業(yè)的基礎旧噪，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，采用表面工程技術可在一定程度上彌補模具材料的不足脓匿√灾樱可用于模具制造的表面工程技術十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術陪毡、熱擴滲技術米母、堆焊技術和電鍍硬鉻技術，又包括近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強化技術毡琉、物理氣相沉積技術铁瞒、化學氣相沉積技術、離子注入技術桅滋、熱噴涂技術慧耍、熱噴焊技術、復合電鍍技術推妈、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等了赖。而稀土表面工程技術和納米表面工程技術的進展必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發(fā)展。在此僅介紹稀土表面工程技術和納米表面工程技術淀甘。
4.1 稀土表面工程技術
表面工程技術中加入稀土元素通常采用化學熱處理缚粮、噴涂噴焊、氣相沉積风镊、激光涂覆、電沉積等方法赏碑。
(1)稀土元素對化學熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用满颂，大大優(yōu)化工藝過程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加矛熬，改善滲層組織和性能户虐。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鳖群。
(2)利用熱噴涂和噴焊技術紊荞，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能袁余，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性擎勘。
(3)物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結合強度大小密切相關，稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結合強度颖榜，膜層表面致密度明顯增大棚饵。同時，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善掩完，例如應用于模具表現(xiàn)的超硬TiN膜(加入稀土元素)噪漾，使模具型腔表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性且蓬，提高了模具的使用壽命欣硼。
(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激光輻照能量的吸收率恶阴，對降低能耗和生產(chǎn)成本分别，以及推廣激光表面工程技術都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后存淫，組織和性能發(fā)生明顯改善耘斩，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倍游隅。對加入CeO2的熱噴涂層進行激光重溶圈喻，研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細化腊的。激光重熔加入稀土后的噴焊合金爸见，稀土化合物質(zhì)點在其中彌散強化，降低晶界能量敷裁，提高晶界的抗腐蝕性能应攘，模具型腔表面的耐磨性也大大增強，有的文獻報道稀土元素提高了耐磨性達1～4倍泌景。另外轧翘，有研究發(fā)現(xiàn)，加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物坑匆。
(5)把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍曙辑、電鍍等電沉積方法服筋。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的作用母债，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化午磁，明顯改善了鍍層的減摩性能，提高了抗腐蝕的能力毡们，使模具型腔表面的耐磨壽命延長近5倍迅皇。
4.2 納米表面工程技術
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，通過特定的加工技術衙熔、加工手段登颓，對固體表面進行強化、改性青责、超精細加工挺据，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。納米表面工程技術是極具應用前景和市場潛力的脖隶。
(1)制作納米復合鍍層扁耐。在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點粉體材料可形成納米復合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復合鍍層产阱，可使模具壽命延長婉称、精度持久不變，長時間使用鍍層光滑無裂紋构蹬。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復合鍍層甩幔。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態(tài)復合鍍層，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倍祠喻，耐磨性和硬度也都明顯提高栽乘。采用Co-DNP納米復合鍍層，在500℃以上藤瞪，與Ni基挚粱、Cr基Co基復合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高媳把。在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐芯尤爰{米粉體材料，也可制備出性能優(yōu)異的納米復合鍍層俏妆。
(2)制作納米結構涂層樱凄。熱噴涂技術是制作納米結構涂層的一種極有競爭力的方法。與其它技術相比失欢，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單戈弧、涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大蛀醉、沉積速率快悬襟，以及容易形成復合涂層等等衅码。與傳統(tǒng)熱噴涂涂層相比拯刁，納米結構涂層在強度脊岳、韌性、抗蝕垛玻、耐磨割捅、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善帚桩，且一種涂層可同時具有上述多種性能亿驾。
5、結束語
模具先進制造技術種類繁多账嚎，幾乎大部分的先進制造技術都可以應用到模具制造中莫瞬，而且在不斷發(fā)展之中，在此不可能盡數(shù)概述郭蕉。從我國的國情出發(fā)疼邀，所有模具企業(yè)都盡快采用高速數(shù)控加工技術是不現(xiàn)實的，因為設備及技術裝備費用昂貴召锈。而適當采用相對廉價的面向快速制造的特種加工技術沛野，而值得某些模具企業(yè)考慮。從不同角度講诅枚，除了上述發(fā)展中的模具先進制造技術以外含话，還有模具反求工程技術(Reverse Engineering)、模具虛擬制造技術(Virtual Manufacruring)妥坦、模具柔性制造技術(FMS)和模具集成制造技術(CIMS)等茂钠。而有人提出，下一代的先進制造技術采用可重構和可擴展的制造設備和系統(tǒng)房贮、知識供應鏈和獨立制造島等径塔。
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