模具是工業生產中不可或缺的工藝裝備, 廣泛地用於機械, 家電, 電子產品以及農業, 國防, 航空航天等領域. 高品質的模具是產品質量的保證, 隨著人們對產品造型與功能的要求不斷提高, 業界對模具的精度, 表面質量, 使用壽命要求更高, 為了適應產品的快速更新迭代模具的生產周期正不斷被壓縮. 科技的發展正推動著現代工業技術的革新, 以3D列印為代表的增材製造技術, 智能製造系統, 高效能刀具以及高速加工機等先進技術正使模具這個古老的行業煥發出勃勃生機.
1. 模具製作與零件加工的區別
儘管模具製作與零件加工同屬於加工的範疇, 但兩者的區別較大. 模具加工的一個特點是單一性, 每一套模具都不一樣, 即便是系列產品的模具也只具有相似性, 除非產品批量很大時, 才會加開相同的模具, 但其數量也不多. 模具在數控加工時很少用刀庫換刀, 這是因為每套模具的加工都可以看成是試工藝. 儘管很多數控編程軟體具備模組化編程功能, 即相類似的模具可套用相同的參數, 但在細節的地方比如深槽, 陡坡面, 要根據刀具的夾持長度重新調整切削參數, 甚至更換刀具規格, 以防止刀具振動引起的過切現象. 零件加工通常是批量生產, 所以單件試加工後的參數可以用在批量的複製生產上, 此時刀庫的使用可大幅提升刀具更換的速度以及正確性. 換言之, 程序編製完畢後, 加工過程中只要按需更換損耗的刀具, 即可完成零件的批量加工. 若想模具加工如零件批量生產般簡便, 那就需要一種具備高精度在機測量反饋系統的智能加工機床.
2. 分型面配模
分型面配模是塑料模加工中一個重要的鉗工工序, 藉助紅丹粉與機油比例混合而成的顯示劑, 運用鉗工的工藝技巧將上下模緊密配合在一起, 以達到注塑產品的分型面處無披風, 產品上分模線極纖細. 當模具的分型面為平面時, 配件相對簡單, 可藉助磨床將上下模分型面上預留的精加工餘量去掉, 使上下模緊密配合. 當模具的分型面為非平面時, 配模的難度大幅增加, 這主要是由分型面的加工精度引起的. 通常使用球刀來加工非平面的分型面, 相對於平底刀來說, 球刀切削時的接觸面積較小, 容易磨損, 使得加工出來的面與電腦模型相差較大, 對於分型面較大的模具來說, 這種損耗偏差就更加嚴重了. 儘管有經驗的數控編程師會將非平分型面分為若干個區域錯開加工以抵消偏差, 碰穿面, 擦穿面會加上合適的配模餘量, 但配模仍然是模具鉗工的苦差事, 是鉗工手藝與數控加工精度間此消彼長的一場角力. 如果用前面所說的智能加工機床來加工模具, 非平面的加工精度以及刀具的損耗情況都能通過精密測量後反饋到機床的智能控制系統, 從而對非平面進行補償式精加工, 大幅降低非平面的配模難度. 目前此類型精密模具加工價格高昂, 但隨著技術的不斷創新與更替, 普及模具精密加工是模具行業發展的一個趨勢.
3. 3D列印技術應用於模具的設計製作
3D列印是近年來的一個熱門話題, 無論是業界抑或是互聯網, 其身影隨處可見. 它源於實驗室, 本活躍於製造業的頂尖領域, 卻又突然以案頭機型的形式進入尋常百姓家, 而今又以塑料, 樹脂, 金屬和陶瓷等多種增材製造方式在製造業中普及起來. 在產品的設計開發過程引入3D列印技術, 可大幅縮短開發時間, 減少開發成本. 在模具的開發過程中, 模具的試製, 特殊配件的加工以及模具的修複都可用到3D列印技術.
熔模精密鑄造是一種常見的高精度產品鑄造技術, 其生產流程大致可分為注蠟模具設計製作, 製作蠟樣, 砂殼製作, 澆注, 後期處理以及檢驗6個步驟. 我們將在注蠟模具設計製作以及製作蠟件兩個環節上引入3D列印技術. 在不鏽鋼精鑄產品的開發中, 經常遇到餐具, 水龍頭的小批量定製或者試做. 比如一些國外著名的餐廳或者廚師的定製鍋具, 經常會在鍋柄或者蓋耳添加其商標, 開發過程中有手寫簽名, 註冊商標等多種方案供選擇. 為節省試驗費用, 縮短研發周期, 通常將模具裡產品商標的部分做成互換的形式. 假設某款手柄需要試驗三款不同的商標, 模具中產品商標的位置就要做成三個大小一致的鑲件, 然後根據商標的款式做成三款電極並在電火花機上成型出來. 儘管注蠟模具大多以易切削的鋁合金製作, 但CNC加工鑲件, 銅電極雕刻再加上電火花加工, 至少需要9h才能完成. 考慮到蠟樣的成型溫度以及注射壓力較低, 選擇3D印表機配以合適的耗材, 只需3h即可列印出所需的三個鑲件. 這不僅大幅縮短了加工時間, 而且不佔用CNC以及電火花機, 優勢顯而易見. 對於個性化的單件定製產品, 可選用合適的耗材直接以列印件來替代傳統的蠟樣, 而精度要求更高的零件或者首飾一類的產品, 還可以選用3D列印蠟模的機型進行製作.
4. 餐叉模具製作實例
外出就餐時經常會用到一次性餐具比如餐叉(見附圖). 一次性餐叉的需求量很大, 隨著模具製造工藝的不斷提高, 普通單層模具已由原來的一模不到20件增加到一模40件, 單套模具生產效率已提高了一倍. 巨大的需求量還對單只餐叉的質量有嚴格的要求, 在保證餐叉使用強度的前提下, 應盡量做得輕巧, 因此餐叉的產品設計很重要, 特別是餐叉底部的加強筋.
以一套採用CI-5050模架, 一模40件的一次性餐叉塑料模為例, 來分析模腔與分型面的靈活加工. 這套模具的加工有兩個特點: 一是大面積非平面的CNC加工;二是加強筋所在的深窄凹槽加工. 對於塑料模的模腔, 常規做法是用普通的硬軌CNC進行加工, 而加工不到的直角或小圓角殘留位置以及深窄凹槽, 就採用電火花加工. 硬軌CNC適合加工尺寸較大的塑料模, 尤其是粗加工時的效率高, 但精加工的速度相對較慢. 電火花加工的優點是精度高, 而且模腔表面硬度會提高, 但用在這套模具上顯然沒有優勢: ①這套模具模腔很多, 而加強筋窄而深, 所以電極的損耗非常嚴重, 需要多個粗加工與精加工電極, 而且同一個模腔需要多次電火花加工才能抵消電極的損耗. ②40個模腔為環形均布, 對於普通的三軸電火花機來說, 電極的找正與碰數很複雜, 容易出現模腔錯位甚至打錯的情況. ③整支餐叉表面要求拋光, 所以加硬了的電火花紋增加了拋光的難度.
針對上述情況, 選用普通硬軌CNC與線軌雕銑機組合加工餐叉模具. 首先按常規的加工方式用普通硬軌CNC進行粗加工與半精加工, 然後用線軌雕銑機對分型面及模腔進行分區域精加工, 並雕刻出所有的加強筋. 線軌雕銑機轉速高, 進給速度快, 適合加工軟金屬以及雕刻, 如果用其進行粗加工, 效率會低很多, 而且機床與刀具的損耗嚴重. 用線軌雕銑機配合特別修磨的成形刀具雕刻餐叉的加強筋, 不僅速度快, 而且節省了不少的電極材料費與加工費. 加工出來的模腔表面粗糙度質量高, 便於後期的拋光處理, 而且便於後期的調試加工以平衡餐叉的強度與輕量化.
5. 結語
快速, 高效, 高精度是當今模具製作的發展趨勢, 要合理運用現有加工設備, 不斷將新技術, 新工藝轉化為模具生產力, 提升模具製作水平.