【解析】模具3D打印及加工機(jī)床的組合應(yīng)用

模具是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的工藝裝備，廣泛地用于機(jī)械、家電、電子產(chǎn)品以及農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域。高品質(zhì)的模具是產(chǎn)品質(zhì)量的保證，隨著人們對(duì)產(chǎn)品造型與功能的要求不斷提高，業(yè)界對(duì)模具的精度、表面質(zhì)量、使用壽命要求更高，為了適應(yīng)產(chǎn)品的快速更新迭代模具的生產(chǎn)周期正不斷被壓縮�？萍嫉陌l(fā)展正推動(dòng)著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的革新，以3D打印為代表的增材制造技術(shù)、智能制造系統(tǒng)、高效能刀具以及高速加工機(jī)等先進(jìn)技術(shù)正使模具這個(gè)古老的行業(yè)煥發(fā)出勃勃生機(jī)。

一、模具制作與零件加工的區(qū)別
盡管模具制作與零件加工同屬于加工的范疇，但兩者的區(qū)別較大。模具加工的一個(gè)特點(diǎn)是單一性，每一套模具都不一樣，即便是系列產(chǎn)品的模具也只具有相似性，除非產(chǎn)品批量很大時(shí)，才會(huì)加開相同的模具，但其數(shù)量也不多。模具在數(shù)控加工時(shí)很少用刀庫(kù)換刀，這是因?yàn)槊刻啄＞叩募庸ざ伎梢钥闯墒窃嚬に嚒?br />
盡管很多數(shù)控編程軟件具備模塊化編程功能，即相類似的模具可套用相同的參數(shù)，但在細(xì)節(jié)的地方比如深槽、陡坡面，要根據(jù)刀具的夾持長(zhǎng)度重新調(diào)整切削參數(shù)，甚至更換刀具規(guī)格，以防止刀具振動(dòng)引起的過切現(xiàn)象。零件加工通常是批量生產(chǎn)，所以單件試加工后的參數(shù)可以用在批量的復(fù)制生產(chǎn)上，此時(shí)刀庫(kù)的使用可大幅提升刀具更換的速度以及正確性。換言之，程序編制完畢后，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(chǎn)般簡(jiǎn)便，那就需要一種具備高精度在機(jī)測(cè)量反饋系統(tǒng)的智能加工機(jī)床。

二、分型面配模
分型面配模是塑料模加工中一個(gè)重要的鉗工工序，借助紅丹粉與機(jī)油比例混合而成的顯示劑，運(yùn)用鉗工的工藝技巧將上下模緊密配合在一起，以達(dá)到注塑產(chǎn)品的分型面處無披風(fēng)，產(chǎn)品上分模線極纖細(xì)。

當(dāng)模具的分型面為平面時(shí)，配件相對(duì)簡(jiǎn)單，可借助磨床將上下模分型面上預(yù)留的精加工余量去掉，使上下模緊密配合。
當(dāng)模具的分型面為非平面時(shí)，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(duì)于平底刀來說，球刀切削時(shí)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(duì)于分型面較大的模具來說，這種損耗偏差就更加嚴(yán)重了。

盡管有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)控編程師會(huì)將非平分型面分為若干個(gè)區(qū)域錯(cuò)開加工以抵消偏差，碰穿面、擦穿面會(huì)加上合適的配模余量，但配模仍然是模具鉗工的苦差事，是鉗工手藝與數(shù)控加工精度間此消彼長(zhǎng)的一場(chǎng)角力。如果用前面所說的智能加工機(jī)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(cè)量后反饋到機(jī)床的智能控制系統(tǒng)，從而對(duì)非平面進(jìn)行補(bǔ)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(jià)格高昂，但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與更替，普及模具精密加工是模具行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

三、3D打印技術(shù)應(yīng)用于模具的設(shè)計(jì)制作
3D打印是近年來的一個(gè)熱門話題，無論是業(yè)界抑或是互聯(lián)網(wǎng)，其身影隨處可見。它源于實(shí)驗(yàn)室，本活躍于制造業(yè)的頂尖領(lǐng)域，卻又突然以桌面機(jī)型的形式進(jìn)入尋常百姓家，而今又以塑料、樹脂、金屬和陶瓷等多種增材制造方式在制造業(yè)中普及起來。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程引入3D打印技術(shù)，可大幅縮短開發(fā)時(shí)間、減少開發(fā)成本。在模具的開發(fā)過程中，模具的試制、特殊配件的加工以及模具的修復(fù)都可用到3D打印技術(shù)。

熔模精密鑄造是一種常見的高精度產(chǎn)品鑄造技術(shù)，其生產(chǎn)流程大致可分為注蠟?zāi)＞咴O(shè)計(jì)制作、制作蠟樣、砂殼制作、澆注、后期處理以及檢驗(yàn)6個(gè)步驟。我們將在注蠟?zāi)＞咴O(shè)計(jì)制作以及制作蠟件兩個(gè)環(huán)節(jié)上引入3D打印技術(shù)。在不銹鋼精鑄產(chǎn)品的開發(fā)中，經(jīng)常遇到餐具、水龍頭的小批量定制或者試做。

比如一些國(guó)外著名的餐廳或者廚師的定制鍋具，經(jīng)常會(huì)在鍋柄或者蓋耳添加其商標(biāo)，開發(fā)過程中有手寫簽名、注冊(cè)商標(biāo)等多種方案供選擇。為節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用、縮短研發(fā)周期，通常將模具里產(chǎn)品商標(biāo)的部分做成互換的形式。假設(shè)某款手柄需要試驗(yàn)三款不同的商標(biāo)，模具中產(chǎn)品商標(biāo)的位置就要做成三個(gè)大小一致的鑲件，然后根據(jù)商標(biāo)的款式做成三款電極并在電火花機(jī)上成型出來。盡管注蠟?zāi)＞叽蠖嘁砸浊邢鞯匿X合金制作，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�？紤]到蠟樣的成型溫度以及注射壓力較低，選擇3D打印機(jī)配以合適的耗材，只需3h即可打印出所需的三個(gè)鑲件。這不僅大幅縮短了加工時(shí)間，而且不占用CNC以及電火花機(jī)，優(yōu)勢(shì)顯而易見。

對(duì)于個(gè)性化的單件定制產(chǎn)品，可選用合適的耗材直接以打印件來替代傳統(tǒng)的蠟樣，而精度要求更高的零件或者首飾一類的產(chǎn)品，還可以選用3D打印蠟?zāi)５臋C(jī)型進(jìn)行制作。

四、餐叉模具制作實(shí)例
外出就餐時(shí)經(jīng)常會(huì)用到一次性餐具比如餐叉。一次性餐叉的需求量很大，隨著模具制造工藝的不斷提高，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(chǎn)效率已提高了一倍。

巨大的需求量還對(duì)單只餐叉的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，在保證餐叉使用強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量做得輕巧，因此餐叉的產(chǎn)品設(shè)計(jì)很重要，特別是餐叉底部的加強(qiáng)筋。

以一套采用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(gè)特點(diǎn)：一是大面積非平面的CNC加工；二是加強(qiáng)筋所在的深窄凹槽加工。對(duì)于塑料模的模腔，常規(guī)做法是用普通的硬軌CNC進(jìn)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，就采用電火花加工。

硬軌CNC適合加工尺寸較大的塑料模，尤其是粗加工時(shí)的效率高，但精加工的速度相對(duì)較慢。電火花加工的優(yōu)點(diǎn)是精度高，而且模腔表面硬度會(huì)提高，但用在這套模具上顯然沒有優(yōu)勢(shì)：
①這套模具模腔很多，而加強(qiáng)筋窄而深，所以電極的損耗非常嚴(yán)重，需要多個(gè)粗加工與精加工電極，而且同一個(gè)模腔需要多次電火花加工才能抵消電極的損耗。
②40個(gè)模腔為環(huán)形均布，對(duì)于普通的三軸電火花機(jī)來說，電極的找正與碰數(shù)很復(fù)雜，容易出現(xiàn)模腔錯(cuò)位甚至打錯(cuò)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(duì)上述情況，選用普通硬軌CNC與線軌雕銑機(jī)組合加工餐叉模具。首先按常規(guī)的加工方式用普通硬軌CNC進(jìn)行粗加工與半精加工，然后用線軌雕銑機(jī)對(duì)分型面及模腔進(jìn)行分區(qū)域精加工，并雕刻出所有的加強(qiáng)筋。

線軌雕銑機(jī)轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速度快，適合加工軟金屬以及雕刻，如果用其進(jìn)行粗加工，效率會(huì)低很多，而且機(jī)床與刀具的損耗嚴(yán)重。用線軌雕銑機(jī)配合特別修磨的成形刀具雕刻餐叉的加強(qiáng)筋，不僅速度快，而且節(jié)省了不少的電極材料費(fèi)與加工費(fèi)。加工出來的模腔表面粗糙度質(zhì)量高，便于后期的拋光處理，而且便于后期的調(diào)試加工以平衡餐叉的強(qiáng)度與輕量化。

來源： 機(jī)工機(jī)床世界