浅谈基于数控加工原型的快速模具制造关键工艺

广州市花都区嘉美塑料制品厂 王小军

浅谈基于数控加工原型的快速模具制造关键工艺

广州市花都区嘉美塑料制品厂 王小军

基于RP原型的快速模具制造工艺需要专门的设备，原型材料昂贵，这些都影响了该技术广泛应用。另一方面，数控加工技术在制造业中的应用越来越广泛，数控加工设备已由原来的高端设备变成了大多数工厂具有的普通设备。而精密材料成形技术发展迅速，如失蜡精密铸造、消失模成形等经过长期发展，已相对成熟。将常规数控加工技术和精密材料成形技术相结合，开发出一种成本更低、周期更短的快速模具技术，将能够大大地提高模具制造的竞争力。本文提出了将数控加工技术与现代精密材料成形技术相结合，开发出一种基于数控加工原型的低成本、易推广的快速金属模具制造工艺，实现模具的敏捷化制造。

数控加工 快速磨具 工艺

一、工艺路线

该工艺根据经过精确误差补偿的CAD数据，由数控加工设备快速加工出精密成形专用的蜡模、泡沫塑料模或者可加工高分子材料模具，由精密铸造工艺制得金属模具成品或者半成品。

（1）模具设计及误差补偿在得到产品的三维CAD模型后，根据产品的特征进行模具的工艺及结构设计。在模具设计过程中，重点要考虑前期误差补偿。笔者对整个制造系统的误差链进行了分析，其中，影响最终模具产品精度的主要因素有原型数控加工误差、铸造成形误差及后精整处理误差，这些误差都可在模具的CAD数据中进行前期补偿。对于大型模具的模具设计，设置好工艺参数之后，可以采用模拟软件进行工艺数值模拟，以实现对工艺的优化。

（2）原型的数控加工数控加工的最大特点在于:一是可以极大地提高精度;二是加工质量的重复高，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致性。另外，还具有便于设计变更，加工柔性强的特点，便于进行快速模具设计。与常见的金属材料相比，专用原型材料的数控机械加工具备不同的特点，需要从材料的选择、工件装夹、刀具、加工工艺等多方面予以注意，以获得尺寸精度高、表面质量好的原型。

（3）精密铸造工艺为了将原型转换过程中的精度损失控制在最小、使精度的补偿控制简单化，还必须选择合适的精密铸造技术来获得金属模具。常用的精密铸造方法有:石膏型精密铸造、熔模精密铸造、冷硬树脂砂型铸造、陶瓷型精密铸造等，应结合模具的结构、尺寸大小及使用要求进行选择。对中小型铝基模具产品，笔者选用石膏型精密铸造;对小型模具及型芯，选用熔模精密铸造;对大型模具，选用转移涂料冷硬树脂砂型铸造。

二、原型材料选用及其加工工艺

（1）原型材料的选用在基于数控加工原型的快速模具制造工艺中，专用原型材料是影响质量的关键因素。其性能既要满足精密铸造的要求，又要满足数控机械加工的要求。笔者开发出了泡沫塑料基及石蜡基两大类专用原型材料，泡沫塑料基专用原型材料的主要性能，石蜡基专用原型材料的主要性能。

泡沫塑料基专用原型材料适用于大中型尺寸、形状较简单的模具，石蜡基专用原型材料适用于小型尺寸、形状较复杂的模具。有时将两种不同专用原型材料组合起来使用，以发挥各自优势。

（2）原型材料的加工工艺泡沫塑料是多孔蜂窝状组织，比重轻、质地软，强度低以及导热性差，其加工过程和金属加工不相同，在挤压过程中容易在组织的薄弱处断裂，或造成泡沫颗粒的剥落，使被加工表面粗糙不平，只能按“剥离”的原理来进行加工。切削泡沫塑料的刀具不能采用切削金属和木材的刀具，而应选用刃口薄而锋利的专用刀具。其加工设备主要有铣床、车床、内、外圆砂带磨床和手推平刨床等;还有台式泡沫塑料线锯机、振动式泡沫塑料刨板机和电热丝切割机等专用设备。为了确保模样的尺寸精度和表面粗糙度，一般应将板状泡沫塑料坯料先在手推平刨床或电热丝切割机上刨割出平直的基准平面，然后再选用合适的方法进行精加工。

铣削加工是数控加工中最常用的一种方法，主要用于加工平面、曲面、内孔和圆角等。泡沫塑料加工表面的质量很大程度上取决于铣刀的结构以及铣削方法和工艺参数。在加工泡沫塑料时，应根据设备和加工要求选用不同的铣刀和工艺参数，如果刀具和参数选择不当，就容易发生泡沫颗粒的剥落现象或被加工表面拉毛。在铣削平面时， 主轴转速一般为1500～3500 r/min，以3000 r /min为宜。而加工圆角、内圆时，常控制在2700～4200 r/min，以4200 r /min为宜。在数控铣削过程中，经过较长时间的加工以后，会有粘刀的现象出现，容易在加工表面产生圆弧形的拉毛痕迹。因此在加工过程中也必须经常清理刀刃，这同样也会影响切削效率。切屑泡沫塑料模样出现粘刀现象的主要原因是:泡沫塑料的导热性很差、软化温度低，刀刃稍有发热就会使熔融状态的聚苯乙烯粘附在刀刃上。对石蜡基专用原型材料，切削刀具也应选用刃口薄而锋利的专用刀具。铣削加工主轴转速一般以1800～2000r/min为宜。

三、模样表面质量的控制

泡沫塑料模型的表面质量除了与加工方法、切割刀具的结构、操作者的技巧和发泡工艺有关之外，还与模样材料聚苯乙烯珠粒的组分、泡沫塑料的比重和孔径的致密程度，以及模具的结构和表面粗糙度、模样的冷却方式和发泡剂有关。因为只有适宜的密度和合理的发泡工艺才能得到孔径致密、均匀的泡沫模样，才能加工出表面光洁的零件曲面型面。

四、结论

应用上述技术，配合多家企业进行了新产品开发。实践证明，基于数控加工原型的快速模具制造工艺，结合了数控加工工艺和精密成形技术的优点，与传统机械加工模具工艺相比，节省了昂贵的机械加工费用，缩短了制造周期;与激光快速原型技术相比较，可以不必购置昂贵的专用快速原型机而采用通用数控加工设备，有利于快速模具技术在中小企业的推广。

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