论特种加工在模具方面的应用
摘要：
传统的机械加工已有很久的历史，它对人类生产和物质文明起到了极大的作用。随着社会生产的需要和科学技术的进步，很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，他们所使用的材料越来越难加工，零件形状越来越复杂，传统的模具切削加工方法已经无法满足，特种加工就是在这种前提下产生和发展起来的，尤其在模具行业用的相当广泛。
关键词：
特种加工 模具 电火花加工 电火花线切割加工 电化学加工 超声波加工 激光加工
正文：
大家都知道，传统的机械加工时利用刀具化工件硬的特点，依靠机械能来去除金属实现
加工的，实质是“以硬碰硬”。随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明电火花加工。至此，人们初次脱离了传统加工的旧轨道，利用电能、热能、在不产生切屑力的情况下，以低于工件金属硬度的工具去除工件上多余的部位，成功获得了“以柔克刚”的技术效果，后来由于先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法，这种加工方法广义上被定义为特种加工，加工原理是将电、热、光、声、化学等热量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。
在现代工业生产中，60%-90%的工业产品需要使用模具加工，模具加工已成为工业发展的基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别在汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。特种加工再模具方面的应用相当广泛，电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电铸、电化学抛光、化学加工、激光加工、超声波加工等都涉入了模具行业，使得模具整体水平得到很大程度的提高，下面就来谈谈特种加工在模具方面的应用。
电火花加工的原理是基于工具电极与工件电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，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求。实际上，电火花加工的物理过程是非常短暂而又复杂的，每次脉冲放电腐蚀都是电动力、电磁力、热动力以及流体动力等综合作用的过程，并可大致地分为介质击穿和通道形成、能量转换和传递、电极材料的抛出、极间介质消电离等几个阶段。电火花加工是利用脉冲放电时的电腐蚀现象来进行尺寸加工的，它与机械加工相比，有如下特点：
⑴由于脉冲放电的能量密度很高，故可以加工任何硬、脆、韧及高熔点的导电材料，在一定条件下还可以加工半导体和非导电材料，从而扩大了模具材料的选用范围。
⑵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，而且工具材料也不必比工件硬，这不仅有助于工具电极的制造，而且也有利于包括小孔、窄槽在内的各种复杂精密模具的加工，并能再淬火之后进行。
⑶脉冲放电的持续时间短,放电时所产生的热量传散范围小,工件表面的热影响区也很小。
⑷脉冲参数能在一个较大范围内调节，故可以在同一个机床上连续进行粗、中、精及精微加工。
⑸直接利用电能进行加工，便于实现自动化。
模具点火花穿孔加工是利用火花放电时的电腐蚀现象，通过工具电极相对于工件做进给运动而把成形电极的侧面形状和尺寸反拷在工件上，而加工出所需的通孔模具。这种工艺方法有许多优点，可以在模坯淬火后进行穿孔加工，避免热处理变形影响；冲模的配合间隙均匀，刃口耐磨，提高了模具质量；不受材料硬度限制，可以加工硬质合金模具，扩大了模具材料选用范围；对于复杂的凹模可以不用镶拼结构，简化了模具结构，提高了模具速度。模具电火花穿孔加工，主要用于冲裁模、凹模、凸模、卸料板、固定板加工、粉末冶金模加工、拉深和拉丝模加工等，同时还可以用于螺纹加工，小孔和异性孔加工以及其他特殊零件加工等。目前，一般都用电火花线切割来加工穿孔用的工具电极。在凹模电火花穿孔加工时，必须根据工件的要求以及电极与工件材料、加工工艺指标、经济效益等因素，合理选择加工电规准，并在加工过程中及时转换。穿孔时的粗精准，主要用于蚀除加工余量大的部分；精规准用于最终实现冲模要求的各项技术指标；中规准介于上述二种规准之间，在转换规准时，其他工艺条件也要适当配合。
型腔电火花加工是一种复制成形加工工艺，其原理是将工件放入介电液体（水或碳氢化合物如石蜡、煤油等）中，在电极和工件之间施以20KV的脉冲电压，通过其间的短时间来连续放电，将多余的材料腐蚀掉。每次连续脉冲会使工件及电极的小部分材料加热到熔融或气化温度，然后通过电力或机械力将熔融部分从工件区域移走，这样，在电极和工件上都会产生弧坑。其弧坑的大小和形状与电火花的能量有关，粗加工时为了去除尽量多的材料，可采用高脉冲能量，装修加工时为了获得较好的尺寸和形状精度，则采用低脉冲能量。大量的脉冲弧坑可使加工表面形成准确的结构和确立的表面粗糙度并且没有直接加工痕迹的特殊无光表面。电解清理液用来将脉冲碎屑从脉冲间隙中清除并沉积在容器中，工件以及机床的极性取决了几种材料的组合，选择的原则是使机器在工件上切下的体积最大。一般来说，对于所有电的优良导体，如果其导热性也很好的话，就可以用来作为电极，在不多数情况下，这些材料具有足够高的熔度，以防止机床电报的快速磨损。电极可由车、铣、刨、磨、冷热变形、火焰喷涂或电解沉积等方法获得。具体使用何种方法，取决于电极的形状、精度要求以及所用的材料。
型腔电火花加工工艺在当今模具制造业已占据不容忽视的位置，用它可以在钢块及烧结金属中加工出用常规加工方法或很难加工的复杂形状、大小、正确选择使用电极可使模具制造费用比常规制度方法低40%。近年来，数控电火花加工技术可以用标准的铜管电极，应用CAD/CAM技术完成二维或三维型面加工，不需要制造成形电极，大大简化了电机的准备。在高精度微细加工方面，这种方式具有良好的前景。
电火花线切割加工和电火花成形加工的原理是一样的，即是利用火花放电使金属熔化或气化，并把熔化或者气化的金属去除掉，从而实现各种金属工件的加工。电极丝与高频脉冲电源的负极相接，工件则与电源的正极相接，利用线电极与工件之间的火花放电腐蚀工件，线电极像带锯一样可沿任何曲线切入金属工件，工件与电极之间有相对运动，并且这种相对运动可进行数控。软化水可用作介电液体，通过同心喷嘴供入到切割区域，并由一个单独装置净化循环利用。以软化水为介质的优点是可以产生更大的火花间隙，改善冲洗状况，所形成的碎屑更小，并且没有固体零件的分解现象和拉弧现象产生，有利于保护线电极。电火花线切割加工只能加工以直线为母线的曲面，而不能加工任意空间曲面，电火花加工一般有以下特点:
⑴可以切割任意硬度、高熔点包括经热处理的钢和合金，特别适合模具凹，凸模及拼块的加工。
⑵需按机床控制方式编程序。
⑶可以利用间隙补偿来加工不同要求的工件。
⑷被加工工件一般用不作预加工，但需根据图样和工艺要求预钻穿丝孔。
⑸在线切割加工时，也同样存在着火花间隙、线电极与工件不直接接触，因此也无切削力作用，同样不存在因此产生的一系列设备和工艺问题
⑹电极丝在加工时有损耗，会影响精度，需要经常更换。
⑺工具电极一般用黄铜丝切割任何形状的复杂型孔、窄槽和小圆角半径的锐角。
⑻程序可以保存，重复使用，便于在产生。
线切割用于加工精密细小，形状复杂，材料特殊的冲模零件，解决了许多机械加工困难或根本无法解决的加工问题，效率一般可以成倍提高，愈是形状复杂、精度高细小的冲模，特别是硬质合金模具，其经济效果愈显著。电火花线切割加工已在我国得到了广泛的应用，并且愈来愈显示它的重要作用，其主要应用有：
⑴加工冲模，包括大、中、小型冲模的凹模，凸模，固定板，卸料板等。
⑵加工粉末冶金模，镶拼型腔模，拉丝模，波纹板成形模，冷拔模等。
⑶加工样板，成形刀具，电火花成形加工电极等。
⑷加工微细孔、槽缝等，如异性孔，喷丝板，射流元件，激光器件等的微孔窄缝以及微型零件。
⑸加工和切割稀有贵重金属材料。
影响电火花线切割加工工艺效果的因素一般有切割速度，加工精度及加工表面粗糙度。脉冲电源的主要参数是对电火花切割工艺效果的影响，由于线切割加工一般都选用晶体管高频脉冲电源，用单脉冲能量小、脉冲窄、频率高的脉冲参数进行正极性加工，要求获得较好的表面粗糙度时，所选的电规准要小但加工不稳定，若要求获得较高的切削速度、脉冲参数要选的大一些，但加工电流的增大仍受到排屑条件及电极丝截面积限制，过大的加工电流易引起断丝。电火花线切割加工要求作为工具的电极丝具有良好的导电性和抗点蚀性，抗拉强度高，材质应均匀。我们快速走丝电火花线切割加工大都选用钨钼丝或者是钼丝作加工用的电极丝。若加工棱角要求较高的工件时，宜选用较小的电极丝；若加工大厚度工件或要求大电流切割的场合，应选用较粗的电极丝。在采用快迅走丝方式和乳化液介质的情况下，通常切割铜、铝及淬火钢等材料比较稳定，切割也较快。而切割不锈钢、磁钢、硬质合金等材料时，加工就不太稳定，切割速度也慢。
下面我们再来谈谈电化学加工在模具方面的应用，金属导体无疑是“自由电子”在外电场作用下按一定方向移动，而导电溶液则是靠溶液中的正负离子移动而导电的。那样在金属片（电极）和溶液的界面上，必定有交换电子的反应，即电化学反应。如果接上直流电源溶液中的正离子移到阴极，在阴极上得到电子而发生还原反应；负离子移向阳极，在阳极表面失去电子而发生氧化反应（也可能是阳极金属原子失去电子而形成电离子进入溶液）。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移，在阳、阴电极表面发生的得失电子的化学反应称为电化学反应，以这种电化学反应为基础的加工方法称为电化学加工。
电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，将工件加工成形的一种工艺方法，加工时，工具接直流稳压电源的阴极，工件接阳极，两极之间保持一定的间隙。具有一定压力的电解液，从两极的间隙告诉流过。当电路接通后，工件表面使产生阳极溶解。由于两级之间各点的距离不等，其电流密度也不相等，两极间距离最近的地方，通过的电流密度最大可达10-70A/cm2，该处的溶液速度最快。随着工具电极间工件的不断前进，工件表面不断被溶解（电解产物被电解液冲走），使电解间隙逐渐趋于均匀，工具电极的形状就被复制在工件上了。电解加工有以下几个特点：
⑴加工生产率高。
⑵可加工高硬度、高强度、高韧度等难切削的金属材料。
⑶加工中工件和工具间无切削存在，所以使用于加工变形的零件。
⑷加工过程中工具损耗小，可长期使用。
⑸加工后的表面无残余应力和毛刺。
⑹难以保证很高的精度，另外影响电解加工因素很多，所以难以实现稳定加工。
⑺电解加工的附属设备较多，占地面积较大。
⑻电解液对机床设备有腐蚀作用。
⑼电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。
由于电解加工可以使用成形的工具电极加工形状复杂的型腔，生产率高，粗糙度小，其加工精度可控制在很小的范围之间，所以在模具制造中多用于锻模的型腔加工。
电解抛光加工的基本原理是被抛光零件接直流电源的阳极，耐腐蚀材料（不锈钢或铝材）作为工具接直流电源的阴极。将零件和工具放入电解液槽中，零件、工具和电解液中就有电流通过，阳极在电化学作用下产生溶解现象，其表面的金属被一层层蚀除，使被抛光零件的表面粗糙度下降，而零件的形状和尺寸不受影响。随着阳极溶解的进行，在阳极表面上生成黏度高，电阻大的氧化物薄膜。在突起处薄膜叫薄，电阻较小，电流密度比凹洼处大，因此突起处首先被溶解。经过一段时间后，高低不平的表面逐渐被蚀平，从而得到光洁平整的表面。电解抛光的特点一般有下面几点：①电火花加工后的表面，经过化学抛光后可使表面粗糙度Ra的值从1.6-3.2um降低到0.2-0.4um，抛光量很小，抛光后的尺寸精度和形状精度可控制在0.01mm之内 ②电化学抛光的效率是普通手工研磨抛光的几倍 ③电化学抛光工艺简单，操作简单，而且设备简单，投资少。抛光方式主要有整体电化学抛光和逐步电化学抛光法。
电解加工生产率高，加工精度较低，机械磨削加工精度高而生产效率低。电解磨削工艺综合了两者的优点，精度和光洁度比电解加工高，生产率比机械磨削加工高，电解磨削是将金属的电化学阳极溶解作用和机械磨削作用相结合的一种磨削工艺。电解磨轮与直流电源的阴极相连，被加工工件接阳极，在一定压力下与导电砂轮相接触，通过电解液喷嘴将电解液送入加工区域中，在电解和机械磨削的作用下，工件表面很快就被磨光。电流从工件通过电解液而流向导电砂轮形成通路时，工件表面的金属在电流和电解液作用下开始发生电化学腐蚀，被氧化成为一层极薄的氧化物或氢化物薄膜（称为阳极薄膜）。工件表面上刚形成阳极薄膜就迅速被导电砂轮中的磨料刮掉，使阳极表面露出新的金属表面，并被继续电解腐蚀，这样由电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行，使工件继续地被加工直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。整个过程中，金属主要是靠电化学阳极溶解作用腐蚀下来的，电解磨轮只起到磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用。电解磨削时所需的加工间隙通过反拷法获得的，导电砂轮由磨料和铜基金属结合剂组成，先将导电砂轮直接电源的阳极，工件接阴极进行电解加工，此时导电砂轮的铜基逐渐被溶解下来，磨粒暴露在铜基之外的尺寸就是所需的加工间隙，然后再将工件接正极，导电砂轮接负极，即可进行电解磨砂加工。其有以下几个特点：①加工范围广，生产效率高 ②加工精度高，表面质量好 ③磨轮的磨耗量小
电解磨削在模具加工中主要用于下列方面：①磨削难加工材料，如硬质合金磨具的平面用立式电解平面磨床加工。②减少加工工序，保证磨削质量，电解磨削不会产生磨削热、裂纹、烧伤和变形等，并可省略或减少热处理的粗加工，从而可以减少工序，并保证加工质量。③提高加工效率，采用电解磨削不但可以同时磨削所有需要磨削的部位，而且随着磨削部位的增多以及采用较大的“吃刀深度”使电流大，都可以获得较高的加工效率。④模具抛光，利用电解磨削原理进行电化学机械抛光是一种抛光效果较好的模具抛光方法。总之，在模具制造过程中，电解磨削的选用应根据模具的对象和电解磨削的特点综合考虑。
电铸成形时利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成形加工的，也就是在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。用可导电的原模作为阴极，用电铸材料做阳极，用电铸材料的金属盐溶液作为电铸液，在直流电源的作用下，阳极上的金属原子交出电子成为正离子进入渡液，并进一步在阳极上获得电子，成为金属原子而沉积在阴极原模表面，阳极金属源源不断成为金属离子溶解到电铸液中进行补充，使溶液中金属离子的浓度保持不变。当阴极原模的电铸层逐渐加厚到所要求的厚度时，电铸结束，并使其与原模分离，即可获得与原模型面相反的电铸件。
化学加工是利用酸、碱、盐以及等化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件尺寸和形状的一种加工方法。化学加工过程没有电化学作用，所以它不属于电化学研究的范畴。化学加工的应用形式很多，但属于模具成形加工的主要有化学蚀刻和照相化学腐蚀法。化学蚀刻加工又称化学铣削，先把工件非加工表面用耐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，浸入到化学溶液中进行腐蚀，使金属按特定的部位溶解除去，达到加工的目的。金属的溶解作用，不仅在垂直工件表面的深度方向进行，而且还会在保护层下面的侧向进行溶解，并呈圆弧状。模具型腔表面往往需要加工文字，商标图案，花纹等。如用人工雕刻比较困难，用化学蚀刻也很难达到要求。采用照相化学腐蚀方法，可以满意地达到目的，照相腐蚀不仅直接用于模具型腔表面文字图案及花纹加工，而且也可用来加工电火花成形用工件电极。
超声波加工也称超声加工，是利用工具端面做超声频振动，并通过悬浮液中的磨料加工脆硬材料的一种加工方法。超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及气化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。由于超声波加工基于高速撞击原理，因此愈是硬脆材料，受冲击破坏作用也愈大，而韧性材料则由于它的缓冲作用而难以加工。超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电化学加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比较好，而且能加工半导体、非导体的硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、宝石及金刚石等。即使是电火花加工后的一些淬火钢，硬质合金冲模、拉丝模和塑料膜最后也常用超声波抛磨和光整。在模具加工中的应用：
⑴型孔、型腔加工 超声波加工在模具制造行业可用于脆硬材料上加工圆孔、型孔、型腔、套料及微细孔等。
⑵切割加工 超声波切割可以加工单晶硅片，陶瓷模块。
⑶超声波抛磨 电火花成形加工及电火花线切割加工后的模具表面是硬脆的，经超声波抛磨以后，可以提高表面粗糙度，一般Ra可达0.4-0.8um。
激光加工利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，依照光热效应来加工各种材料，激光是一种强度高，方向性好，单色性好的相干光。激光加工在模具加工中的应用：
⑴确定试剂坯料的形状 在进行三维复杂形状拉深加工时，很难确定坯料的形状。要根据制造的拉深模进行多次修正，才能决定坯料的形状，坯料形状确定以后，以前用钳子和电动工具或电火花切割裁剪坯料，而现在用数控激光切割，不仅形状正确，而且切断速度很快
⑵确定拉深加工后的工件切边尺寸 拉深加工后的切边若为三维形状的冲切则比加工平面坯料形状要困难。若切边后凸像需要弯曲，则需对切边尺寸进行检验后再进行修正。进行这类操作要求有熟练的技巧和耗费大量工时，如果使用三维激光加工机，则可以进行数值处理，这样不仅能缩短加工时间，还能减少试模的次数。
⑶制造冲裁模 小批量生产使用的冲裁模可用激光加工制造，由于激光加工的特点是不能加工原版，因而常采用由几块薄板叠层的结构。根据不同的激光加工机能量，可加工的板材厚度为2-8mm。功率大的激光机可用于加工厚板，而功率小的激光加工机可将几块板分别加工后在叠合起来。
⑷制作拉深模 将激光加工机切割的薄板叠合起来形成三维形状，可用作拉深模。具体方法是，在各块板上同时加工出外形和固定孔，并确定装配时的销钉位置，用螺钉加以固定，即可使它们结合在一起。然后用精加工方法去除这一拼合体上各版不同厚度所形成的台阶，便可制成所需的拉伸模。
⑸制作其他模具 同理，用激光加工切割薄板，然后叠合呈复杂的三维曲面，这一方法可用于制造塑料注射模、压铸模、橡胶模等。
总之，在现在工业生产中，特种加工再模具方面的应用较为广泛，我相信在今后的模具制造行业，还会出现更多的特种加工方法。
