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          淺析3C模具智造技術(shù)的發(fā)展與前途

          結合當前市場(chǎng)環(huán)境下,3C產(chǎn)品的模具制造特點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題,以智能制造技術(shù)為方向,提高模具的加工精度和表面質(zhì)量。

          我國是3C(計算機、通信、電子)產(chǎn)品的消費大國,有著(zhù)13億人口的需求市場(chǎng),蘋(píng)果、華為等知名品牌的手機和電腦,成為年輕人追捧的目標。同時(shí)我國也是制造業(yè)大國,全球2/3的電子產(chǎn)品均由中國進(jìn)行制造和裝配。國內的3C制造企業(yè)規模龐大,但多數是一些不掌握高端產(chǎn)品與核心技術(shù)的代加工企業(yè),上百萬(wàn)員工在忙碌的生產(chǎn)線(xiàn)上賺取微薄的利潤。如今,3C產(chǎn)品正朝著(zhù)多樣化、個(gè)性化方向發(fā)展,在激烈的市場(chǎng)競爭下,升級換代的速度越來(lái)越快,花樣繁多的外形設計給模具制造行業(yè)帶來(lái)了新的機遇。筆者作為一名數控工藝人員,結合自己的工作經(jīng)驗,談?wù)?C模具的智造技術(shù)與發(fā)展方向。

          1.3C模具的制造特點(diǎn)

          模具是按照產(chǎn)品結構要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計和制造的成型工具,其工作性質(zhì)就是批量產(chǎn)品的母機??梢灾苯痈淖冊牧系男螤詈统叽?,使之成為合格的零件,較大限度地節約制造成本。利用模具制造的各種零部件(見(jiàn)圖1),在3C產(chǎn)品中占到70%以上,從外殼結構到集成線(xiàn)路板,應用非常廣泛(見(jiàn)圖2)。與其他制造方法相比,具有高效率和低成本的雙重優(yōu)勢。模具又是“質(zhì)量放大器”,對產(chǎn)品質(zhì)量起著(zhù)決定性作用。如果一套模具存在缺陷,由此生產(chǎn)的成千上萬(wàn)件產(chǎn)品也會(huì )存在相同的缺陷,造成批量不合格品,這也是一些“山寨”電子產(chǎn)品質(zhì)量不上檔次的根源。



          淺析3C模具智造技術(shù)的發(fā)展與前途

          淺析3C模具智造技術(shù)的發(fā)展與前途

          形狀復雜的3C模具,對結構強度和制造精度都提出了很高的要求,產(chǎn)品成形面不允許有任何瑕疵,為此,多采用精密的加工設備和測量裝置。有些模具的工作表面和基體要求差異很大,很難用同一種材料滿(mǎn)足全部要求,一般均采用焊接和表面處理的方法,在模具的重要部位通過(guò)鑲塊、堆焊、噴涂和滲氮等特殊工藝來(lái)強化其局部性能。

          3C模具的制造工藝獨特,涵蓋了機電加工與手工操作的精華。20世紀80年代,小家電模具的加工以手工作業(yè)為主,模具質(zhì)量取決于能工巧匠的技能水平,尤以模具鉗工表現得較為出色,很多老師傅練就了一身絕活。90年代后期,模具加工開(kāi)始以數控機床和特種設備為主,加工中心和線(xiàn)切割的普及應用解決了技術(shù)領(lǐng)域的很多難題,特種加工所運用的電解、激光和超聲波等多項技術(shù)手段,可以深入模具的型腔和死角,填補了常規切削刀具無(wú)法實(shí)現的空白。

          2.3C模具亟待解決的問(wèn)題

          3C模具的制造精度嚴格,如果使用常規的設備和加工方法(見(jiàn)圖3),零部件的精度誤差雖然控制在合理的范圍內,但組裝后的誤差積累,將造成模具的工作部分產(chǎn)生相應的錯位和偏移,直接影響到成形產(chǎn)品的尺寸和外觀(guān)質(zhì)量。按照傳統的制造工藝,操作工人會(huì )采用修磨和配做的補救方法,取長(cháng)補短,東拼西湊,雖然返工后勉強達到模具的驗收要求,卻為日后的正常使用留下了隱患。

          模具切削過(guò)程中,由于刀具磨損和切削力變化導致的模具變形和加工誤差,給后續的組裝造成很大的困難。有些不規則的模具表面,刀具與工件的切削點(diǎn)隨著(zhù)加工部位的曲面斜率而不斷變化,形成不均勻的切削步距。受刀尖圓弧和進(jìn)給角度的限制,數控精切后的模具表面會(huì )留下輕微的刀痕(見(jiàn)圖4)。在兼顧生產(chǎn)效率的前提下,操作工人常采用打磨和拋光的方法,使用電動(dòng)工具快速去除加工痕跡,雖然達到了規定的表面粗糙度要求,但過(guò)度拋光會(huì )破壞模具的曲面和線(xiàn)型結構,使數控加工的成果前功盡棄。

          近幾年蓬勃發(fā)展的3C產(chǎn)品,對中國的模具企業(yè)提出了嚴峻的挑戰,模具生產(chǎn)效率低下和品質(zhì)不穩定的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)。要解決這些加工領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題,只能采用更為先進(jìn)的智造技術(shù),減少加工過(guò)程中的隨機誤差和人工干涉,避免由此造成的返工返修,一步到位地完成加工部位的所有內容,從根本上提升模具質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

          3.3C模具的智造技術(shù)優(yōu)勢

          智造技術(shù)是計算機軟件與高端數控設備的完美結合,集設計、加工、檢測和試驗功能為一體,可以在模具的設計階段進(jìn)行智能化造型和有限元分析,預先完成模具的成形工藝與模擬試驗,對可能存在的缺陷進(jìn)行優(yōu)化和改善。數控機床經(jīng)過(guò)幾十年的升級換代,自帶的編程指令和切削循環(huán)已經(jīng)具備了人機對話(huà)功能,能夠按照模具的加工特征和編程員的邏輯思維,自動(dòng)選擇優(yōu)質(zhì)的刀具路徑,為智造技術(shù)提供了強大的硬件基礎。三坐標測量機和光學(xué)投影儀是模具制造中常用的測量設備,能夠對在線(xiàn)模具的加工部位進(jìn)行全方位隨機檢測,檢測數據同步反饋給計算機軟件的執行單元,協(xié)助數控系統完成機床的精確制導功能,對不合適的部位進(jìn)行二次修整,加工尺寸可以精確到幾個(gè)微米。一次裝夾即可完成加工部位的全部?jì)热?,確保模具的精度要求。

          智能數控機床具有的切削參數優(yōu)化與刀具路徑補償功能,能夠有效控制模具的變形量和加工誤差。模具切削過(guò)程中,加工表面各部位的剛性及切削力大小不同,受力變形與進(jìn)給阻力也不一樣,切削參數優(yōu)化功能利用數控系統的智能型過(guò)程運算方法,對主軸轉速、吃刀量和進(jìn)給量進(jìn)行動(dòng)態(tài)的倍率調整,讓刀具始終保持在優(yōu)質(zhì)切削狀態(tài)。在保證表面質(zhì)量、減小變形量的同時(shí),提高生產(chǎn)效率;刀具路徑補償功能,是在數控機床刀具補償的基礎上,利用有限元分析對模具變形量和刀具磨損值進(jìn)行預處理計算,讓刀具在原有的走刀軌跡中附加一個(gè)等值的補償運動(dòng),消除因加工變形和刀具磨損而產(chǎn)生的殘余誤差,從而達到高精、高效和優(yōu)質(zhì)加工的目的。五軸聯(lián)動(dòng)的小型加工中心(見(jiàn)圖5),是3C模具的主要加工設備,有著(zhù)很好的定位精度和抗振能力。適用于模具型腔的自由曲面插補,可實(shí)現納米級水準的精密加工,達到以銑代磨的效果。工件誤差控制在0.01mm,不僅節省了費時(shí)費力的電加工和磨削拋光工序,還容易實(shí)現加工過(guò)程自動(dòng)化,提高模具的研發(fā)速度。

          智能特種設備綜合了機電、化學(xué)、超聲波及3D打印等不同原理的制造方法,能夠做到無(wú)微不至地近距離加工,在超硬材料和高難度模具加工中有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)勢。超聲振動(dòng)切削是一種用于硬脆性材料的全新加工技術(shù),適用于淬火后的鋼坯與硬質(zhì)合金模具。在超聲波的頻率幫助下,即使較硬的模具也可以使用較低的接觸力度和較高的進(jìn)給速度進(jìn)行振動(dòng)切削,最小加工孔徑為0.3mm,可獲得高質(zhì)量的模具表面。激光加工中心用于模具的微小型腔和孔系加工,以及薄板和管狀零件的精密切割。通過(guò)計算機控制的數字伺服系統,可實(shí)現高精度的五軸微細加工。自帶的編程軟件可預先設定好型腔側壁的角度和深度,實(shí)現完美的分層切削。

          CAD/CAE/CAM軟件是智造技術(shù)的基礎,以UG、Pro為主的模具軟件功能強大,通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)條排列,即可設計出復雜的型腔和外部結構,具有不可替代的作用。3C產(chǎn)品的模具以注塑模和五金模為主,一般都要借助于專(zhuān)業(yè)的造型和編程軟件。相同或類(lèi)似的一組加工特征,只需做出一個(gè)模塊,就可以使用陣列、縮放等幾何變換功能做出另外幾個(gè)。正確建模是做好模具智造的第一步,實(shí)踐告訴我們,模具曲面的編程思路與其建模方式基本一致,建模中用到的曲線(xiàn)和特征決定了編程時(shí)的刀具路徑。模具智造中的精加工策略要求空刀路徑少、執行速度快,切削軌跡清晰流暢,沒(méi)有逼近誤差和中途停頓,像高速公路一樣暢通無(wú)阻,即使多走幾座立交橋也要避開(kāi)急轉彎和交叉路口。模具智造的編程技巧在于加工表面之間的圓滑過(guò)渡與無(wú)縫銜接,對于由多個(gè)曲面組合而成的復雜模具表面,應盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續加工,減少裝夾和找正造成的接刀誤差。常用的曲面加工路徑中,較有效的是流線(xiàn)刀路和三維螺旋刀路,這兩種刀路可以在很少抬刀的情況下生成連續光滑的切削路線(xiàn),沒(méi)有切削速度和進(jìn)給方向的突然轉變。即使刀具移動(dòng)一段很小的距離,也要做到前后連貫、進(jìn)退自如。這樣智造出的模具表面沒(méi)有進(jìn)退刀和切入切出的痕跡,光滑圓潤、棱角分明,達到完美的鏡面效果。

          4.結語(yǔ)

          傳統的切削加工,其制造精度和表面質(zhì)量都有 模具智造技術(shù)代替了很大的提高,將引導模具制造領(lǐng)域的又一次產(chǎn)業(yè)革命。人才是模具的靈魂,做好模具離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)的設計人員和熟練的操機師傅。十年苦功,上千件模具培養一名高級技工。我們平時(shí)要多學(xué)習一些典型模具的制作案例,借鑒其中的智慧和技巧,以智造技術(shù)為方向,樹(shù)立自己的質(zhì)量和品牌優(yōu)勢,為國產(chǎn)3C產(chǎn)品提供優(yōu)質(zhì)的模具和服務(wù)。

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