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淺析3C模具智造技術的發展與前途

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-2-13     瀏覽次數:    

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  我國是3C(計算機、通信、電子)產品的消費大國,有著13億人口的需求市場,蘋果、華為等知名品牌的手機和電腦,成為年輕人追捧的目標。同時我國也是制造業大國,全球2/3的電子產品均由中國進行制造和裝配。國內的3C制造企業規模龐大,但多數是一些不掌握高端產品與核心技術的代加工企業,上百萬員工在忙碌的生產線上賺取微薄的利潤。如今,3C產品正朝著多樣化、個性化方向發展,在激烈的市場競爭下,升級換代的速度越來越快,花樣繁多的外形設計給模具制造行業帶來了新的機遇。筆者作為一名數控工藝人員,結合自己的工作經驗,談談3C模具的智造技術與發展方向。

  1.3C模具的制造特點

  模具是按照產品結構要求進行專門設計和制造的成型工具,其工作性質就是批量產品的母機。可以直接改變原材料的形狀和尺寸,使之成為合格的零件,最大限度地節約制造成本。利用模具制造的各種零部件(見圖1),在3C產品中占到70%以上,從外殼結構到集成線路板,應用非常廣泛(見圖2)。與其他制造方法相比,具有高效率和低成本的雙重優勢。模具又是“質量放大器”,對產品質量起著決定性作用。如果一套模具存在缺陷,由此生產的成千上萬件產品也會存在相同的缺陷,造成批量不合格品,這也是一些“山寨”電子產品質量不上檔次的根源。

  淺析3C模具智造技術的發展與前途

  淺析3C模具智造技術的發展與前途

  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鑲塊、堆焊、噴涂和滲氮等特殊工藝來強化其局部性能。

  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為主,模具質量取決于能工巧匠的技能水平,尤以模具鉗工表現得最為出色,很多老師傅練就了一身絕活。90年代后期,模具加工開始以數控機床和特種設備為主,加工中心和線切割的普及應用解決了技術領域的很多難題,特種加工所運用的電解、激光和超聲波等多項技術手段,可以深入模具的型腔和死角,填補了常規切削刀具無法實現的空白。

  2.3C模具亟待解決的問題

  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生相應的錯位和偏移,直接影響到成形產品的尺寸和外觀質量。按照傳統的制造工藝,操作工人會采用修磨和配做的補救方法,取長補短,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隨著加工部位的曲面斜率而不斷變化,形成不均勻的切削步距。受刀尖圓弧和進給角度的限制,數控精切后的模具表面會留下輕微的刀痕(見圖4)。在兼顧生產效率的前提下,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,但過度拋光會破壞模具的曲面和線型結構,使數控加工的成果前功盡棄。

  近幾年蓬勃發展的3C產品,對中國的模具企業提出了嚴峻的挑戰,模具生產效率低下和品質不穩定的缺點也逐漸暴露出來。要解決這些加工領域的技術問題,只能采用更為先進的智造技術,減少加工過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量和生產效率。

  3.3C模具的智造技術優勢

  智造技術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行優化和改善。數控機床經過幾十年的升級換代,自帶的編程指令和切削循環已經具備了人機對話功能,能夠按照模具的加工特征和編程員的邏輯思維,自動選擇最佳的刀具路徑,為智造技術提供了強大的硬件基礎。三坐標測量機和光學投影儀是模具制造中常用的測量設備,能夠對在線模具的加工部位進行全方位隨機檢測,檢測數據同步反饋給計算機軟件的執行單元,協助數控系統完成機床的精確制導功能,對不合適的部位進行二次修整,加工尺寸可以精確到幾個微米。一次裝夾即可完成加工部位的全部內容,確保模具的精度要求。

  智能數控機床具有的切削參數優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,受力變形與進給阻力也不一樣,切削參數優化功能利用數控系統的智能型過程運算方法,對主軸轉速、吃刀量和進給量進行動態的倍率調整,讓刀具始終保持在最佳切削狀態。在保證表面質量、減小變形量的同時,提高生產效率;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行預處理計算,讓刀具在原有的走刀軌跡中附加一個等值的補償運動,消除因加工變形和刀具磨損而產生的殘余誤差,從而達到高精、高效和優質加工的目的。五軸聯動的小型加工中心(見圖5),是3C模具的主要加工設備,有著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,不僅節省了費時費力的電加工和磨削拋光工序,還容易實現加工過程自動化,提高模具的研發速度。

  智能特種設備綜合了機電、化學、超聲波及3D打印等不同原理的制造方法,能夠做到無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顯著的優勢。超聲振動切削是一種用于硬脆性材料的全新加工技術,適用于淬火后的鋼坯與硬質合金模具。在超聲波的頻率幫助下,即使最硬的模具也可以使用較低的接觸力度和較高的進給速度進行振動切削,最小加工孔徑為0.3mm,可獲得高質量的模具表面。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。通過計算機控制的數字伺服系統,可實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,實現完美的分層切削。

  CAD/CAE/CAM軟件是智造技術的基礎,以UG、Pro為主的模具軟件功能強大,通過簡單的線條排列,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產品的模具以注塑模和五金模為主,一般都要借助于專業的造型和編程軟件。相同或類似的一組加工特征,只需做出一個模塊,就可以使用陣列、縮放等幾何變換功能做出另外幾個。正確建模是做好模具智造的第一步,實踐告訴我們,模具曲面的編程思路與其建模方式基本一致,建模中用到的曲線和特征決定了編程時的刀具路徑。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,沒有逼近誤差和中途停頓,像高速公路一樣暢通無阻,即使多走幾座立交橋也要避開急轉彎和交叉路口。模具智造的編程技巧在于加工表面之間的圓滑過渡與無縫銜接,對于由多個曲面組合而成的復雜模具表面,應盡可能在一個工序中進行連續加工,減少裝夾和找正造成的接刀誤差。常用的曲面加工路徑中,最有效的是流線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,沒有切削速度和進給方向的突然轉變。即使刀具移動一段很小的距離,也要做到前后連貫、進退自如。這樣智造出的模具表面沒有進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

  傳統的切削加工,其制造精度和表面質量都有模具智造技術代替了很大的提高,將引導模具制造領域的又一次產業革命。人才是模具的靈魂,做好模具離不開優秀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。我們平時要多學習一些典型模具的制作案例,借鑒其中的智慧和技巧,以智造技術為方向,樹立自己的質量和品牌優勢,為國產3C產品提供一流的模具和服務。

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