我國是3C（計算機、通信、電子）產(chǎn)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(yè)大國，全球2/3的電子產(chǎn)品均由中國進行制造和裝配。國內(nèi)的3C制造企業(yè)規(guī)模龐大，但多數(shù)是一些不掌握高端產(chǎn)品與核心技術(shù)的代加工企業(yè)，上百萬員工在忙碌的生產(chǎn)線上賺取微薄的利潤。如今，3C產(chǎn)品正朝著多樣化、個性化方向發(fā)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(shè)計給模具制造行業(yè)帶來了新的機遇。筆者作為一名數(shù)控工藝人員，結(jié)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
模具是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求進行專門設(shè)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。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(jié)約制造成本。利用模具制造的各種零部件，在3C產(chǎn)品中占到70%以上，從外殼結(jié)構(gòu)到集成線路板，應(yīng)用非常廣泛。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)的成千上萬件產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量不上檔次的根源。
形狀復雜的3C模具，對結(jié)構(gòu)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(shè)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(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(xiàn)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(shù)控機床和特種設(shè)備為主，加工中心和線切割的普及應(yīng)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(guī)切削刀具無法實現(xiàn)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(guī)的設(shè)備和加工方法，零部件的精度誤差雖然控制在合理的范圍內(nèi)，但組裝后的誤差積累，將造成模具的工作部分產(chǎn)生相應(yīng)的錯位和偏移，直接影響到成形產(chǎn)品的尺寸和外觀質(zhì)量。按照傳統(tǒng)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(xù)的組裝造成很大的困難。有些不規(guī)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(shù)控精切后的模具表面會留下輕微的刀痕。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，使用電動工具快速去除加工痕跡，雖然達到了規(guī)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(jié)構(gòu)，使數(shù)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(zhàn)，模具生產(chǎn)效率低下和品質(zhì)不穩(wěn)定的缺點也逐漸暴露出來。要解決這些加工領(lǐng)域的技術(shù)問題，只能采用更為先進的智造技術(shù)，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(nèi)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(shù)控設(shè)備的完美結(jié)合，集設(shè)計、加工、檢測和試驗功能為一體，可以在模具的設(shè)計階段進行智能化造型和有限元分析，預(yù)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(yōu)化和改善。數(shù)控機床經(jīng)過幾十年的升級換代，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(shù)提供了強大的硬件基礎(chǔ)。三坐標測量機和光學投影儀是模具制造中常用的測量設(shè)備，能夠?qū)υ诰€模具的加工部位進行全方位隨機檢測，檢測數(shù)據(jù)同步反饋給計算機軟件的執(zhí)行單元，協(xié)助數(shù)控系統(tǒng)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(nèi)容，確保模具的精度要求。
智能數(shù)控機床具有的切削參數(shù)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(shù)優(yōu)化功能利用數(shù)控系統(tǒng)的智能型過程運算方法，對主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量和進給量進行動態(tài)的倍率調(diào)整，讓刀具始終保持在最佳切削狀態(tài)。在保證表面質(zhì)量、減小變形量的同時，提高生產(chǎn)效率；刀具路徑補償功能，是在數(shù)控機床刀具補償?shù)幕A(chǔ)上，利用有限元分析對模具變形量和刀具磨損值進行預(yù)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(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)動的小型加工中心，是3C模具的主要加工設(shè)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(xiàn)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(jié)省了費時費力的電加工和磨削拋光工序，還容易實現(xiàn)加工過程自動化，提高模具的研發(fā)速度。
智能特種設(shè)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(yōu)勢。超聲振動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(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。通過計算機控制的數(shù)字伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)高精度的五軸微細加工。自帶的編程軟件可預(yù)先設(shè)定好型腔側(cè)壁的角度和深度，實現(xiàn)完美的分層切削。
CAD/CAE/CAM軟件是智造技術(shù)的基礎(chǔ)，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(shè)計出復雜的型腔和外部結(jié)構(gòu)，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，一般都要借助于專業(yè)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(zhí)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(zhuǎn)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(yīng)盡可能在一個工序中進行連續(xù)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(xù)光滑的切削路線，沒有切削速度和進給方向的突然轉(zhuǎn)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(jié)語
傳統(tǒng)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，做好模具離不開優(yōu)秀的設(shè)計人員和熟練的操機師傅。十年苦功，上千件模具培養(yǎng)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(shù)為方向，樹立自己的質(zhì)量和品牌優(yōu)勢，為國產(chǎn)3C產(chǎn)品提供一流的模具和服務(wù)。
