激光加工用于模具制造的可能性

      【摘要】

      一、多品种小批量生产时代的金属模具 在石油危机的背景下,世界从高增长时代进入了低增长时代。在低增长时代,由于争夺市场,产生了新产品开发的激烈竞争和频繁的产品更新。随着技术革新的发展,产品的市场寿命趋于极短。生产方式看来是由大批量生产转向多品种小批量生产。这种趋势也许会在某个适当的时候终止,但技术的向前发展是无止境的,并且由于人们的意向、需求的多样化,多.易种小批量生产的时代将持续一个相当长的时期。 在铸造锻造、粉末烧结、冲压加工、塑料成形等所谓坯材加工的领域中,与切削加工相比,一般都很难适应多品种小批量的生产。这是由于这些坯材加工必须利用某种有一定耐用度的、可反复使用的金属模具,而它的制造又需较长的周期和较高的成本。因此,适宜于小批量生产,而又可迅速制造的低成本简易金属模具便脱颖而出,受到了重视。但是以往所谓的简易模具,在精度等质量方面大多比较差,还不能满足多品种小批量生产的要求。即使是小批量生产所用的模具,也要与试制用的模具有所区别,不允许降低质量。模具使用年限短,这在小批量生产上是允许的,但高精度高质量的模具也有因使用年限短而不能满足几百或几千个批量生产的要求的。 目前,在生产技术中,一般认为技术革新的主角是电子计算机。在模具制造中,也陆续引进了数控机床、数控电加工机、计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)等,在模具制造上起着重要作用,.同时,适应多品种小批量生产的新一代模具制造技术也逐渐得到了确认。此外,从任何意义来说,作为***新的加工技术,当首推激光加工。激光加工是今后***可寄予希望的新的加工技术,它具有以往加工方法所没有的各种特点。笔者几年来对如何将这项技术用于模具制造作了研究,总结了有关在此过程中所产生的用激光加工的层叠式冲裁模的实用性研究的结果,并探求了将来用激光加工进行模具制造的可能性。

      二、激光切割在模具制造中的应用 借助能量的功率及其集中程度,激光加工能进行切割、划线、焊接和热处理等工序。模具加工的首要目标就是二维或三维形状的展成。既然用划线方法进行形状加工十分困难,切割加工就是可用,于形状展成的***加工方法了。 用激光进行切割加工的特征,就是能在空气中高精度、高速度地进行切割,并且容易控制。由于激光加工的机理是发热熔断,因而几乎所有材料都能切割。尤其是大功率二氧化碳气体激光器的出现,使切割能力大大提高。能量集中技术的提高和吹氧技术的应用,使金属板1之O的切割十分简易,从而激光切割的适用范围迅速扩大。 迄今为止,在模具加工中,应用激光切割有显著效果的例子之一是切纸冲裁模模板的槽加工。这种模具是在层压板上开设的宽O.7oln左右的槽中嵌入钢制刃具,用以切断纸张。原来用锯丝切割的方法公难以实现自动化,并且是一种很费工夫的操作。以激光切割代之,则有可能实现高速度、高精度的自动化加工。因而,目前切纸冲裁模模板的槽加工几乎完全可由激光加工来代替。对于大企业来说,可引进激光加工机,在公司内自行制造,其他单位可与***激光加工的企业签订协约,委托加工。现在,可用电话线路等传递轮廓、设计方案以及设计图纸等信息,建立了即时加工发送系统。亦有用计算机辅助设计进行轮廓设计和图纸设计的。这是CAD与CAM相结合的***好例子。 激光切割的另一个应用例子是汽车车身成形用的修整模。汽车车身的成形通常需要多副模具,除主要的拉深模外,有周边修整模、冲孔模和弯曲模等。因需反复试模及修整,自始至终需要相当的时间和人工,其间每一次修整都很费事。用激光切割代替修整可大幅度地简化模具修整作业。富士铁工厂所开发的激光加工专用机的销售引起了强烈的反应。由于修整模是在拉深成形后使用的,它能切割立体形的薄钢板。这种激光加工专用机可根据成形休求得Z轴方向的位置,并据此进行切割。它是三座标测量机和激光加工机组成的复合加工机。这种机器将激光对准垂直方向,在切割板的倾斜度方面是有所限制的,因此难以加工45“以上的斜度。***近,新日本工机和中村制作所共同开发的三维激光加工机川已针对这一缺点加以改进,可使光束垂直于所要切割的板的平面。机器内装有三座标测量机,用以计算沿切割轮廓面的倾斜度,并控制激光头垂直地对准这个而。

      三、激光切割薄板的层叠式结构金属模具 用大容量的激光加工机可高精度、高速度切割金属板,制造厚的立体形的金属模具,而用低容量的激光加工机则必须将切割成块的薄板加以层叠。切割3一***m以下的薄板,可用低容量的激光加工机,切割10mm以上的钢板,则须用大容量的加工机,同时其切割面和切割尺寸的精度也差。如图1所示,把切割轮廓逐渐变化的薄板进行层叠,可得到任意的三维图1以层叠薄板制成的三维轮廓形状立体形状。当然,层叠也能按水平方向进行。目前,只能将切割面垂直于板平面进行切刽,因此模具表面为曲面时总会成为阶梯形,阶梯形可在此后的加工中去除,但必须用其他材料来嵌填。

      四、薄板层叠结构的冲裁模具 在薄板层叠结构的模具中,一立维形状的模具可作为冲裁模使用。由于冲裁模实际上就是分离冲压加工,因此与线电极一切割加工一样,激光加工也可用于制造模具。 

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