【行业分享】模具制造中的九大特种加工工艺

1）基本原理

电火花加工是通过脉冲放电蚀除导电材料的一种特殊加工方法，也被称作放电加工或电蚀加工。其英文是Electrical Discharge Machining，简称EDM。

电火花加工在精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角等复杂部件的加工中具有良好的应用效果。当刀具难以触及复杂表面时，或在需要深度切削的地方，特别是在长径比特别高的部位，电火花加工工艺表现出优于铣削加工的特点。对于高技术零件的加工，铣削电极再放电可提高成功率，相比高昂贵的刀具费用相比，放电加工更合适。

在需要产生火花纹的精细加工中，电火花加工能够提供出色的表面效果。然而，随着高速铣削技术的发展，电火花加工的应用空间在一定程度上受到了限制。但与此同时，高速铣削技术也为电火花加工带来了新的发展机遇。例如，利用高速铣削技术可以更高效地制造电极，通过实现狭小区域的加工和高质量的表面结果，可以大大减少电极的设计数量。此外，高速铣削技术还可以提高电极制造的生产效率，并确保电极的高精度，从而提高电火花加工的精度。

如果大部分型腔加工由高速铣完成，电火花加工则作为辅助手段进行清角修边，这样可以更均匀地留量，减少。

3）主要特点

对于难以应用普通切削加工方法的材料和复杂形状工件，加工过程无切削力，不会产生毛刺、刀痕沟纹等缺陷。此外，电极材料的硬度无需高于工件材料，因为它是直接使用电能进行加工的，这使得自动化更为方便。然而，加工后表面会产生变质层，这在某些应用中需要进一步处理。此外，工作液的净化和加工中产生的烟雾污染也是一个需要处理的难点。

该设备具备对各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度导电材料的加工能力。其加工过程中无明显机械力，因此特别适合低刚度工件和微细结构的加工。脉冲参数可以根据需求进行调节，实现一台机床完成粗加工、半精加工和精加工的全部工序。电火花加工后，表面会呈现出凹坑，有利于提高润滑性能和降低噪声。然而，其生产效率低于切削加工。此外，放电过程中部分能量会消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。

适用于制造具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件，包括硬质合金和淬火钢等硬、脆材料的加工。通过高精度深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等复杂工艺，满足各种工具和量具的制造需求，如成形刀具、样板和螺纹环规等。

电火花加工必须具备三个条件

1. 必须采用脉冲电源

2. 必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙

3. 火花放电必须在具有一定绝缘强度（10～107Ω ·m）的液体介质中进行。

不是所有的模具钢材都可以进行镜面电火花加工

利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。英文为Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM，又称线切割。

2）基本设备：电火花线切割加工机床。

3）主要特点

电火花线切割加工，除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：

①不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面；

②能切割0.05毫米左右的窄缝；

③加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率；

④在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度；

⑤电火花线切割能达到的切割效率一般为20-60毫米2/分，最高可达300毫米2/分；加工精度一般为±0.01至±0.02毫米，最高可达±0.004毫米；表面粗糙度一般为Ra2.5至1.25微米，最高可达Ra0.63微米；切割厚度一般为40-60毫米，最厚可达600毫米。

电火花线切割机床主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等；成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极；各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等。其具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前在国内外，电火花线切割机床已占电加工机床总数的60％以上。

电火花线切割加工是实现工件尺寸加工的一种技术。在一定设备条件下，合理的制定加工工艺路线是保证工件加工质量的重要环节。

电火花线切割加工模具或零件的过程，一般可分以下几个步骤。

分析图样对保证工件加工质量和工件的综合技术指标是有决定意义的第一步。以冲裁模为例，在消化图样时首先要挑出不能或不易用电火花线切割加工的工件图样，大致有如下几种：

1.表面粗糙度和尺寸精度要求很高，切割后无法进行手工研磨的工件；

2.窄缝小于电极丝直径加放电间隙的工件，或图形内拐角处不允许带有电极死板井架放电间隙所形成的圆角的工件；

3.非导电材料；

4.厚度超过丝架跨距的零件；

5.加工长度超过x,y拖板的有效行程长度，且精度要求较高的工件。

在符合线切割加工工艺的条件下，应着重在表面粗糙度、尺寸精度、工件厚度、工件材料、尺寸大小、配合间隙和冲制件厚度等方面仔细考虑。

1）基本原理

基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法，称为电解加工。

2）使用范围

电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。电解加工已获得广泛应用，如炮管膛线、叶片、整体叶轮、模具、异型孔及异型零件、倒角和去毛刺等加工。并且在许多零件的加工中，电解加工工艺已占有重要甚至不可替代的地位。

3）优点

加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料，并且不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。

4）局限性

加工精度和加工稳定性不高；加工成本较高，且批量越小，单件附加成本越高。

1）基本原理

激光加工，是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，在极小时间内使材料熔化或气化而被蚀除下来，实现加工。

2）主要特点

激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点。在欧洲，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼以及航天器机身等特种材料的焊接，基本采用的是激光技术。

3）使用范围

激光加工作为激光系统最常用的应用，主要技术包括：激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

1）基本原理

电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。

2）主要特点

能量密度高，穿透能力强，一次熔深范围广，焊缝宽比大，焊接速度快，热影响区小，工作变形小。

3）使用范围

电子束加工的材料范围广，加工面积可以极小；加工精度可以达到纳米级，实现分子或原子加工；生产率高；加工所产生的污染小，但加工设备成本高；可以加工微孔、窄缝等，还可用来进行焊接和细微的光刻。真空电子束焊接桥壳技术是电子束加工在汽车制造业中的主要应用。

1）基本原理

离子束加工是在真空状态下，将离子源产生的离子流，经加速、聚焦达到工件表面上而实现加工。

2）主要特点

由于离子流密度和离子能量能够被精确控制，因此可以实现对加工效果的精确调控，从而实现纳米级甚至分子、原子级的超精密加工。离子束加工的优点在于产生的污染较小，加工应力变形极小，并且对被加工材料的适应性强。然而，这种加工方法的成本相对较高。

3）使用范围

离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。

1）蚀刻加工

离子蚀刻技术在陀螺仪空气轴承和动压马达的沟槽加工中表现出色，其分辨率高，精度和重复一致性优良。此外，离子束蚀刻在蚀刻高精度图形方面也有着广泛的应用，例如集成电路、光电器件和光集成器件等电子学构件。同时，离子束蚀刻还被用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。

2）离子束镀膜加工

离子束镀膜技术具有溅射沉积和离子镀两种形式，可以广泛地应用于各种材料表面，包括金属、非金属、合金、化合物以及某些合成材料、半导体材料和高熔点材料等。通过离子束镀膜技术，可以制备润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。

（1）基本原理

等离子弧加工，是利用等离子弧的热能对金属或非金属进行切割、焊接和喷涂等的特种加工方法。

（2）主要特点

1）微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板；

2）具有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形；

3）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，10-12mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小；

4）设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。

（3）使用范围

在工业制造中，尤其是航空航天等军工和尖端技术领域，铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接技术扮演着至关重要的角色。例如，钛合金的导弹壳体、飞机上的一些薄壁容器等，都离不开焊接技术的精妙运用。

（1）基本原理

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光等。

（2）主要特点

加工方法可以应对各种材料，尤其适用于硬脆的非导电材料。它不仅对工件的加工精度高，还能保证优良的表面质量。然而，它的生产率相对较低。

（3）使用范围

超声加工主要用于硬脆材料如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

（1）基本原理

化学蚀刻是一种特种加工方法，利用酸、碱或盐溶液对工件材料进行腐蚀溶解，以获得所需形状、尺寸或表面状态的工件。

（2）主要特点

1）能加工任意能切削金属材料，不受硬度、强度等性能的限制；

2）适合大面积加工，并可同时加工多件；

3）不产生应力、裂纹、毛刺，表面粗糙度达Ra1.25-2.5μm；

4）操作简便；

5）不适宜加工对窄狭槽、孔；

6）不宜消除表面不平、划痕等缺陷。

（3）使用范围

适于大面积厚度减薄加工；适于在薄壁件上加工复杂型孔。