自由曲面模具精整加工浅析

　　1.引言

　　模具作为机械加工中重要的生产工具，其表面粗糙度的高低直接影响着用其生产的产品质量及使用寿命，较低的表面粗糙度可以对加工的产品起到耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用，如滚动轴承滚道的表面粗糙度降低，可以提高轴承的使用寿命，消除波纹度，并减少振动和噪声。目前我国车、铣、镗、钻、铰、电火花和线切割等模具加工的大部分工序均已实现自动化，然而作为降低零件表面粗糙度的最后一道工序，占整个加工量30%～40%的模具表面精加工，其自动化程度还非常低，甚至一度停留在手工操作阶段。

　　2. 非传统整形抛光

　　2.1 电化学光整加工

　　电化学及其复合光整加工技术主要是依据金属工件表面的电化学阳极溶解原理，属于离子的去除。电化学光整加工工艺生产率高，约为机械光整加工的5～10倍，电解液和电流密度是影响抛光效果的主要因素，此外电解时间和电解温度也有一定的影响。电解液通常有酸性、中性和碱性3种，加入少量添加剂，可显著改善抛光效果。研究发现，含羟基(－OH) 、羧基(－COOH) 类添加剂主要起缓蚀作用，含胺基(－NH2) 、环烷烃类添加剂主要起整平作用，糖类及其他杂环类添加剂主要起光亮作用。新型电子器件的发展，促进了脉冲电化学加工技术的试验研究，该加工方法以周期式间歇供电代替连续供电，对于高镜面抛光性能要求的模具材料能较大幅度地提高加工精度，有效改善加工件的表面状况。

　　2.2 磁粒光整加工

　　模具型腔的多样性和不规则性，以及加工去除量少是导致技术进步缓慢的主要原因，因此要求机械设备具有较高的柔性，磁研磨加工法即是其中一种。磁性研磨粒子在磁场中磁力的作用下被吸压在工件表面，且沿磁力线整齐排列，形成磁性刷，其有很好的加工柔性，可以对任意形状的工件表面进行抛光处理。同时，磁研磨粒子有较好的自适应性和可控性，磁力线的穿透能力解决了普通刀具无法进入弯管等特殊形状工件内部表面的问题，改变外部磁铁，磁力线方向也随之发生改变，可以控制研磨粒子的运动轨迹，完成内表面的研磨加工。磁研磨加工法改善了复杂自由曲面抛光处理的工作条件，有助于推动自动化进程，用磁研磨粒子对微型内螺纹表面等进行光整加工，这是过去传统工艺所无法完成的。

　　20 世纪60年代以后，前苏联在磁粒光整加工方面作了大量的研究，对基础的磁性磨料的组成、配比和结构有多项发明专利。我国自20世纪80年代中期开始进行磁粒光整加工技术的研究，国内部分高校也取得了一些有研究价值的成果，但大多还停留在平面、圆柱面等简单的加工工艺层面。山东科技大学戴向云结合数控加工技术，设计了一个触发式导电测头，并开发了相应的数字化测量软件，将曲面加工控制、数字化测量和自动编程等功能融为一体，基本满足了磁粒光整加工的要求。

　　2.3 机器人柔性抛光技术

　　工业机械手和机器人的出现为模具抛光自动化加工提供了新的动力，目前日本在机器人模具抛光加工方面处于世界领先地位，我国则主要将其用于复杂曲面的粗加工，精加工领域还有不小的差距。厦门大学王健等建立了一种基于机器人的光学非球面柔性抛光控制模型，运用此模型控制点抛光时抛光头的位置和方向，转换成机器人的控制点，并计算过各控制点间的移动速度，转换成机器人的运动速度，形成机器人抛光控制指令，对工件进行抛光试验，获得了较好的加工效果。北京航空航天大学齐立哲等研制了一套机器人柔性加工系统。磨削单元具有力控制功能及接触轮在线调整功能，可以实现在线误差实时补偿及自动更换机器人TCP;

　　抛光单元具有力控制功能及轮径在线检测与补偿功能，能够实时补偿机器人系统各种误差，完成了具有复杂型面水龙头的自动化磨削抛光过程。

　　3.超精密整形抛光

　　超精密加工技术是一个国家机械制造水平的标志，现已从亚微米级向纳米级过渡。我国在超精密加工机床的研制和生产方面与发达国家存在较大的差距，而超精密研磨抛光由于对加工设备和环境因素要求不高，故可实现纳米级甚至原子级的加工。

　　3.1 超声研磨抛光

　　超声研磨抛光是一种非接触式超精密研磨方法，其工作原理是在超声振动工具头的端面和工件表面的间隙填充磨料，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨，工作台做平面运动或曲面运动，即可实现对整个工件表面进行加工。超声研磨应用范围很广，可以加工各种硬性、脆性和塑性材料，且平面、复杂曲面均可。H.Hocheng等人研制了一套高效超声抛光系统，对模具钢进行了基础性研究和抛光试验，结果表明该系统可以大大提高模具钢的抛光质量。超声研磨时，大量磨粒以脉冲式冲击被加工表面，选择合理的振动幅值、工具转速和研磨压力等工艺参数，可以使表面加工层薄而均匀，且几乎没有损伤。

　　3.2 离子束抛光

　　与机械抛光不同，离子束抛光是用离子枪在真空状态下将被充电的高能原子或离子射向工件，带有很高能量的离子撞击工件表面时，在撞击点上实现材料的原子量级去除，去除量由离子束在该点的溅射时间决定。这种方法去除率较低，必须经过预抛光，再对非对称的自由曲面、球面和非球面等工件表面面形进行高精度修正。离子束抛光所需设备制造成本较高，

　　一般用于某些具有特殊高精度要求的光学大型镜面。国防科技大学廖文林等根据离子束材料去除机理，对矩形离轴镜的抛光加工进行了合理的简化，并在自行研制的离子束抛光机床上进行了修形试验，经过多次迭代加工后，有效地改善了面形精度，实验结果证明用离子束抛光可以对非球面镜进行高效高精度修形。

　　3.3 激光抛光技术

　　激光抛光技术是一种新型的非接触式抛光技术，它是利用激光束以指定的扫描方式作用于材料表面，使表面材料在很短的时间内吸收和转换激光能量而被去除并降低表面粗糙度的过程，广泛应用于陶瓷、金刚石、光学玻璃等硬脆材料的超精密抛光。按照作用方式的不同，激光抛光技术可分为热抛光和冷抛光两种。热抛光一般采用红外波长激光或长脉冲激光，利用激光与材料作用所产生的热效应，通过熔化、蒸发等热作用机理去除表面材料。冷抛光则采用短脉冲短波长激光，通过光化学分解作用去除材料。因激光抛光是非接触式抛光，故不会对样品造成损坏，同时可以运用计算机三维控制对任意曲面进行抛光，灵活性很好。另一方面，激光抛光精度较高，可以达到纳米级，甚至亚纳米级，在军事和核工程中有很大的应用前景。

　　4.结束语

　　模具精整加工近年来新理论、新技术和新工艺不断涌现，抛光工艺从机械抛光发展到特种抛光、复合抛光，并从手工抛光向数控抛光、机器人抛光发展。集成化、智能化、柔性化和网络化将成为未来模具制造业的基本特征，因此技术革新和产业进步应围绕提高产品质量及生产效率，缩短设计及制造周期，降低生产成本，最大限度地提高模具制造业的应变能力和满足用户需求等明确发展目标，确立发展方向。 

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