增材制造在模具行业应用案例分析

     目前， 激光技术正愈来愈多地作为生产工具被得到广泛应用，并已渗透到生产工艺的各个方面：激光测量、激光切割、激光辅助切削(混合加工)、激光打标、激光焊接、激光淬火、激光打孔、激光雕刻、激光微加工和激光熔融(3D打印)等等，激光技术已深入到工业生产的各个领域。

    近年来，3D打营—“增材制造”技术成为了工业部门竞相开发和应用的重点技术。“增材制造”是按照分层堆积制造原理，把三维生产任务简化为多个二维生产工序(即横截面制造工艺)，从而能为设计和造型提供无限的自由度，由此制造出几何形状十分复杂的任何构件。这种不用刀具的生产工艺，是以十分精确的物理模型复制成具有复杂几何形状的构件。在复制时，制造费用和制造时间与构件的复杂程度无关。

    激光选区熔化这种“增材制造”技术已逐渐成为模具、飞机和汽车等行业开发和应用的重点。在模具行业，利用激光熔融工艺来制造几何形状复杂、而用其它工艺又十分费时或无法制造的构件，如在模具型芯中可以设置贴近任意轮廓表面的冷却通道。在飞机工业和汽车制造业利用激光熔融技术来制造轻型构件。在刀具和工具行业则用来制造结构复杂的刀具和夹头。Mapal 公司于2013年开始激光熔融工艺的开发，并与Concept Laser公司合作，在2014年利用激光熔融工艺制造镶片内冷却麻花钻头QTD系列(图1)、液压膨胀夹头和外圆铰刀。

    镶片内冷却麻花钻头的直径范围为8-12mm。以往钻头的内冷一般是在钻芯通过中央冷却通道，在靠近钻头端部处通过叉形通道将冷却液输送到切削刀刃上。这样的中央冷却通道，会使钻芯的强度变弱，致使加工不稳定。另外，由于这种冷却通道的直径较小，输送到切削刀刃上的冷却液流量也较少，影响到冷却效果。现在通过激光熔融工艺制造的镶片内冷却麻花钻头，两个冷却通道是平行于螺旋槽，这就提高了钻芯的稳定性。在这里，其冷却通道形状与圆形还稍有不同，呈一种三角形横截面，这不仅有利于提高平面惯性矩，还有利于提高冷却液流量，其流量要比圆形冷却通道提高30%。而这种三角形横截面的冷却通道用常规工艺是制造不出来的。

    新的镶片内冷却麻花钻头是按混合制造方式来制造的，也就是由常规加工工艺(铣削、车削等)和激光熔融工艺相结合来制造钻头。由于刀柄结构比较简单，故采用常规的切削加工来制造，再在这个刀柄的基础上通过激光熔融工艺制造出钻头复杂的刀体部分，这样的混合制造可以显著提高制造过程的经济性。

    Mapal公司采用激光熔融工艺制造的另一个新产品是细长杆液压膨胀夹头。传统的液压膨胀夹头的优点是有很好的吸振阻尼作用，并具有很高的回转精度和高的重复精度，无需维护(因是一个液压闭环系统)，此外还具有操作简单和无需外围设备等其它优点。但是，这种夹头的两个主要构件(夹头基体和薄壁膨胀套)是通过钎焊来连接的，钎焊部位的强度要大大低于基体和薄壁膨胀套的强度，这就成为夹头的薄弱环节，并由此影响到夹头的耐热性和扭矩的传递。根据Mapal公司的资料，这样的夹头，其工作温度只能限于50℃。

    而液压油的膨胀系数是钢的50倍，当工作温度提高时，一方面会提高夹头的夹持力，但是，另一方面这也存在使夹头失效的可能。因为，由于较高的压力会使钎焊部位发生破裂，也就使夹持力瞬时消失。钎焊连接的问题，以及由此产生的夹头使用局限性，促使Mapal公司应用激光熔融工艺来制造一个整体的液压膨胀细长杆夹头，以提高液压膨胀夹头的耐热性(在170℃的工作温度下能可靠工作)和扭矩的传递。

    像Schunk公司应用激光熔融工艺来制造夹爪，大众等汽车厂家则用来制造轻型构件等。

    激光熔融的“增材制造”技术的开发和应用，可以实现过去用常规工艺难于制造或无法制造的构件，在广泛的工业领域推动了工艺和产品创新。我们从众多企业的创新活动中，可以看出，企业要在国际激烈的竞争中保持其技术优势，势必要在产品不断开发的过程中，密切关注各个技术领域里随时出现的技术和工艺进步，在这方面，近几年来比较突出的是激光技术的发展和进步。