一窺日本模具成形新技術

模具是加工技術的核心。這些供應商通過減少模具、縮小模具尺寸、甚至采用逐層成形，不再使用模具等方法，既降低了成本，又保證了品質，非常值得我們借鑒。

Aqua成形法

從事除雪機開發和金屬加工等業務的Fujii Corporation公司（總部：日本燕市新潟縣），開發了減少模具費用的“Aqua成形法”，可實現深衝部件成形。Fujii公司已經將其應用到了農業機械聯合收割機的部件加工中，生產脫穀作業中輸送稻殼的風扇的旋轉罩。材料選擇的是厚2.3mm的深衝冷軋鋼板（SPCE）。

Aqua成形法其實是“對置液壓衝壓成形法”的應用，采用了日本AMINO公司製造的對置液壓衝壓機。與通常的衝壓機不同，在對置液壓衝壓機的主機下方設置了水槽，其中的水（或對置液）具有替代衝模承受衝壓的作用。

使用Aqua成形法加工出的樣品部件：首先，把鋼板上取下的坯料成形為深衝形狀。因為1次衝壓即可完成深衝，所以可以減少模具。然後利用激光將其切割，塗裝製作成樣品部件。

這種衝壓機首先需要使用二維激光加工機把鋼板切割成需要的形狀，然後將坯料設置在衝壓機上衝壓。此時，坯料上持續承受垂直方向均勻的水壓（對置液壓），可以加工出與凸模形狀完全一樣的部件。還能根據衝壓的進給速度，對固定坯料邊緣的力（壓邊力）和對置液壓進行優化，實現比使用衝模的通常衝壓加工更深的衝程。衝壓工序隻需1次。

對置液壓衝壓機的構造：使用水（對置液）替代衝模。衝壓坯料（工件）時，坯料垂直方向將承受均勻的水壓（對置液壓）。形成與凸模形狀一致的深衝形狀。

通過這一原理，Fujii Corporation公司隻用1塊坯料製，就能做出旋轉罩。因為是一體成形，所以隻需使用對置液壓衝壓機進行衝模。但在工件成形後，還要用三維激光加工機進行衝孔和切邊。

過去，旋轉罩分別使用普通衝壓機製造兩個部件，通過點焊和弧焊將其焊接在一起。其中1個部件需要3道工序，另一個需要5道工序進行衝壓加工，也就是共需8個模具。

通過Aqua成形法，Fujii公司大幅削減了模具費，減少了部件成本。激光加工的成本則與過去焊接的成本相同。

深衝難切削材料

加藤製作所（總部：岐阜縣中津川市）也利用對置液壓衝壓成形法，實現了對難以進行機械加工的難切削材料的深衝。從而可以把不鏽鋼、鈦合金、鎳（Ni）基耐熱合金“鉻鎳鐵合金”和同樣耐熱、耐腐蝕的合金“哈氏合金”等特殊金屬工件加工成具有深度的容器狀，適用於飛機和醫療器械部件等領域。

難切削材料的深衝工件：把普通衝壓機難以加工的不鏽鋼、鈦合金、鉻鎳鐵合金、哈氏合金等難切削材料的工件加工成為了具有深度的容器狀。

例如，鈦合金的加工硬化和回彈強烈，容易發生斷裂。而且加工時，一旦表麵的氧化覆膜剝落，鈦合金就會與模具燒結，會損傷表麵。因此在通常的衝壓加工中，很難采用工件變形嚴重，加工硬化、回彈和模具燒結明顯的深衝加工。雖然這個問題可以通過增加工序，使用逐漸改變工件形狀的級進模，或塗抹加工油等方式解決，但耗費的成本太大。

而進行對置液壓衝壓成形時，承受衝壓的是液體，與使用衝模相比，工件承受的摩擦小。這樣一來，即使變形大，工件的表麵也不容易出現裂紋，氧化覆膜也不易剝落。最終能夠製造出沒有破損和模具（衝壓）燒結的高品質深衝產品。

因為隻需要進行衝壓，所以與使用複雜的級進模的普通衝壓加工相比，也可以節省模具費。

僅更換腔體就足夠

太陽五金製品公司（總部：日本堺市）通過縮小模具成功削減了成本。該公司開發出的“環保鑄件”可以使用小於以往的模具，所以能夠令采用切削、失蠟、鑄造等方式加工而成的部件的成本減少60～70％。

使用小模具的“環保鑄件”加工出的部件：通過替換利用切削、失蠟、鑄造等方式加工的部件，成本可減少60～70％。

環保鑄件的特點是把模具分成了共同的底座以及與成形品形狀相同的腔體。在加工不同的部件時，底座作為標準品通用，隻需更換腔體即可。而且，為了減少更換作業的麻煩，模具采用了卡帶方式。打開頂板，把腔體插入到底座中即可完成模具設置。

環保鑄件的模具：把模具分割成底座與腔體，加工時隻需根據部件更換腔體即可。因為隻需準備腔體的模具即可，因此模具費可以減少到約1/2

也就是說，環保鑄件需要的模具隻有腔體，材料隻需傳統模具的1至3成，加工時間約可減少1/2，模具費自然也可減少到1/2左右。而傳統模具的底座與腔體合二為一，每加工一種部件都需要新模具，因此模具費偏高。

采用逐層成形，不再使用模具

無需模具即可加工複雜金屬部件的技術也已經出現。那就是利用電子束的逐層成形（EBM）技術。其方式是向金屬粉末照射電子束使其熔化，通過冷卻凝固的方式加工複雜的金屬部件。

KOIWAI（總部：日本秦野市神奈川縣）引進瑞典Arcam開發的EBM裝置，使用EBM技術加工了形狀複雜的換熱器。該部件與發電有關，網眼部分為散熱片。網眼不僅精細，其中還配置了油管。因為使用溫度高達數百℃，網眼部分與機殼的接合也無法使用焊接。

不使用模具製造的發電用換熱器：成形借助的是使用電子束的逐層成形（EBM）技術。使用電子束照射鋪設的金屬粉末使其熔化，然後冷卻凝固。通過多次重複這道工序，製成複雜的形狀。

EBM技術能夠根據三維CAD數據，直接對複雜的部件進行成形。EBM裝置由電子束槍和反應室（成形室）組成。使用的金屬粉末為含6％鋁（Al）合金（重量比）、4％釩（V）的鈦（Ti）合金Ti-6Al-4V，也就是“64鈦”。

成形原理如下：首先，在反應室內鋪設50μm厚的金屬粉末。接著對部件形狀需要的部分照射電子束。再在約1000℃的溫度下，金屬粉末熔化，照射電子束結束後，金屬粉末重新凝固。之後再次鋪設50μm厚的金屬粉末，通過照射電子束重複金屬粉末熔化和凝固的過程，逐漸製成了部件形狀。加工速度為1小時8mm。製成換熱器大約需要30個小時。

EBM技術的用途是加工研發使用的試製部件。有些構成高效率發動機的渦輪增壓器和燃料噴射裝置的部件試製項目，已經與KOIWAI公司進行了洽談。因為這項技術能加工出此前無法實現的形狀，所以“客戶基本不問試製費要多少。雖然換熱器的費用高達100萬日元，但客戶還是覺得‘便宜’。”（該公司稱）

使用EBM技術加工的部件：麵向研發的高單價試製部件眾多。為了開發出高效率發動機，試製傳統加工技術難以實現的複雜形狀精密部件，存在著巨大的潛在需求。

為模具追加組裝功能

橋本精密工業（總部：東京）在模具內增加了組裝功能。這家公司以鈑金衝壓加工為基礎，開發出了在模具內進行成形以及組裝的“模內一體組裝”技術，並且利用這項技術加工出了汽車的濾油器部件。這種部件具有彈性，目前已作為固定紙製濾油器的部件投入實用。

汽車濾油器的部件：由鈑金衝壓成形的部件4層重疊組成。在4個部件中，2個部件的成形以及4個部件的組裝是在模具（級進模）內處理。

濾油器部件由4個不同形狀的部件重疊而成。其中，2個部件的成形與4個部件的組裝采用同一個級進模。

具體方式是：沿級進模的縱向進給1條環箍材料，製成外蓋。再沿垂直方向（橫向）進給另一條環箍材料，製成內蓋。然後再沿橫向進給2條環箍材料。這2條材料已經通過其他工序成形了板簧和閥，與環箍材料一同進入級進模。

向濾油器部件的級進模進給的環箍材料

沿縱向向級進模進給外蓋的環箍材料，沿橫向進給內蓋的環箍材料。這些材料經過衝壓加工，製成外蓋與內蓋。而且，通過其他工序事先衝壓形成了板簧與閥的2條環箍材料是沿橫向向級進模進給。這些板簧與閥夾在外蓋與內蓋之間鉚接。這項組裝作業也是在級進模內自動完成。

在級進模內，板簧與閥夾在外蓋與內蓋之間，通過衝壓把4個部件鉚接在一起，製成濾油器部件。雖然還有其他可以在模具內組裝部件的技術，但是要保證組裝4個部件位置的偏差在5μm以內還是十分困難的。

以往，在完成衝壓加工後，4個部件需要手工組裝。現在在模具內完成組裝作業，可以省去組裝工序，降低部件成本。

使樹脂與金屬牢固接合

嵌件成型是指在配置於模具內的金屬部件的周圍注射樹脂。為了使嵌件成型時金屬與樹脂牢固接合，ECO-A公司（總部：日本大船渡市岩手縣）開發出了“通電加熱式嵌件成型裝置ELEBON PM-7”。在金屬部件暴露的部分設置了與電極接觸通電，在注射成形時進行加熱的機構。

ECO-A開發的通電加熱式接合裝置：電極夾在表麵經過了特殊處理的金屬部件上下，通過通電對其加熱。然後，通過擠壓樹脂部件使二者接合。通過為注射成形機配備該裝置，嵌件成型的金屬部件也能牢固接合。

金屬與樹脂接合的原理，即“化學偶聯與錨固效應”。在金屬部件表麵，需要事先進行有機化合物三嗪硫醇表麵處理。然後，在金屬部件加熱的狀態下，以一定的壓力把樹脂擠壓到部件表麵，提高二者的接合強度。PM-7能夠通過在樹脂即將注射前進行加熱縮短預熱時間，借助電極直接冷卻金屬部件。

能夠采用該技術接合的材料多種多樣。過去需要使用螺絲固定的樹脂部件與金屬部件，如果能夠在成形同時進行接合，就可以減少組裝工時。設計方麵，除了能夠簡化形狀外，也有望實現低成本化，比如削減材料費。

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