模具数字化制造技术

3.6模具数字化制造技术3.6.1模具的高速切削加工技术3.6.2大面积电子束的模具精加工技术3.6.3基于逆向工程的模具AD/CAM/DNC技术3.6.4快速模具制造技术及其应用3.6.5模具设计和加工技术的发展方向3.6.1模具的高速切削加工技术（1）高速切削加工技术的特点加（2）工模具的高速切削机床（3）高速切削模具的刀具技术（4）高速切削模具的工艺技术（1）高速切削加工技术的特点高速切削加工模具是利用机床的高转速和高进给速度,以切削方式完成模具的多个生产工序。高速切削加工模具的优越性主要表现在以下几个方面：①高速切削粗加工和半精加工,大大提高金属切除率。②采用高速切削机床、刀具和工艺,可加工淬硬材料。对于小型模具,在材料热处理后,粗、精加工可以在一次装夹中完成;对于大型模具,在热处理前粗加工和半精加工,热处理淬硬后精加工。③高速高精度硬切削代替光整加工,减少大量耗时的手工修磨,比电火花加工提高效率50%。④硬切削加工最后成型表面,提高表面质量、形状精度(不仅表面粗糙度低,而且表面光亮度高),用于复杂曲面的模具加工更具优势。⑤避免了电火花和磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象,大大减少了模具精加工后的表面损伤,提高模具寿命20%。⑥工件发热少、切削力减小,热变形小,结合CAD/CAM技术用于快速加工电极,特别是形状复杂、薄壁类易变形的电极。高速精加工的高表面质量模具形状复杂、薄壁类易变形的电极（2）工模具的高速切削机床(1)要求机床主轴功率大、转速高,满足粗、精加工。精加工模具要用小直径刀具,主轴转速达到15000～20000rmp以上。主轴转速在10000rpm以下的机床可以进行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生产中同时满足粗、精加工,则所选机床最好具有两种转速的主轴,或两种规格的电主轴。(2)机床快速进给对快速空行程要求不太高。但要具有比较高的加工进给速度(30～60m/min)和高加减速度。(3)具有良好的高速、高精度控制系统,并具有高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。(4)选用与高速机床配套的CAD/CAM软件,特别是用于高速切削模具的软件。（3）高速切削模具的刀具技术高速切削加工需配备适宜的刀具。硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具的应用使得刀具同时兼具高硬度的刃部和高韧性的基体成为可能,促进了高速加工的发展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度可达3500～4500HV,聚晶金刚石(PCD)硬度可达6000～10000HV。近年来,德国SCS、日本三菱(神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司先后推出各自的高速切削刀具,不仅有高速切削普通结构钢的刀具,还有直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂层刀具在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。一般来说,要求刀具以及刀夹的加速度达到3g以上时,刀具的径向跳动要小于0.015mm,而刀的长度不大于刀具直径的4倍。据SANDVIK公司的实际统计,在使用碳氮化钛(TICN)涂层的整体硬质合金立铣刀(58HRC)进行高速铣削时,粗加工刀具线速度约为100m/min,而精加工和超精加工时,线速度超过了280m/min。据国内高速精加工模具的经验,采用小直径球头铣刀进行模具精加工时,线速度超过了400m/min。这对刀具材料(包括硬度、韧性、红硬性)、刀具形状(包括排屑性能、表面精度、动平衡性等)以及刀具寿命都有很高的要求。因此,在高速硬切削精加工模具时,不仅要选择高速度的机床,而且必须合理选用刀具和切削工艺。在高速加工模具时,要重点注意以下几个方面:①根据不同的加工对象,合理选择硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。②采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工,通常精加工刀具直径10mm。根据被加工材料以及硬度,所选择的刀具直径也不同。在刀具材料的选用方面,TiAIN超细晶粒硬质合金涂层刀具润滑条件好,在切削模具钢时,具有比TiCN硬质合金涂层刀具更好的抗磨损性能。③选择合适的刀具参数,如负前角等。高速加工刀具要求比普通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力更强。④采取多种方法提高刀具寿命,如合适的进给量、进刀方式、润滑方式等,以降低刀具成本。⑤采用高速刀柄。目前应用最多的是HSK刀柄和热压装夹刀具,同时应注意刀具装夹后主轴系统的整体动平衡。（4）高速切削模具的工艺技术高速加工模具工艺处理应该遵循以下原则:①采用小直径刀具精加工时,切削速度随着材料硬度的增加而降低。②保持相对平稳的进给量和进给速度,切削载荷连续,减少突变,缓进缓退。避免直接垂直向下进刀而导致崩刃:斜线轨迹进刀的铣削力逐渐加大,对刀具和主轴的冲击小,可明显减少崩刃;螺旋式轨迹进刀切入,更适合型腔模具的高速加工。③小进给量、小刀纹切削。通常进给量小于铣刀直径10%,进给宽度小于铣刀直径40%。④保留均匀精加工余量。⑤保持单刃切削。内拐角以圆弧过渡螺旋线进给切削直线斜向进给切入螺旋线进给切入螺旋线进给加工平面高速铣削加工孔在等平面上加工轮廓以螺旋线或摆线路径进给加工槽大面积电子束的模具精加工技术（1）电子束镜面加工装置的规格（2）加工特性（1）电子束镜面加工装置的规格（2)加工特性照射前后表面粗糙度的比较电子束的去除量不同加工面对电子束照射表面层的影响盐水喷雾试验电子束镜面加工装置表面精加工特性1.电子束照射能降低表面粗糙度值。2.电子束照射只是在最表面层上进行均匀地予以去除。3.电子束照射能使表面生成非晶化层。4.电子束照射能大幅度提高耐蚀性。5.电子束照射能增强防水性。6.电子束照射能在模具精加工中实现新的、高效率无需手工抛光工序。3.6.3基于逆向工程的模具CAD/CAM/DNC技术数字化CAD/CAM/DNC逆向工程一般可分为5个阶段:(1)零件原型的数字化,通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面点的三维坐标值。(2)从测量数据中提取零件原型的几何特征,按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。(3)零件原型CAD模型的重建,将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合,并通过各表面片的求交与拼接获取零件原型表面的CAD模型。(4)重建CAD模型的检验与修正,采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求,对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的设计要求。(5)在建立模具全数字化三维模型的基础上,实现模具型腔的数控加工。基于逆向工程的CAD/CAM/DNC一体化环境应用流程在模具CAD/CAM/DNC一体化集成环境的支持下,进行复杂模具计算机辅助设计与数控加工(CAD/CAM/DNC)的基本流程如下:(1)根据加工模具的结构形状及设计要求,利用Pro/E软件的三维造型(实体和曲面)设计建立完整、准确的模具三维实体(曲面)模型。(2)在模具三维主模型的基础上,利用MasterCAM软件的加工模块拟定模具加工工艺(粗、精加工),选择相应的加工参数及有关选项。(3)生成模具数控加工的刀位文件。(4)利用MasterCAM软件进行数控加工的实体加工仿真模拟,检查刀位文件的合理性及有效性,以代替实际试切过程。(5)根据具体加工机床进行刀位文件的后处理,生成该机床的数控加工指令(加工代码)。(6)将模具的数控加工代码,采用DNC方式,控制数控机床(加工中心)的在线加工。应用流程电话机外壳特征曲线电话机外壳造型型腔板和型芯模具型腔的实体加工仿真模拟3.6.4快速模具制造技术及其应用(1)树脂模具(2)低熔点合金模具(3)硅橡胶模具(4)其他快速制模技术(1)树脂模具在航空及汽车工业中，应用环氧树脂及聚氨酯系列制作模具与钢模相比有很多突出优点：只需很少设备及几分之一的时间；重量轻，而且具有非常好的机械及热学性能、很好的尺寸稳定性、高强度和高耐腐蚀性。制作树脂模具的基本方法拉延模凹模压边圈凸模汽车覆盖件树脂模具（2）低熔点合金模具用于快速制模的材料有铋锡合金、锌基合金。用低熔点合金材料快速制作轿车大型覆盖件模具的优点有：1）设计制作时间短，铸后型腔一般无须再机械加工和钳工研磨，对于大面积凹面、曲面的修整较为方便，模具的工作部分无须热处理，因而制作周期只有钢模的1/7；2）成本低只有钢模的1/10，失效后可重新熔化再制，是一种绿色材料；3）具有抗粘结性和自润滑性能，因而用于覆盖件的冲压成形时不会损伤制件；4）其不仅可用于成形、拉伸和弯曲模，还可采用在适当部位镶钢的方法，制成冲裁模和切边模。金属薄板成形件低熔点合金上模架加热管低熔点合金模制作方法之一1首先在金属薄板成形件上，适量地钻Ø2.5~Ø3mm的工艺孔，用于液态金属流入；2用加热管加热低熔点合金，经2小时，温度上升至150℃合金充分熔化；3启动压机，使上模架与金属薄板成形件一起缓慢下降压入液态金属中，低熔点合金从工艺孔流入金属薄板成形件，充满后停止加热，让金属冷却；43小时后，温度下降到65℃以下时，启动压机拔出凸模。对凸凹模稍加修整，一套低熔点合金模即制作完成。新车型的快速小批量生产解决方案计算机三维设计成形加工成形原型件用低熔点合金或树脂制作凸凹模制作模具小批量生产(3)硅橡胶模具在新产品开发过程中，利用LOM技术加工原型件，通过真空注塑机制造硅橡胶模具，可用于试制少量新产品。其过程如下：LOM原型经过表面处理，可作为硅橡胶模具的母样，在真空注型机中制成硅橡胶软模。用硅橡胶软模，在真空注型机中可以浇注出高分子材料制件，供新产品试制使用。汽车灯具LOM原型件、硅橡胶软模及高分子材料制件图8HZ型真空注型设备（4）其他快速制模技术A.采用薄材叠层制件与转移涂料技术制作铸件和铸造用金属模具薄材叠层制件可代替木模直接用于砂型铸造。模具原型（左）和铸件（右）电机薄材叠层铸造模型薄材叠层模型及经转移涂料法铸造的金属铸造模具B.用薄材叠层方法制作铸造用汽化模薄材叠层原型件、汽化模模具及金属零件C.制造石蜡件的蜡模压制石蜡原型的模具3.6.5模具设计和加工技术的发展方向模具设计技术的发展方向①模具设计资料库和知识库系统；②模具工程规划及方案设计；③模具材料和标准件的合理选用；④模具刚性、强度、流道及冷却通路的设计；⑤塑料模具成形过程的各种模拟分析；⑥冲压模金属成形过程的模拟、起皱及破裂分析、应力应变和回弹分析等；⑦压铸模压铸件成形流动模拟、热传导及凝固分析等；⑧锻模锻件成形过程模拟及金属流动和填充分析等；⑨提高设计和分析软件的快速性、智能化和集成化水平，并强化它们的功能，以适应模具的不断发展。模具加工技术的发展方向①高速铣削技术的进一步发展及其推广应用；②电火花加工技术的不断发展；③快速原型制造和快速制模技术将得到更快更好的发展；④超精加工、微细加工和复合加工技术；⑤先进表面处理技术将进一步受到重视；⑥模具研磨抛光将向复合化、自动化、智能化方向发展；⑦模具自动加工系统的研制和发展；⑧模具CAM/DNC技术及软件的发展和推广应用。模具制造综合技术的发展方向①模具CAD/CAE/CAM一体化技术；②精密测量、高速扫描以及数字化系统将在逆向工程和并行工程中发挥更大的作用；③模具标准化程度将不断提高；④虚拟技术将得到发展；⑤管理技术将迅速发展。