第八章模具制造技术刘航

正文主编第一节应用高级精密数控机床加工模具1)CNC电火花加工机床。2)CNC连续轨迹坐标磨床。1)控制系统应减少或简化编程工作。2)加速工件的更换，简化工件的安装调整工作或实现自动定位。3)自动消除铣削加工和磨削加工毛刺。4)能在加工中实现无接触测量。5)能快速更换刀具，采用传感器自动控制刀具的磨损。6)各种数控机床的不同软件能协调一致。第二节开发应用模具计算机辅助设计和制造技术1)数据信息是最容易处理的，只需要将所建立的数据结构送至中央处理单元(CPU)进行加工，最后以一定的数据结构形式输出所需的数据即可。2)图形信息又称为几何信息，处理这类信息首先必须解决图数转换手段，即输入图形，并建立适合于图形的数据结构，将其送至中央处理单元(CPU)进行加工后，再通过数图转换手段(即图形输出，如图形显示或自动绘图接口)，在图形终端或绘图机输出所需的图形。3)设计经验信息与前两类信息不同。第三节模具表面硬化处理表8-􀰊1适用于模具的硬质化合物涂覆方法表8-􀰊1适用于模具的硬质化合物涂覆方法一、CVD法第三节模具表面硬化处理CVD法(ChemicalVaporDeposition)是指在高温下将盛放工件的炉内抽成真空或通入氢气，再导入反应气体。气体发生化学反应，在工件表面形成硬质化合物涂层，对于模具主要是气相沉积TiC，其次是TiN和Al2O3气相沉积TiC是将工件在氢气的保护下加热到900～1100℃，再以氢气作载流气体将四氯化钛和碳氢化合物（如CH4）输入盛放工件的反应室内，使之在基体表面发生气相化学反应，从而得到TiC涂层。第三节模具表面硬化处理1)处理温度高，沉积物和基体之间发生碳与合金元素间的相互扩散，使涂层与基体之间的结合比较牢固。2)形状复杂的模具也能获得均匀的涂层。3)设备简单，成本低，效果好(CVD法处理的模具一般可提高模具使用寿命2～6倍)，易于推广。1)处理温度高，易引起模具变形。2)由于涂层厚度较薄(不超过15μm)，因此处理后不允许研磨修整。3)由于处理温度高，模具的基体会软化，对高速钢和高碳高铬钢模具，必须在涂覆处理后于真空或惰性气体中再进行淬火、回火处理。第三节模具表面硬化处理二、PVD法PVD法(PhysicalVaporDeposition)是指在真空中把Ti等活性金属熔融、蒸发，使其离子化后，在高压静电场中使离子加速并沉积于工件表面形成涂层。PVD法有离子镀、蒸汽镀和溅射镀三种。由于离子镀沉积效果最明显，并具有沉积速率高、离子绕射性好、附着力强等优点，所以目前有关模具PVD处理的研究应用主要集中于离子镀方面。处理时，先将工件置于真空室中，使真空室达10－2～10－4Pa真空度，然后通入反应气体（如H2或C2H2＋Ar）。在工件和蒸发源（涂覆用金属，如Ti）之间加有3～5kV的加速电压，在工件周围形成一个阴极放电的等离子区。工件因气体正离子的轰击而被加热。这时，以电子枪轰击蒸发源的金属（Ti），使之熔融、蒸发，并部分离子化，同时在离子化电极加上数十至数百伏的正电压来促进离子化。第三节模具表面硬化处理Ti离子、原子和气体离子在加速电压的作用下飞向工件（经过等离子区时，尚未电离的Ti原子被气体离子、电子碰撞而电离为Ti离子），在工件表面发生反应而成为TiC涂层1)处理温度一般为400～600℃，这一温度在用二次硬化法处理Cr12模具钢的回火温度附近，因此这种处理不会影响Cr12模具钢原先的热处理效果。2)处理温度低，模具变形小。1)涂层与基体的结合强度较低。2)如果涂覆处理温度低于400℃，则涂层性能会下降，故不适用于低温回火的模具。3)采用一个蒸发源，对形状复杂的模具覆盖性能不好；若采用多个蒸发源或通过使工件绕蒸发源旋转来弥补，又会使设备复杂、成本提高。第三节模具表面硬化处理三、TD法TD法(ToyotaDiffusioncoatingprocess)是指将工件浸入添加有质量分数为15％～20％的Fe-V、Fe-Nb、Fe-Cr等铁合金粉末的高温（800～1250℃）硼砂盐浴炉中，保持0．5～10h（视要求的涂层厚度、工件材料和盐浴温度而定），在工件表面形成1～10μm或更厚的碳化物涂覆层，然后进行水冷、油冷或空冷（尽量与基体材料的淬火结合在一起进行）。1)碳化物形成元素的原子在高温下以活化原子状态熔于硼砂熔液中，使B203还原，还原后的B向基体内扩散，发生渗硼反应。第三节模具表面硬化处理2)碳化物形成元素与基体表面的碳原子结合，形成几个分子厚度的碳化物薄层。3)由于碳化物的形成，基体表面的碳原子减少，同时基体内的碳原子相继向表面层扩散，与碳化物形成元素的原子结合，使碳化物层不断增厚。4)部分碳化物形成元素的原子向基体内扩散，形成固熔体。第四节快速成形技术一、快速成形方法快速成形方法包括立体平板印刷法、物体迭层制造法、选择性激光烧结法和熔丝沉积制造法。1.立体平板印刷法立体平板印刷法(StereoLithographyApparatus,简称SLA)又称立体光造成形，是使用各种光敏树脂为成形材料，以激光为能源，以树脂固化为特征的快速成形方法。图8-􀰊1立体平版印刷固化成形示意图1—轴升降机构2—激光头3—激光束4—制成件5—液态光敏树脂6—托盘7—树脂槽第四节快速成形技术2.物体迭层制造法物体迭层制造法(LaminatedObjectManufacturing，简称LOM)是采用激光束切割薄层材料，并使其依次粘接形成立体形状的成形方法，其工作原理如图8⁃􀰊2所示。薄层材料可以是纸片、塑料薄膜或复合材料等，它单面涂敷一层很薄的热敏感粘结剂(一般为热熔胶)，当薄层材料表面达到一定温度后，其上的热敏感粘结剂将薄层材料粘在一起。物体迭层制造法同立体平板印刷法一样，首先用计算机构建零件的三维模型，然后进行分层处理，生成每层的二维形状轮廓数据。激光发生器发出的激光束沿XOY平面运动，按每层形状的内外轮廓进行切割。然后新薄层材料叠加在上面，由加热辊加热，压合粘接。再切割新层、胶贴，如此逐层堆积，直至完成。第四节快速成形技术3.选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SelectiveLaserSintering,简称SLS)是采用粉末状材料为原材料，将粉末铺成一薄层(100～200μm)，利用大功率二氧化碳激光发生器对粉末进行加热烧结，然后再铺一层进行烧结，一层层堆积而最后成形的方法，如图8⁃􀰊3所示。一般烧结后还要进行打磨烘干。造型用的材料有石蜡粉、ABS塑料粉、金属粉和陶瓷粉等。图8-􀰊2物体迭层制造法示意图1—激光发生器2—激光3—薄层材料4—收料辊5—夹紧辊6—进给机构7—工作平台8—制成件9—原料筒10—送料夹紧辊11—加热辊12—计算机13—扫描控制系统第四节快速成形技术图8-􀰊3选择性激光烧结法示意图1—粉末材料2—激光束3—扫描系统4—透镜5—激光发生器6—刮平器7—工作台8—制成件图8-􀰊4熔丝沉积制造法示意图1—熔丝材料2—滚轮3—加热喷嘴4—半熔融状丝料5—制成件6—工作台4.熔丝沉积制造法第四节快速成形技术熔丝沉积制造法(FusedDepositionModeling，简称FDM)也称熔融沉积造型，是以熔丝为原料，由计算机控制加热成半熔融状态的熔丝，经喷嘴喷涂到预定位置，在逐点喷涂生成一层截面(厚度为0．025～0．762mm)后，Z轴工作台下移，然后在前一层基础上再按新截面形状喷涂，一层层堆积而成形零件的方法，如图8⁃􀰊4所示。常用的熔丝材料有石蜡、尼龙和ABS等。二、快速成形技术的特点和应用1.快速成形技术的主要特点2.快速成形技术的应用第四节快速成形技术选择性激光烧结法除用于制作模型外，还可用来直接制作金属模具。首先将金属粉末用易消失的聚合物树脂包覆，通过选择性激光烧结法得到树脂金属粘接实体，再将树脂在一定条件下分解除去，得到成形后的金属粘接实体，再在高温下烧结，从而形成多孔状的金属低密度烧结件。最后再渗入熔点较低的金属，完成金属模具的制造。采用选择性激光烧结法制作的钢铜合金塑料注射模，其使用寿命可达5万件以上。表8-􀰊2快速成形间接制模法的种类和特点第五节模具的高速切削加工一、高速切削原理1.高速切削的概念在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高；但当切削速度增大到某一数值时，切削速度再增加，切削温度反而降低，如图8⁃􀰊5所示。图8-􀰊5切削速度与切削温度的关系第五节模具的高速切削加工2.高速切削加工的优点由于高速切削加工和常规切削加工相比，在提高生产率、减少热变形和切削力，以及实现高精度、高质量的零件加工方面具有显著的优越性。因此，近年来高速切削加工越来越引起人们的关注。3.高速切削加工的应用在模具行业，高速粗加工和淬硬后高速精加工也很有发展前途，并有取代电火花加工(EDM)和抛光加工的趋势。例如，用于汽车车身冲压模具和塑料模具的加工，加工零件的表面粗糙度Ra可达0．5μm，精度可达10μm，可取代电火花加工机床。高速车削加工硬金属材料(55～62HRC)现已被广泛应用于磨削加工中，车削公差等级可达IT5～1T6级，表面粗糙度Ra可达0．2μm以下。第五节模具的高速切削加工二、模具高速铣削加工的工艺特点1.高速铣削加工与传统铣削加工的比较图8-􀰊6模具铣削加工的比较a)传统数控铣削加工b)高速铣削加工2.高速铣削加工与电火花加工的比较第五节模具的高速切削加工过去模具的型腔加工由电火花加工(EDM)一统天下。但近年来，除了窄缝、深槽和很细的纹理必须用电火花加工以外，一般形状不太复杂的型腔及三维轮廓已能在高刚度的铣床或加工中心上用涂层铣刀进行高速加工，其加工效率要比EDM高。当然，高速铣削更适合于比较平坦的浅型腔的加工，而对于深型腔和具有内尖角的型腔模具、表面有花纹或图案的模具的加工则存在一定的困难。表8⁃􀰊3以电火花加工与高速铣削加工的比较为例，对它们的加工工艺特点进行比较。事实上，高速铣削和电火花加工在型腔模具的制造中是相辅相成的。在型腔模具的制造过程中，采用什么样的加工方式，主要取决于型腔的几何形状、材料的硬度和所要求的工艺参数。第五节模具的高速切削加工表8-􀰊3电火花加工与高速铣削加工工艺特点的比较3.高速铣削对CAM系统功能和编程工艺的要求第五节模具的高速切削加工表8-􀰊4塑料模具的数控加工工艺参数4.高速铣削对工作人员的要求高速铣削的管理人员、加工模具的操作人员和编程人员必须更新观念，改变原有的思想模式：必须愿意从事试验来克服初始使用阶段的困难；必须发展一种有关铣削及其所需刀具与编程的新方法，要不断地学习和总结。高等职业技术院校的学生必须具备这样的素质，才能真正在高速铣削方面取得成功。第六节模具发展方向探讨1)模具的结构设计应与成形设备的高速化、自动化、精密化相适应。2)积极组织开展模具标准化工作。3)建立专为模具制造与设计服务的计算机中心，实现计算机辅助设计和制造(CAD／CAM)的模具生产系统。4)研究模具新材料，使其具有高强度、高寿命。5)研究模具表面研磨抛光的新技术、新工艺。6)研究模具表面强化处理技术，以提高模具的使用寿命。7)努力研究和发展精密模具加工及制造技术。8)研究模具成本的合理运算方法及模具制造加工中的科学管理方法，以提高经济效益。9)研究适于新产品开发的快速、经济型模具。第六节模具发展方向探讨10)发展和研制自动化水平较高的模具生产专业化设备和技术，提高模具生产制造技术水平。表8-􀰊5国外模具制造技术水平状况第六节模具发展方向探讨表8-􀰊5国外模具制造技术水平状况