第6章 模具先进制造技术

第6章模具先进制造技术模具数控加工技术6.1模具计算机辅助设计和制造技术6.2模具表面硬化处理技术6.3模具快速成型加工6.46.1模具数控加工技术用机械加工的方法直接改变毛坯形状、尺寸和机械性能数字控制机床简称为数控机床（NumericalControl，NC），在模具加工中占有重要地位。数控加工是指在数控机床上对零件进行切削加工的一种工艺方法。数控加工非常适合多品种、小批量的生产方式。在模具加工中，数控机床在提高加工精度和保证产品质量等方面发挥了重要的作用。数控机床一般由输入介质、数控装置、饲服系统和机床本体等四部分组成，如图6－1所示。6.1.1数控机床的组成1、输入介质输入介质是用于记载各种加工信息，如工艺参数、位移数据等，并将加工信息经输入装置输送给数控装置。2、数控装置数控装置是数控机床的运算和控制系统。3、饲服系统饲服系统包括饲服驱动机构和机床的移动部件。它将数控装置的指令信息放大后，通过传动元件将控制指令传给机床的操纵和执行机构，带动移动部件作精密定位或按规定轨迹和速度运动。4、机床本体数控机床本体包括：主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）及传动部件和床身立柱等支撑部件，此外还有冷却、润滑、转位、夹紧等辅助装置。1、金属切削类数控机床2、金属成形类数控机床3、数控特种加工机床4、其它类型的数控机床6.1.2数控机床的种类1、加工精度高按照程序自动加工，避免了人为的操作误差，使零件尺寸一致，加工质量稳定。2、自动化程度高数控加工是按照事先编好的程序自动完成零件的加工，不需要进行繁重的重复性手工操作。6.1.3数控加工的特点3、生产效率高数控机床可以自动实现加工零件的尺寸和位置精度，省去了划线工作和对零件的多次检测和调整的时间，有效地提高了生产效率。4、适应性强当改变加工零件时，只需要更换加工程序即可。5、模具生产周期短。6.1.3数控加工的特点程序编制的步骤如图6－2所示。6.1.4数控加工程序的编制1、确定工艺过程。2、运动轨迹的坐标值计算。3、编写加工程序单。4、制备输入介质。5、程序校验和首件试切。6.2模具计算机辅助设计和制造技术计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM），是指人们利用计算机处理各种信息，进行从产品设计到产品制造全过程的信息集成和信息流自动化。传统的设计与制造是彼此相对独立的工作，而CAD/CAM技术将其作为一个整体来考虑，实现信息处理的高度一体化。计算机辅助设计（CAD）是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品的数值计算、产品性能分析、实验数据处理、计算机辅助绘图、仿真及动态模拟工作，从而提高了设计效率和准确性，缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本，增强行业竞争能力。6.2.1CAD/CAM技术的概念计算机辅助制造（CAM）有广义和狭义两种定义。广义的CAM是指利用计算机辅助完成制造信息处理的全过程，包括工艺过程设计、工装设计、数控编程、生产作业计划、生产过程控制和质量监控等。狭义的CAM是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真及数控代码的生成。模具CAD/CAM系统包括型面数字模型的描述和设计方案的确定，冲压工艺和结构参数的分析计算，模具结构和标准的选择，自动绘图，数控机床的加工等，这些工作都可以由计算机和计算机数控辅助或自动完成。6.2.2模具CAD/CAM系统1．模具CAD/CAM系统的组成2．模具CAD/CAM系统的作用（1）缩短了模具产品的设计与制造周期。（2）提高了模具精度和设计质量。（3）可以积累模具设计与制造的经验及便于检索资料。（4）降低了模具成本。3．模具CAD/CAM系统处理的信息（1）数据信息（2）图形信息（3）设计经验信息6.3模具表面硬化处理技术模具表面硬化的目的是提高模具的耐用度模具的表面硬化方法，除了传统的镀硬铬、氮化方法以外，现在，对模具进行硬质化合物涂覆处理已成为提高模具寿命最有效的方法之一。目前，适用于模具的硬质化合物涂覆方法主要有化学气相沉淀法（CVD）、物理气相沉淀法（PVD）、在盐浴中向工件表面浸镀碳化物的方法（TD），如表6－1所示。6.3.1化学气相沉淀法（CVD）CVD法是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。气体的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是将工件在氢气保护下加热到900～1100℃，再以氢气作载流气体将四氯化碳和碳氢化合物（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，得到TiC涂层。1、CVD法的优点（1）处理温度高，涂层与基体之间的结合比较牢固。（2）由于是气相反应，用于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（可提高模具寿命2～6倍），易于推广。2、CVD法的缺点（1）由于涂层厚度较薄（不超过15μm），处理后不允许研磨修正。（2）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，必须进行涂覆处理后在真空或惰性气体中再进行淬火、回火处理。6.3.2物理气相沉淀法（CVD）PVD法是在真空中把Ti等活性金属熔融蒸发离子化后，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、蒸气镀和溅射三种。由于离子镀沉积效果最明显，所以目前模具PVD处理的研究应用主要集中于离子镀方面。离子镀处理时先将工件置于真空室中（真空度为10－2～10－4Pa），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。Ti离子、原子和气体离子在加速电压的作用下飞向工件，在工件表面发生反应而成为TiC涂层。1、PVD法的优点（1）处理温度一般为400～600℃，不会影响Cr12型模具钢原先的热处理效果。（2）处理温度低，模具变形小。2、PVD法的缺点（1）涂层与基体的结合强度较低。（2）涂覆处理温度低于400℃，涂层性能下降，所以不适于低温回火的模具。（3）采用一个蒸发源，对形状复杂的模具覆盖性能不好；如采用多个蒸发源或使工件绕蒸发源旋转来弥补，又会使设备复杂、成本提高。6.3.1在盐浴中向工件表面浸镀碳化物的方法（TD）TD法是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），在工件表面上形成1～10μm或更厚些的碳化物涂覆层，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）。TD法的优点与CVD法类似。其处理设备非常简单，生产率高，适合于各种小型模具。但是由于TD法中碳化物的形成需要消耗基体中的碳，所以对于含碳量小于0.3％的钢或尺寸过小的模具零件不宜采用。6.4模具快速成形加工快速成形加工，简称RPM，是20世纪80年代后期兴起并迅速发展起来的一项先进制造技术。RPM技术是利用计算机及CAD软件对产品进行三维实体造型设计，然后进行平面分层处理，再由计算机控制成形装置从零件基层开始，逐层成形和固化材料，最后完成零件的成形。RPM技术在许多领域都得到应用，它的最重要方向之一就是模具的快速成形加工。1、制造的快速性。2、制造技术的高度集成化。3、制造的自由性。4、制造过程的高柔性。6.4.1模具快速成形加工的特点立体平板印刷法，简称SLA。工作原理如图6－4所示。首先用计算机辅助设计构造零件的三维模型，通过计算机软件对立体模型进行平面分层，得到每一层截面的形状轮廓数据。然后由计算机控制的激光头2发出激光束3，按照获得的平面形状数据，从零件基层形状开始逐点扫描。被照射的液态树脂发生聚合反应而固化，形成一层薄薄的固化层，即零件的截面形状。通过逐层进行照射、固化、粘接和下沉，最终堆积成三维模型实体，得到设计的零件。6.4.2模具快速成形加工的方法1．立体平板印刷法2．物体分层制造法物体分层制造法，简称LOM。该方法首先用计算机构造零件的三维模型，然后进行分层处理生成每层的二维形状轮廓数据，利用二氧化碳激光器发出的激光束沿XOY平面运动，将纸片、塑料薄模或复合材料等薄层材料按每层形状的内外轮廓进行切割。然后将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、粘接，这样逐层堆积成形。如图6－5所示。LOM法使用的材料广泛，成本较低，生产效率较高。3．选择性激光烧结法选择性激光烧结法，简称SLS。是将粉末状材料铺成一薄层（约100～200μm），利用高功率的二氧化碳激光器（由计算机控制）对粉末进行加热烧结，然后再铺一层进行加热烧结，这样层层堆积成形的方法。如图6－6所示。采用SLS法在烧结过程结束后，应先除去松散粉末，将得到的坯件进行烘干等后处理。SLS法的原材料广泛，有石蜡粉、ABS塑料粉、金属粉和陶瓷粉等。4．熔化堆积造型法熔化堆积造型法，简称FDM。是以熔丝为原料，经加热成为半熔融状态的熔丝，在计算机的控制下喷涂到预定位置，在逐点喷涂生成一层截面（约25～762μm）后，Z轴工作台下移，然后在前一层的基础上再按新截面形状喷涂，这样一层层堆积而形成零件的方法。如图6－7所示。FDM法制造的污染小，材料可以回收。FDM法常用的熔丝材料有石蜡、尼龙、ABS塑料等。