第三章模具制造的其它方法

第三章模具制造的其它方法a.型腔的冷挤压加工b.超塑成形工艺c.铸造制模技术b.合成树脂模具的制造学习新内容第一节型腔的冷挤压加工冷挤压加工是在常温条件下，将淬硬的工艺凸模压人模坯，使坯料产生塑性变形，以获得与工艺凸模工作表面形状相同的内成形表面。型腔冷挤压工艺具有以下特点：1）可以加工形状复杂的型腔，尤其适合于加工某些难于进行切削加工的形状复杂的型腔。2）挤压过程简单迅速，生产率高；一个工艺凸模可以多次使用。对于多型腔凹模来用这种方法，生产效率的提高更明显。3）加工精度高（可达IT7或更高），表面粗糙度小（Ra＝0.16μm左右）。4）冷挤压的型腔、材料纤维未被切断，金属组织更为紧密，型腔强度高。一、冷挤压方式1.闭式冷挤压封闭式冷挤压是将坯料放在冷挤压模套内进行挤压加工。2.开式冷挤压敞开式冷挤压在挤压型腔毛坯外面不加模套。图3－l闭式冷挤压1－模套２－导向套３－工艺凸模４－模坯５－垫板图3－2敞开式冷挤压开式冷挤压示意图1－工艺凸模2－模坯３－导套二、冷挤压的工艺准备1．冷挤压设备的选择型腔冷挤压所需的力，与冷挤压方式、模坯材料及其性能、挤压时的润滑情况等许多因素有关，一般采用下列公式计算:F＝pA式中F--挤压力，单位为N。A--型腔投影面积，单位为mm2；p--单位挤压力，单位为MPa，见表3－1。表3－1坯料抗拉强度与单位挤压力的关系表4-7挤压深度与单位挤压力的关系挤压深度h／mm单位压力p／Pa5(1.65HB-45)×107101.65HB×10715(1.65HB+25)×1072．工艺凸模和模套设计（1）工艺凸模工艺凸模在工作时要承受极大的挤压力，其工作表面和流动金属之间作用着极大的摩擦力。因此，工艺凸模应有足够的强度、硬度和耐磨性。在选择工艺凸模材料及结构时，应满足上述要求。此外，凸模材料还应有良好的切削加工性。热处理硬度应达到61---64HRC。表3－2工艺凸模材料的选用三个部分组成：1）工作部分L1段。这部分的尺寸应和型腔设计尺寸一致，其精度比型腔精度高一级；表面粗糙度Ra＝0.32---0.08μm。一般将工作部分长度取为型腔深度的1.l---1.3倍。2）导向部分L2段。用来和导向套的内孔配合，以保证工艺凸模和工作台面垂直，在挤压过程中可防止凸模偏斜，保证正压入。一般取D＝1.5d；L2＞（1---1.5）D。外径D与导圈配合为H8／h7，表面粗糙Ra＝1.25μm。3）过渡部分过渡部分是工艺凸模工作端和导向端的连接部分，为减少工艺凸模的应力集中，防止挤压时断裂，过渡部分应采用较大半径的圆弧平滑过渡，一般R≥5mm。图3－3工艺凸模图3－4螺钉脱模１－脱模螺钉２－垫圈3－脱模套4－工艺凸模5－模坯图3－5单层模套（2）模套在封闭式冷挤压时，将型腔毛坯置于模套中进行挤压。模套的作用是限制模坯金属的径向流动，防止坯料破裂。模套有以下两种：1）单层模套图3－5所示为单层模套。实验证明，对于单层楼套，比值r2/r1越大则模套强度越大。但当r2/r1＞4以后，既使再增加模套的壁厚，强度的增大已不明显，所以实际应用中常取r2＝４r1。单层模套和内模套的材料一般选用45钢、40Cr等材料制造，热处理硬度43---48HRC。外层模套材料为Q235或45钢。图3－6双单层模套1－内模套2－外模套2）双层模套由实践和理论计算证明，双层模套的强度约为单层模套的1.5倍。各层模套尺寸分别为：r3＝（3.5---4）r１；r２＝（１.７---１.８）r１。内模套与坯料接触部分的表面粗糙度Ra=1.25---0.16μm。3．模坯准备宜于采用冷挤压加工的材料有：铝及铝合金、铜及铜合金、低碳钢、中碳钢、部分工具钢及合金钢。如10、20、20Cr、T8A、T10A、3Cr2W8V等。坯料在冷挤压前必须进行热处理（低碳钢退火至100---160HBS，中碳钢球化退火至160---200HBS），提高材料的塑性、降低强度以减小挤压时的变形抗力。在决定模坯的形状尺寸时，应同时考虑模具的设计尺寸要求和工艺要求，模坯的厚度尺寸与型腔的深度，以及模坯的端面积与型腔在端面上投影面积之间的比值要足够大，以防止在冷挤压时模坯产生翘曲或开裂。封闭式冷挤压坯料的外形轮廓，一般为圆柱体或圆锥体，其尺寸按以下经验公式确定D＝（2---2.5）dh＝（2.5---3）h1式中D--坯料直径，单位为mm；d--型腔直径，单位为mm；h--坯料高度，单位为mm；h1--型腔深度，单位为mm。图3－7模坯尺寸a）无减荷穴模坯b）有减荷穴模坯有时为了减小挤压力，可在模坯底部加工出减荷穴，如图3－7b所示。减荷穴的直径d1＝（0.6---0.7）d，减荷穴处切除的金属体积约为型腔体积的60％。但当型腔底面需要同时挤出图案或文字时，坯料不能设置减荷穴。相反应将模坯须面作成球面，如图3－8a所示，或在模坯底面垫一块和图案大小一致的垫块，如图3一8b所示。以使图案文字清晰。图3一8有图案或文字的模坯三、冷挤压时的润滑在冷挤压过程中，工艺凸模与坯料通常要承受2000---3500MPa的单位挤压力。最简便的润滑方法是将经过去袖清洗的工艺凸模与坯料，在硫酸铜饱和溶液中浸渍3---4s，并涂以凡上林或机油稀释的二硫化钼润滑剂。另一种较好的润滑方法是将工艺凸模进行镀铜或镀锌处理，而将坯料进行除油清洗后，放人磷酸盐溶液中进行浸渍，使坯料表面产生一层不溶于水的金属磷酸盐薄膜，其厚度一般为5---15μm，这层金属磷酸盐薄膜与基体金属结合十分牢固，能承受高温（其耐热能力可达600℃）、高压，具有多孔性组织，能储存润滑剂。挤压时再用机油稀释的二硫化用作润滑，涂于工艺凸模和模坯表面，就可以保证高压下坯料与工艺凸模隔开，防止在挤压过程中产生凸模和坯料粘附的现象。第二节超塑成形工艺某些金属材料在一定条件下具有特别好的塑性，其延伸率可达100％---2000％，这种现象叫做超塑性。凡伸长率超过100％的材料均称为超塑性材料。具有超塑性的材料有很多种，用于制造模具的如T8A、T12A、Cr12MoV、9siCr、ZnA122等。一、起塑性合金ZnA122的性能这种材料为锌基中含铝（WAI＝22％），在275C以上时是单相的α固溶体，冷却时分解成两相，即α（AI）＋β（Zn）的层状共析组织（也称为珠光体）。如在单相固溶体时（通常加热到360℃）快速冷却，可以得到5μm以下的粒状两相组织。在获得5μm以下的超细晶粒后，当变形温度处于250C时，其延伸率S可达1000％以上，即进入超塑性状态。在这种状态下将工艺凸模压入（挤压速度在0.01---0.1mm／min）合金材料内部，能使合金产生任意的塑性变形，其成形压力远小于一般冷挤压时所需的压力。经超塑性成形后，再对合金进行强化处理获得两相层状共析组织，其强度σb可达400---430MPa。表3－3ZnA122的主要成分和性能图3－9ZnA122的超塑性处理工艺图3－10ZnA122的强化处理工艺二、超塑性成形工艺用ZnA122制造塑料模型腔的工艺过程如下：1.坯料准备由于以ZnA122为型腔材料的凹模大都做成组合结构。型腔的坯料尺寸可按体积不变原理计算。2．工艺凸模工艺凸模可以采用中碳钢、低碳钢、工具钢、HPb59－l等材料制造，工艺凸模一般可不进行热处理。在确定工艺凸模的尺寸时，要考虑模具材料及塑料制件的收缩率，其计算公式如下：d＝D［1－αl1·t1＋αl2（t1一t2）＋αl3·t2］式中d--工艺凸模的尺寸，单位为mm；D--塑料制件尺寸，单位为mm；αl1--凸模的线（膨）胀系数，单位为℃-1；αl2--ZnA122的线（膨）胀系数，单位为℃-1；αl3--塑料的线（膨）胀系数，单位为℃-1；t1--挤压温度，单位为℃；t2--塑料注射温度，单位为℃。αl2可在0.003---0.006的范围内选取，αl1、αl3可按照工艺凸模及塑料类别从有关手册查得。3．护套ZnA122在超塑性状态，屈服极限低、伸长率高，工艺凸模压人毛坯时，金属因受力会发生自由的塑性流动而影响成形精度。由于防护套的作用，变形金属的塑性流动方向与工艺凸模的压入方向相反，使变形金属与凸模表面紧密贴合，从而提高了型腔的成形精度。防护套的内部尺寸由型腔的外部形状尺寸决定，可比坯料尺寸大0.1---0.2mm，内壁粗糙度Ra0.63μm，并加工成1：50的锥度，以保证易于脱模。防护套可采用普通结构钢制造，壁厚不小于25mm，护套高度应略高于模坯高度。护套的热处理硬度为42HRC以上。图3－11防护套1－护套2－坯料4.挤压设备及挤压力的计算对ZnA122的挤压，可以在液压机上进行，根据合金材料的特性和工艺要求，压制型腔的液压机必须设置加热装置，以便将ZnA122加热到250℃后保持恒温，并以一定的压力实现超塑性成形。挤压力与挤压速度、型腔复杂程度等因素有关。可采用下列经验公式进行计算：F＝pAη式中F--挤压力，单位为N；p--单位挤压力，单位为Mpa，一般在20---100Mpa；A--型腔的投影面积，单位为mm2；η＝η1η2η3--修正系数。η1根据型腔的形状复杂程度在l---1.2的范围内选取；η2根据型腔的尺寸大小在1---1.3的范围内选取；η3根据挤压速度在1---1.6的范围内选取。5.润滑润滑剂应能耐高温，常用的有295硅脂、201甲基硅油、硬脂酸锌等。但使用时其用量不能过多，并应涂抹均匀，否则在润滑剂堆积部位不能被ZnA122充满，影响型腔精度。图3－12a是用ZnA122注射模制作的尼龙齿轮。制造尼龙齿轮注塑模型腔的加工过程如图3－12b所示。图3－12尼龙齿轮的型腔加工过程a）尼龙齿轮b）型腔加工过程1－工艺凸模2－模坯3－护套4－电阻式加热圈5－固定板第三节铸造制模技术一、锌合金模具的制造用锌合金材料制造工作零件的模具称为锌合金模具。锌合金可以用于制造冲裁、弯曲、成形、拉深、注塑、吹塑、陶瓷等模具的工作零件，一般采用铸造方法进行制造。1．模具用锌合金的性能制造模具的锌合金以锌为基体，由锌、铜、铝、镁等元素组成，其物理力学性能受合金中各元素质量分数的影响。表3－4锌合金模具材料的化学成分表4-9模具用锌合金各主要元素的含量合金元素ωAlωCuωMgωZn百分含量×10092～933.0～3.54.0～4.20.03～0.05表3－5锌合金模具材料的性能锌是一种质软、在常温下呈脆性的金属。加入铜，可以提高合金的强度、硬度、耐磨性，但是对合金的塑性和流动性有一定影响。加入铝，可以明显地提高合金的强度、冲击韧性、抑制脆性化合物锌化铁的产生，提高合金的流动性，细化晶粒。表3－5所列锌合金的熔点为380℃，浇注温度为420--450℃，这一温度比锡、铋低熔点合金高，所以也称中熔点合金。这种合金有良好的流动性，可以铸出形状复杂的立体曲面和花纹。熔化时对热源无特殊要求，浇铸简单，不需要专用设备。图3－13锌合金冲裁凹模的铸造1－模架2－凸模3－锌合金凹模4－模框5－漏料孔芯6－干砂2.锌合金模具制造工艺（1）砂型铸造法（2）金属型铸造法（3）石膏型铸造法图3－13是锌合金凹模的浇铸示意图。凸模采用高硬度的金属材料制作，刃口锋利。凹模采用锌合金材料。1）熔化合金合金在熔化过程中要不断吸收气体，温度越高吸收越多，因此为了避免在合金凝固时不能完全拆出所吸收的气体，待合金完全熔化之后，需加入干燥的氯化锌或氯化铵进行除气精炼处理，以防合金模具出现气孔。其用量为合金重量的0.1％---0.3％。除气剂必须干燥，以免发生爆溅。精炼时可在合金表面覆盖一层木炭粉。合金的熔化温度应控制在450---500℃。2）预热在浇注前必须预热凸模，以保证浇注质量。预热温度同浇注方式和浇注合金的用量有关。通常预热温度控制在150～200℃最佳。3）浇注合金的浇注温度应控制在420～450℃。图3－14可调式模框a）可调式模框b）“Г”形钢板c）“U”形卡子图3－15厚模框图3－16所示为鼓风机叶片冲模。采用金属型铸造。其工艺过程为：图3－16金属型铸造a）鼓风机叶片b）、c）铸