模具新技术 (2)

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1、 模具加工技术一、 概述模具加工作为工业技术的核心，本身就充满了各种各样的技术含量，包括结构设计、加工工艺、进度优化等等，蕴含了工业机械设备加工中的主要切削功能，是不折不扣的各种工业机械设备加工技巧代言人，并且模具在现实生活中担当的角色相当重要。很多家庭生活中使用的家电产品，电视机、影碟机、空调、冰箱以及日常工作中使用的手机、小灵通、电话机、传真机、电脑、打印机等，都需要模具来做父母一样的角色，才能生产出模具成品来，还有社会交通工具，特别是各类型汽车上的配件，发动机、保险杠、仪表盘、方向盘、门把手等，塑胶的、铝锌压铸的、胶木的、五金冷冲的、吹塑的、橡胶的很多，尤其在我们国家改革开放以后，社会不

2、断的进步发展，人民生活日新月异，消费不断的刺激需求，新产品、新款式的不断开发变换，模具就作为一种产业经济一样发展壮大起来，并且还作为一种区域经济被另眼看待，比如很多慧眼独具的城市利用本地优势的产业经济树立起模具产业的城市品牌来，比如“中国模具生产基地”，“中国模具之都”，“中国模具之乡”，“中国轻工业模具城”等等，各式各样的模具招牌，相继落户到各地区，以招睐客商，引进外资，持续发展本地区经济。看来模具不单单是一件产品而已了，而是一个城市的形象品牌了。因此，模具加工技术的地位日渐提升，而模具加工的一个关键性问题，就是要抓住模具加工的要害：数控铣加工。模具这么重要的作用，内部生产上的问题却不可小觑

3、了数控铣，它是我们很多模具加工技术人员和模具企业老板必须要认识到的一个关键部位，它是在模具加工结构设计、加工工艺、进度优化等等中扮演了精度与速度、效益与效率的主导者角色，也一直是模具加工技术变革的跨越者。模具加工在70、80年代的时候，还是以手工作业为主，尤以钳工优先，且分一至八等级，模具结构中简单的、复杂的产品面，基本上以手工来完成（型腔、型芯、滑块等），开始用锉刀来挫，凿子来铲或者用锯来锯，再加一些简易的测量设备、角度尺、卡尺、千分尺等，很多老师傅因此还练就了一双能目测尺寸的火眼金睛，据说能精确到0.02mm。到了80年代90年代初，有了现在一些基本的机械设备来辅助手工制作模具了，加工，线

4、切割加工车床，铣床，刨床，磨床等等，还依靠了手摇动作，在精度与速度上还远远不能适应时代发展的需要；那时一个模芯镶块的r角先拿凿子加榔头铲它，再用锉刀平衡挫直、平、弧，接着用红丹泥来覆模，一次上来，看见黑块铲去它，不多也不要少，接着再覆下去，反复这样，直到模芯镶块到底面为止。而模具到了90年代，国家经济发展的不断提速，进入了一个更加先进的时代。模具加工中于是出现了以数字化控制工业机械设备的技术，早期比如电子尺，接着就以电脑形式来控制机床的设备叫做控制面板，普通的铣床就升级到叫数控铣了，也有名称谓它叫电脑锣，电脑铣，加工中心等等，它从结构上优化了原来的基础配置，加上了先进的电路板，导轨上强化了钢质

5、，手摇动作上更是以电脑数字化设备来代替。模具出现使社会迅速发展，模具加工技术的提升使社会飞速向前。二、传统的模具加工有以下方法： barrel滚筒(加工) bending波纹加工 broaching拉刀切削 centering定中心 cutting切削 cylindrical lathe cutting外圆车削electric discharge machine放电加工 electrolytic grinding电解研磨embossing压花加工 facing面车削filing锉刀修润 hemming卷边加工hobbing滚齿加工 joggling摇动加工lapping抛光/研磨修润 lase

6、r beam machining雷射加工lathe cutting车床车削 planning刨削加工polishing抛亮光 reaming铰孔修润rough machining粗切削 rounding圆形加工sawing锯削 scaling清除钢碇缺陷shaping成形加工 skiving表面研磨 slotting切缝切削 taper turning锥度车削 thread cutting螺纹切削 ultrasonic machining超音波加工 up cut milling逆铣加工 hand finishing手工修润三、新的模具技工方法随着模具技术的快速发展，一些新的模具加工方法不断被应

7、用与实践生产中，现将一些新的模具加工技术罗列如下：1. 模具加工应用高速切削技术模具作为模压产品生产的关键工装，其设计与生产周期日益成为决定新产品开发周期的决定因素。模具的型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬度很高，常规的加工方法是在退火后进行切削加工，然后进行热处理、磨削或电火花加工，最后手工打磨、抛光，加工周期很长。其中的手工加工占模具整个加工周期的很大一部分。高速切削加工技术可以达到模具加工的精度要求，减少甚至取消了手工加工，并且由于新型对具材料(如PCBN、陶瓷、金属陶瓷涂层刀具等)的出现，高速切削可以加工硬度到HRC6O，甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬硬后的模具，取代电火花加工

8、和磨削加工。统计表明，到 1996年为止，己有44%的德国模具公司在使用高速切削技术，而59%的公司打算投资应用高速切削技术，日本和美国大约有30%的模具公司有高速切削的使用经验；大多数公司认为高速切削是未来模具加工很有吸引力的一项技术。 高速切削加工技术按其目的而言可分为两类：以实现单位时间最大材料去除量为目的的加工和以实现高质量加工表面与细节结构为目的的加工。模具的高速切削加工都是这两类技术的综合运用。高速切削加工技术引进到模具加工行业，主要应用于以下三个方面：一是淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔，可提高模具加工的质量和效率，可取代电火花加工；

9、二是EDM电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度，减少了后续加工工序；三是快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点，用于加工塑料和铝合金模型，通过CAD设计后可快速生成3D实体模型，比快速原型制造技术效率高、质量好。 与模具的传统加工方式相比，模具的高速切削加工的优势如下：(1)高速切削加工提高了模具加工速度：从材料去除速度而言，高速切削加工比一般加工快四倍以上甚至更快；(2)高速切削加工可获得高质量的加工表面：因高速切削加工精加工时采取小的进给量与切削深度，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，从而因表

10、面质量的提高省去了修光及电火花等工序肘间；(3)简化了加工工序：传统切削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要手工修整或用电加工最终成型。高速切削加工省去了电极材料电极加工编程及加工、以及电加工过程的所有费用，而且没有电加工的表面硬化。另外，高速切削加工可使用小直径的刀具，对模具更小的圆角半径及模具细节加工，节省部分手工修整工艺，减少人工修光时间，简化的工艺可缩短模具的生产周期；(4)高速切削加工还可十分方便地用于模具修复过程：模具使用过程中往往需要多次修复，以延长使用寿命，以往模具的修复主要靠电加工来完成，而采用高速加工可以更快地完成该工作，并可使用原NC程序，无须重新编制.2. 微

11、型模具加工技术 微型制件、微型模具的应用技术与市场前景随着微纳米科技的进步，产品不断向微型化方向发展，特征尺寸为微米级的微机电系统受到了人们的高度重视。微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)技术是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，是在融合多种微细加工技术、并在应用现代信息技术最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS为美国叫法，在日本被称为微机械，在欧洲则被称作微系统。近几年，MEMS已相继应用于精密机械、光电通讯、

12、影像传输、生化医疗、信息储存等领域，如微齿轮、插头式光纤连接器、医学用微量泵、导光板、微透镜、内窥镜零件、微流控芯片、细胞培养用微型容器，以及旋转传感器中的衍射光栅等，其广泛应用值得期待。目前对微制品的概念还没有准确的定义，从微注塑成形的角度，给出了微型制品的含义，即微型制品应具有以下特征：整体结构尺寸微小，通常其单件重量仅为几毫克;具有表面微小结构，即制品总体尺寸仍为普通尺寸，但其局部细微结构的尺度为微米量级;微型精密零件，是指制品尺寸为任意的，但应有微米量级的尺寸精度。如果在尺寸和制造精度上加以限定，即微型模具拥有以下几个特征：成形制件体积达到1立方毫米;微观尺寸从几微米到几百微米;模具表

13、面粗糙度在0.1m以下;模具制造精度从1m到0.1m。预计从2010年开始，中国MEMS巿场增速将加快，2011年的增速有望达29.2%。微型模具加工难点微型模具并不一定指体积微小，传统的体积大但具有微结构特征的模具也称作微型模具。微型模具的制造难点在于微小型腔或微小凸凹结构加工，而模具其它结构件的制造与普通模具基本一致。微小型腔的成形可在一个小体积的金属块上加工，然後把金属块作为一个镶块嵌入模板并进行整体组装，这不仅便于微小型腔的微细加工和镶块的更换，且能提高模具整体寿命。传统的机械式加工方法不能加工尺寸太小或者微结构尺寸太小的微型模具，尺寸精度和表面粗糙度都达不到微型模具的设计要求。现在发

14、展起来的光刻技术虽然能实现尺寸小精度高的要求，但光刻技术因其制造费用昂贵、加工周期长，工艺流程复杂等缺陷而限制了其广泛应用。微型模具加工技术发展快速、种类繁多微型模具加工技术经过近几年快速发展，种类比较繁多。按其加工原理不同可分为三大类：光制作技术，如LIGA技术、UV-LIGA技术、电子束光刻技术、激光加工技术;腐蚀技术，如刻蚀技术;微机械加工技术，如微细车削、微细铣削、微细磨削、微细电火花等传统加工法。光制作技术主要应用于具有微米级微结构的零件加工，加工精度达10nm以下;微机械加工技术应用于具有毫米级微结构的零件加工，加工精度100nm以下。（1）.LIGA技术LIGA技术是近年来发展起

15、来的新型光制作技术，名称源于德文，意指为深度X射线刻蚀、电铸成型和塑料铸模等技术的完美结合。该技术的主要工艺流程为：深度X射线刻蚀：利用同步辐射X射线在几百微米厚的光刻胶上刻蚀出较大高宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到100。电铸成型及制模：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶的图形空隙为止。实际上，这一过程是将光刻胶图形转化为相反结构的金属图形。此金属结构可作为最终产品，也可以作为批量复制的模具。注模复制：将去掉基板和光刻胶的金属模壳附上带有注入孔的金属板，从注入孔向型腔中注入塑料，冷却后去掉模壳。在金属板上留下一个塑料结构，此塑料结构作为微制品。与传统的其它微

16、细加工技术相比，LIGA技术有许多优点：精度高，能达到亚微米级;可以得到高的深宽比结构(达几百以上);沿高度方向的直线性和垂直度非常好;适用于多种材料，如金属，陶瓷和聚合物。其缺点是：需使用昂贵的同步辐射X射线，成本高;得到的形状是柱状，难以加工曲面和斜面的微器件;不能生成口小肚大的腔体。（2）.UV-LIGA技术昂贵的同步辐射X射线限制了LIGA技术的应用。而采用与其相似的工艺原理，探索低成本高深宽比的准LIGA技术应运而生，衍生出UV-LIGA技术、Laser-LIGA技术和Dem技术等。适用于中厚度的光刻胶的UV-LIGA技术已得到广泛应用，其技术实质是用深紫外光的深度曝光来替代LIGA

17、技术的同步辐射X射线深度曝光。相比X射线，深紫外线的曝光深度要低很多，当曝光较厚的PMMA光刻胶(大于4m)时需要采用多次曝光、多次显影的方法来实现。现在IBM公司研发出一种新型的负深紫外线光刻胶SU-8，能减少曝光次数，得到较好的曝光效果。该技术的主要工艺流程为：深度紫外线曝光：利用紫外线在SU-8光刻胶上刻蚀出光刻胶图形。电铸成型及制模：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶的图形空隙为止，此金属结构作为批量复制的模具。注模复制：用注塑成形方法在金属结构上复制出与金属微结构相反的塑料微结构制品。UV-LIGA技术与LIGA技术相比，具有加工成本低、周期短的优势

18、，但在加工深度、深宽比和侧壁垂直度等参数方面存在不足。对于型腔侧壁垂直度及深宽比要求不是很高时，它完全可以取代LIGA技术。目前，UV-LIGA技术在型腔深度小于100m的模具制作中取得成功的应用，逐步替代以往的传统机械加工方法。（3）.电子束光刻技术电子束光刻技术是利用电子束作用在光刻胶上形成微纳结构的一种加工技术。它需要一个产生电子束的曝光机，目前曝光机主要有两种类型：直写式和投影式。直写式曝光机将聚集的电子束直接打在表面涂有光刻胶的衬底上，不需要光学光刻工艺中昂贵的掩膜。而随着直写式电子束曝光机的小型化，直写式光刻技术在科研中的应用将越来越广泛。但是其局限性在于，电子束是扫描成像型的，生

19、产率极低，远未达到光学光刻所能达到的40-100片/小时的生产率，很难适用于大规模批量生产。正因为如此，电子束光刻一般用于制作高精度掩膜。（4）.刻蚀技术所谓刻蚀技术就是用化学或者物理的方法有选择的从基片表面除去不需要材料的过程。其从机理上分为湿法和干法两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中，用化学方法除去不需要部分的薄膜。干法刻蚀是将被加工的基片置於等离子体中，在带有腐蚀性，具有一定能量粒子的轰击下，反应生成气态物质，去除被刻蚀薄膜，此种方法一般具有各向异性。干法刻蚀的种类较多，根据其作用机理可分为物理刻蚀，化学刻蚀，物理-化学刻蚀三类。在干法刻蚀中，物理溅射作用越大，侧

20、向刻蚀越小，各向异性越好，但是其选择性差，刻蚀速率低，对基片损伤大。干法刻蚀可以分为等离子体刻蚀，反应离子刻蚀，溅射刻蚀，离子束刻蚀，反应离子束刻蚀等。(5).微细车削微细车削是加工回转类零件的有效方法。加工微型零件时要求有合理的微型化车床、状态监测系统、高速高回转精度主轴、高分辨率的伺服进给系统，且刀刃足够小、硬度足够高的车刀。相比普通车削，微细车削的车床和刀具更小，当然工件也更小。日本通产省工业技术院在1996年研制出世界首台微型车床。该车床长32mm，宽25mm，高30.5mm，重仅100g;主轴电机额定功率1.5W，转速10000rpm。用其切割黄铜，进给方向的表面粗糙度Rz1.5m，

21、加工工件圆度2.5m，加工出的最小外圆直径60m。日本金泽大学研制的一套微细车削系统，包括微细车床，控制单元，光学显微系统和监视器。机器长200mm，主轴功率0.5W，转速3000-15000rpm连续可调;径向跳动1m以内;装夹工件直径0.3mm;XYZ轴的进给分辨率4nm;切削力通过一个具有三方向的力学传感器来监测，以提高基层的进给精度。使用原子力显微镜上的金刚石探针尖作车刀，在直径0.3mm的黄铜丝毛坯上加工出直径10m的外圆柱面，还加工了长120m、螺距12.5m的丝杆。(6).微细铣削微细铣削技术主要是采用直径几十微米至一毫米的微型立铣刀，在常规尺寸的超精密机床上进行微细加工。由于这

22、些机床主要用于加工精度很高的非微小几何尺寸零件，通常需要昂贵的设计和制造工艺来达到期望精度，而对于微小零件，则缺少必要的柔性，且成本高，效率低。研发制造一种微型化的铣削加工设备迫在眉睫，它具有节省空间，节省能源，易于重组，成本低等优点。目前国内对微细铣削加工的研究主要集中在加工表面质量，铣削力，铣刀的磨损和寿命，铣削状态和对微小零件的加工能力等方面。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制了国内首台微小型卧式铣床，尺寸为300mm150mm 165mm，主轴最高转速为14000r/min，驱动系统分辨率为0.1m。实现了在硬铝LY12上铣削尺寸为700m40m和500m20m的薄壁结构;在两块尺寸为1

23、2mm8mm和8mm5mm的有机玻璃材料上进行了人脸曲面的数控加工。近来，哈工大又成功研制一台三轴微小型立式铣床。其尺寸为300mm300mm290mm，主轴最高转速16000r/min，最大径向跳动1m，驱动系统重复定位精度0.25m，速度范围1m-250mm/s，全闭环控制，分辨率0.1m。它使用0.2mm的微型立铣刀，可在70m厚的小薄钢片上加工一个微型槽。(7).微细磨削微细磨削加工是将砂轮和砂带表面的磨粒近似看成刀刃，整个砂轮可以看作刀具。磨削加工微器件时需注意以下问题：磨粒在高速高压高温情况下会变钝;磨粒在高速情况下会脱落。磨削加工专门用于硬而脆的材料，磨削加工中磨轮的切削刃保持锋

24、利状态是加工中的关键，利用ELID(在线电解修整砂轮)技术在磨削加工过程中进行磨轮的微细修整是行之有效的方法。另外选用硬度高，耐高温，耐磨的磨粒材料会减缓磨粒变钝和脱落情况。(8).微细电火花加工微细电火花加工原理和普通电火花加工原理基本相同，都是基于在绝缘的工作液中通过电极和工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的材料，以达到对零件尺寸，形状及表面质量预定的加工要求。微细电火花加工具有低应力，无毛刺，可加工高硬度材料等优点，在微细加工领域中被广泛的采用，已成为该领域一个重要的发展方向。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的制作，微小能量放电电源，工具电极的微量伺服进给，加工状态监测

25、，系统控制及加工工艺方法等。日本东京大学Masuzawa T等人在电火花反拷加工的基础上，利用线状电极替代反拷模块研制成功的线电极电火花磨削技术成功解决了微细电极的制作，使微细电火花加工进入实用性阶段，成为微细加工领域的热点。综合比较以上8种微细加工技术，单从加工精度，表面粗糙度等方面来考虑，LIGA技术最好，其余光刻技术次之，微机械加工技术最差。各种加工方法由于其加工原理的局限性，都有其适合加工的微结构形状。比如，LIGA技术只能加工柱状的微结构;微细车削适合加工回转类零件;微细磨削适合加工沟槽类微结构等。对于微结构的加工精度，并不是精度越高越好，还要考虑价格、周期等因素。总的来说，能满足要

26、求且价格低周期短寿命长的加工方法才是最好的方法。应用举例LIGA技术在型芯镶块加工中起到了关键作用，一些难以实现的小尺度、高精度，高深宽比的型芯镶块已成功采用该技术。中南大学机电工程学院模具技术研究所沈龙江博士在加工微透镜阵列模具型芯镶块时便采用了该技术。首先根据微透镜阵列形状设计其型芯镶块，由于在微透镜阵列的注射成型中要通过优化工艺参数将制品的收缩率降到接近于零，才能保证制品精度和质量，同时还要考虑实验中制品收缩的不确定性和模芯制造的经济性。此处所讲的模芯镶件的设计不考虑制品的收缩，按1:1的比例设计型腔。设计时，还要综合考虑型芯镶块安装的滑动结构设计和将要使用的加工技术。前景展望随着微机电

27、系统领域对微型制件需求量的不断增长和质量要求的不断提高，微型模具加工技术也在不断发展和完善，以满足微型制件的要求。传统的微细加工方法加工三维微小模具型腔，虽然工艺简单实用，而且不需要太大的投资，但其加工型腔尺寸太大，精度太低;电化学等特种加工工艺虽然相对复杂，但在难切削材料，复杂型面和低刚度材料的模具型腔加工中，具有不可替代的优势;以LIGA技术和UV-LIGA技术为代表的光加工技术，工艺最为复杂，但其加工精度最高，可达到的深宽比最大，模具型腔尺寸最小，是最具发展前途的微型模具加工方法。为了适应微制品零件更多的要求，进一步研究工作除了在微机械切削加工方面不断降低零件的加工尺寸，提高加工精度外，

28、还应不断开发新的特种加工技术和光加工技术。3. 焊管模具加工新技术随着时代了发展科技的进步，焊管模具方面的新技术也如雨春笋。但是适合于目前我国的焊管模具加工新技术只有两种，第一种方法是：扩散法金属碳化物覆层技术；第二种方法是：不锈钢焊管模具表面超硬化处理技术(1).扩散法金属碳化物覆层技术 技术简介 扩散法金属碳化物覆层技术是将工件置于特种介质中，经扩散作用于工件表面形成一层数微米至数十微米的金属碳化物层。该碳化物层具有极高的硬度，HV可达16003000（由碳化物种类决定），此外，该碳化物履层与基体冶金结合，不影响工件表面光洁度，具有极高的耐磨、抗咬合（粘结）、耐蚀等性能，可大幅度提高工模具

29、及机械零件的使用寿命。 (2)、不锈钢焊管模具表面超硬化处理技术 技术简介不锈钢焊管是在焊管成型机上，由不锈钢板经若干道模具碾压成型并经焊接而成。由于不锈钢的强度较高，且其结构为面心立方晶格，易形成加工硬化，使焊管成型时：一方面模具要承受较大的摩擦力，使模具容易磨损；另一方面，不锈钢板料易与模具表面形成粘结（咬合），使焊管及模具表面形成拉伤。因此，好的不锈钢成型模具必须具备极高的耐磨和抗粘结（咬合）性能。我们对进口焊管模具的分析表明，该类模具的表面处理都是采用超硬金属碳化物或氮化物覆层处理。 不锈钢焊管成型模具材料一般是由高碳高铬的Cr12MoV（或SRD11，D2，DC53）制成。目前国内普

30、遍采用如下工艺流程制作模具：下料粗加工热处理（高温淬火加高温回火）精加工氮化成品（注：为节省成本，一般生产厂家现在都省去了锻造与球化退火两道耗时，费财工序）。由于Cr12MoV类材料属于高碳高铬合金钢，其原始组织存在很大的成份偏析（这种偏析即使一般的锻造也无法消除）。这样经过热处理（高淬高回）的模具内部组织极不均匀，宏观表现为硬度极不均匀（HRC四十几至六十左右），再经氮化处理，模具表面不均匀性无法消除，基体硬度甚至进一步降低，实际使用时，表现为模具及焊管表面均易拉伤，模具寿命低。经该技术处理的模具在其表面形成硬度高达HV3000左右的金属碳化物层，该碳化物层致密，与基体结合紧密，不影响工件的

31、表面光洁度，具有极高的耐磨，抗咬合性能，可从根本上解决焊管的拉毛问题，减少制管后续抛光工序的工作量并提高产品质量，大幅度提高模具使用寿命，减少售后服务工作量。实践表明，该技术具有极高的使用价值。4. 在模具加工中应用电火花线切割加工技术 在模具加工中，电火花线切割加工技术得到了广泛的应用，但在线切割加工过程中，模具易产生变形和产生裂纹，造成零件的报废，使得成本增加等问题屡屡发生。所以，线切割加工中模具的变形和开裂问题，也越来越引起人们的关注，多年来，人们对线切割加工的变形和开裂认识不够，往往造成线切割加工部门与来料加工者之间相互推脱责任，产生矛盾。 其实，变形和开裂的原因是多方面的，如材料问题

32、、热处理问题、结构设计问题、工艺安排问题及线切割时工件的装夹和切割线路选择的问题等等。在这诸多因素中，能否找到线切割加工变形和开裂规律呢? 通过深入研究，提出了以下防止变形和开裂的措施。1产生变形及裂纹的主要因素在生产实践中，作者经过大量的实例分析，发现线切割加工产生变形和裂纹与下列因素有关。1.1与零件的结构有关1)凡窄长形状的凹模、凸模易产生变形，其变形量的大小与形状复杂程度、长宽比、型腔与边框的宽度比有关。形状越复杂，长宽比及型腔与边框宽度比越大，其模具变形量越大。变形的规律是型腔中部瘪入，凸模通常是翘曲;2)凡是形状复杂清角的淬火型腔，在尖角处极易产生裂纹，甚至易出现炸裂现象。其出现的

33、频率与材料的成分、热处理工艺等有关;3)圆筒形壁厚较簿零件，若在内壁进行切割，易产生变形，一般由圆形变为椭圆形。若将其切割缺口，在即将切透时易产生炸裂现象;4)由零件外部切入的较深槽口，易产生变形，变形的规律为口部内收，变形量的大小与槽口的深度及材料性质有关。1.2与热加工工艺有关1)模具毛坯在锻造时始锻温度过高或过低，终锻温度偏低的零件;2)终锻温度过高，晶粒长大，终锻后冷却速度过慢，有网状碳化物析出的模坯;3)锻坯退火没有按照球化退火工艺进行，球化珠光体超过5级的零件;4)淬火加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性;5)淬火工件未及时回火和回火不充分的零件。1.3与机械加工

34、工艺有关1)面积较大的凹模，中间大面积切除而又事先未挖空，因切去框内较大的体积，框形尺寸将产生一定的变形;2)凡坯料中无外形起点穿丝孔，不得不从坯料外切入的，不论其凸模回火和形状如何，一般容易产生变形，尤其是淬火件变形严重，甚至在切割中产生裂纹;3)对热处理后的磨削零件，无砂轮粒度、进刀量、冷却方式等工艺要求，磨削后表面有烧伤及微裂纹等疵病的零件。1.4与材料有关1)原材料存在严重的碳化物偏析;2)淬透性差、易变形的材料，如T10A、T8A等。1.5与线切割工艺有关1)线切割路径选择不当，易产生变形;2)工件的夹压方式不可靠、夹压点的选择不当，均易产生变形;3)电规准选择不当，易产生裂纹。2防

35、止变形和开裂的措施找到了变形和开裂的原因，即可对症下药采取相应的措施予以避免，防止变形、开裂。具体的措施可以从以下几个方面入手：2.1选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺为了防止和减少变形、开裂，对需要线切割加工的模具，应对材料的选择、热加工、热处理直到制成成品的各个环节都要充分关注和重视;1)严格检查原材料化学成分、金相组织和探伤，对于不合格原材料和粗晶粒钢材及有害杂质含量超标钢材不宜选用;2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔钢材;3)避免选用淬透性差、易变形材料;4)坯料应合理锻造，遵守镦粗、拔长、锻压比等锻造守则，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2-3之间;5)改进热处理工

36、艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火;6)选择理想的冷却速度和冷却介质;7)淬火钢应及时回火，尽量消除淬火内应力，降低脆性;8)用较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值;9)充分回火，得到稳定组织性能;10)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力;11)对于有第二类回火脆性模具钢高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性;12)模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织。2.2合理安排机械加工工艺1)线切割工件坯料的大小，要根据零件的大小确定，不宜太小。一般情况下，图形应位于坯料中部或离毛坯边缘较远而不易产生变形的位置上，通常

37、应取图形到坯料边距大于10mm;2)凡较大的型腔或窄长而复杂的凸模，配制坯料时要改变传统的实心板料习惯。大框型腔、窄长型腔等易变形零件，其中间部位应镂空。这样淬火时表里状况得以改善，温差小，产生的应力小，同时切割时切除的体积也就小，应力达到平衡也就不至受破坏;3)在模具使用允许的情况下，大框形型腔零件的清角处，应适当增加工艺圆角R，或在线切割之前将清角处钻空，以缓解应力集中的现象;4)对凸模零件，在淬火之前应在凸块坯料中钻外形起点的穿丝孔，使工件在切割时保持内应力平衡且不被破坏，以免从材料外切入引起开裂变形。2.3优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数2.3.1该进切割方法1)改变一次切

38、割到位的传统习惯为粗、精二次切割，以便第一次粗切割后的变形量在精切割时及时地被修正。一般精切割时的切割量应根据第一次切割后的变形量大小而定，一般取0.5mm左右即可。这种办法常应用于形状复杂而势必产生变形的零件或要求精度较高、配合间隙较小的模具;2)改变两点夹压的习惯为单点夹压，以便切割过程中的变形能自由伸张，防止两点夹压对变形的干涉，但要注意，单点夹压的合理部位通常在末尾程序处。这样所产生的变形只影响废料部分，避免了对成型部分的影响;3)对易变形的切割零件，要根据零件形状特征统筹安排切割的起始点、程序走向及夹压位置，以减少变形量。一般应选择较平坦、已精加工或对工件性能影响不大的部位设置线切割

39、的起始点。2.3.2选择合理的工艺参数1)采用高峰值窄脉冲电参数，使工件材料以气相抛出，气化温度大大高于融化温度，以带走大部分热量，避免工件表面过热而产生变形;2)有效地进行逐个脉冲检测，控制好集中放电脉冲串的长度，也可解决局部过热问题，消除裂纹的产生;3)脉冲能量对裂纹的影响极其明显，能量越大，裂纹则越宽越深;脉冲能量很小时，例如采用精加工电规准，表面粗糙度值5. 数字控制数字控制(numerical control）是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化的信息实现机床控制的一种方法。数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）是采用了数字控制

40、技术的机床，简称数控（NC）机床。数控机床是一种有数控系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码，或者其他符号编码指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控机床是近代发展起来的具有广阔发展前景的新型自动化机床，是高度机电一体化的产品。模具是成型工具的总称，用模具大批或成批生产工业制品，具有生产率高、质量好、节约原材料和成本低等优点，已成为制造业的重要工艺装备。模具制造的主要特点是单件小批生产、品种多、技术要求高。随着机电产品更新换代速度的加快和需求的多样化，拥护对模具的交货期、质量和成本提出了愈来愈高的要求，其中交货期的长短已

41、成为决定竞争成败的首要条件。为了满足模具制造技术的特定要求，数控机床的应用已成为模具加工的重要手段。高速数控铣削模具机床的应用电滚珠丝杠是伺服电动机与滚珠丝杠的集成。具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杠可以大大简化数控机床的结构，确保在高动态下的高精度切削要求。SKDK5050新型雕铣机床是高速高精度的雕铣机床，配有SKY2000型数控系统和高精度直线滚动导轨以及转速达24000r/min的电主轴。该机器以35m/min的进给速度插补铣削直径100mm的圆，其圆度误差小于0.008mm。6. 电铸模具加工技术利用电铸成型来制得注塑模具的型腔，是一种制造注塑模具型腔的新工艺电铸成

42、型原理： 大家对电镀都很熟悉，通过电镀，可以把防腐好的金属或塑胶产品，如镍、铬、锌、铜等沉积于另一种导电体的表面，从而起到保护或美观作用。而注塑模具的电铸成型是将与注塑模型腔相吻合的母模，这个母模要求有较好的尺寸和精度，然后将母模作为阴极置于镀槽中，再把想要电铸的金属作为金属作为阳离子置于镀槽中，然后通入直流电，此时阳极的金属板即会逐渐变为金属离子进入电解液中，并向作为阴极的母模上沉积，通过一段时间的通电后，在母模上会沉积有适当厚度的金属层，就是所谓的电铸层。 根据电铸材料的不同，电铸有电铸铁、电铸铜和电铸镍等三种方法。其中电铸铁在注塑模具中应用较少。而以电铸镍用得最多，这是因为电铸镍有较高的

43、机械强度和硬度，表面粗糙度小，但它电铸时间长，价格高。电铸铜的速度快，价格便宜，但机械强度较低，耐磨性也不如镍。电铸成型的特点电铸成型是一种大大有别于通常机械切削成型的一种成型方法，其主要特点如下：1)电铸件与母模的形状吻合程度很高，只要母模制造精确，电铸件的精度就能满足要求，其表面粗糙度Ra可达到0.1m。2）电铸成型是采用沉积法成型，不管多么复杂的形状，采用电铸成型均能很好的复制它还可以成型用机械加工难以成型，甚至无法成型的型腔。3)电铸镍有很好的机械强度，不用热处理即可投入使用。4）母模的制作较为简单，它并不限于金属材料，将非金属材料经过某种处理后也可以电铸成型，甚至用制品零件都可直接作

44、为母模。电铸模具缺点：电铸件制作周期较长，如电铸镍，通常需数天如果精度高的像手机配件中的导航键甚至需10-15天，而且厚度不易均匀；电铸件有较大的内应力，需经适当热处理。电铸件价格不菲，如手机配件中的侧键键或导般键单个需8001200块人民币左右。深圳电铸模具厂小规模经营较多，作工和精度都在一定程度上达不到满意的效果。7、电磁研磨模具加工技术研究简介在金属模制造工程中，因为工作机械及放电加工机械的导入，以及其後之CAD/CAM的导入，促进了从设计到加工整个流程的机械化及自动化。因为CAD在可以表现出更复杂的形状，其操作性及和CAM的相容性也提高了，所以可以在更快速的情形下求得更高的精度。CAM

45、也更为快速，且因为多轴控制加工的功能，而可以进行复杂形状的加工。在形状创制加工方面，因为高速铣床及镜面放电加工机械的出现，而能而更快的进度来进行高精度的金属模制造。然而，精细修润(研磨)及组立流程的自动化却比前述流程为慢。虽然到目前为止，市面上所贩卖的研磨专用机械发挥很大的效用，而其中的大部份，大都是以自我模仿或学习的方式来进行工具移动，所以看不到有多大的变化。而最近以CAD资料为基础，采用多轴自动机械来进行研磨自动化实验。为了实现以形状精度及效率为前提的高水准金属模研磨，则以能整体掌握从设计到加工、计测之连续金属模制作流程的CAD/CAM系统为基础的驱动旁式，或是可以并用在形状加工上使用之N

46、C资料自动研磨方式为并。其代表的意义，就是以CAD资料为基础的方法，将来极有可能成为实现高精度、高效率之研磨自动化的一方法。到目前为止，精细修润(研磨)流程的效率化及追求高精度方面，大都着眼於研磨的发展上。所以大家都将此流程中效率化及高精度化的重点，放在如何提高前流程中之切削加工或放电加工精度来进行形状加工，且能将表面粗糙程度降至最低。笔者认为，在形状创制加工中应尽量提高精度，在不降低效率的前提下，减少表面的粗糙度，再利用研磨时减少研磨的份量来维持精度，这样就可以现高精度又具高效率的金属模研磨。因此，将针对以推动金属模研磨的自动化、快速化、高精度化为目的而进行之高速铣削、5轴控制切削、及电磁研

47、磨等实验来进行解说。研磨前流程的努力模具制作上是以设计、加工制造为主，一直到目前为止一直都在追求各个流程中的快速化、高精度化要及自动化。本来这些流程都是互相关连，而必须被整体考虑的，但在某一个流程中作有程度的牺牲，可能会带给另一个流程更大的益处，例如，缩小切削时的pick进给，进行表面粗糙度较低的形状加工，以减轻研磨的负担，这些情形应该都已经被考虑过了。当然，将pick进给减为一半时，就必须花费2倍的时间，负责切削加工的人自然不愿意。然而，此种作法可减少表面的粗糙度，研磨的部份就相对减少，不但可以缩短修润加工的时间，在修润加工流程中，也可以减少形状上的损失，同时也很明显地，会使组合、试模修正等

48、後流程更为顺利。若缩小pick进给又能以较少的加工时间来进行形状加工的话，则不但可以缩短整个金属模的制作流程，又同时可以提高品质并降低低成本。1.相片1在加工制造中心机上配置电磁研磨工具的外观。2.切削及研磨所需要的时间(h/100cm2)3.pick进给(mm)4.切削条件高速MC：旋转数30000rpm进给速度9750mm/min切深0.1mm高速MC：旋数数20000rpm进给速650mm/min度切深0.2mm两方都是以直径20球端铣刀来加工5.研磨条件直径16球端割缝工具、旋转数1750mm、加工间隙1.2mm、655NbC-Fe磨粒(212-300)、磁束密度1T6.以各种Pick

49、速量，对S50C材1000mm进行切削，并以电磁研磨至表面粗糙度为0.4mRmax时所花费的整体加工时间。内是切削後的表面粗糙度5轴控制切削及电磁研磨基於上述理由，笔者一群人就针对如何组合高速铣削及电磁研磨来促进研磨的效率、如何利用5轴控制的切削及研磨来提高研磨的精度，及以何种切削条件才能满所有要求的研究。电磁研磨法的特征是在多能加工制造中心机上配置电磁研磨工具的外观。电磁研磨装置是由线圈绕组、铁蕊、直流电源、及电磁磨粒所构成，是可配置在任何工作机械上的简易装备。通电後，其铁蕊前端会敛引磨粒而形成电刷。同时，和铁蕊对峙的加工物件会被磁化，加工件侧也会产生吸引力而敛附磁性磨粒，就形成加工压而进行

50、研磨。铁蕊和加工物件有数mm的间隙，此间隙中会充满磁性磨粒。此研磨法的特徵是，可以利用以NC资料为基础之驱动方式来进行自动研磨，即使加工物件有微细的凹凸，磨粒集合体也会配合加工物件形状来进行研磨。因可以使用形状加工的工作机械，加物件不需再经阶段更换，所以有更好的精度。高速铣削的优点及电磁研磨高速铣削因为高速旋转的主轴、其相对应的工具及双环的开发而正在进行实用化的检讨。采用此加工法，即使以较小pick的进给来切削，因为是以高速来进给工具，所以加工时间不会增加。图1中是在各pick进给的情形下，以旋转数20,000rpm、进给速度650mm/min、及旋转数30,000rpm、进给速度9,750m

51、m/min对S50C材100(平面)进行切削，在以电磁研磨至表面粗糙度为0.4时所花费的整体加工时间。以电磁研磨经0.3mmpick进给高速铣削後的表面时，所花费的整体加工时间是最少的。若pick进给切削时间花费太多，就不是效率加工。若将切削时间及研磨时间的总和最小设定为加工条件，则可实现加工到表面修润之间的迅速化。我们在前面已提高，要实现高精度研磨，必须在形状创制加工中追求精度。现在就针对3轴及5轴控制切削的精度研磨时的精度进行探讨。对各曲率进行圆筒形切削後，以3次元测冤机进行测定的测定点及其最小平方近似圆。和近似圆的偏差愈大代表精?愈差，由其凹凸情形可以看出切削状态并非十分平整。由图可知，

52、不论在何种曲率半径的切削、曲率半径的误差，5轴控制比3轴控制小，而且也较为平整。因为3轴控制在圆筒形状顶点附近切削时，是以周速较慢的刀刃中心切削，所以和两端产生较大的差异。因此，要使切削的精度高，应保持刀刃较利的部份和加工物件接触，所以能进行工具的位置控制之5轴控制切削效果较佳。3轴及5轴控制下，以0.3mmpick进给切削後的R60面及对电磁研磨以3次元测定机进行测定的测定点和其最小平方近似圆。4轴控制切削5轴控制研磨组合的曲率半径偏差较小，精度较高，可知其切削及研磨较为平均。切削条件会影响研磨的精度及效率通常，以较大的pick进给量切削时，因为每一面积及压力都很均一，仍无法有均一的表面修润

53、。若刀刃的进给比较小，所以会形成不平均的波形切削面。所以在一般的研磨加工中，即使京轮的接触面不在pick进给及工具进给的两个方向罐有差异而形成有凹凸之鳞状切削面进行研磨，是不可能有高精度及有效率的表面修润。为了要有这样的切削面，高速进给是最适当的切削法。Fz=PfFz=Pf/2Fz=Pf/3Fz=Pf/4PfFzPfFzPfFzPfFz9.436.395.712.866.503.846.883.76进给是工具进给和pick进给相同、或为其的1/2、1/3、1/4时，切削面的(pickfeed)方向和工具速进给方向的表面粗糙度。当两者相同时，表面粗糙度虽然较大，但差异及方向性都较小。而图4是相对

54、於pick进给来变更工具进给所得到之切削面，在同一条件下进行电磁研磨时的表面粗糙度，两个方向的进给相同时的切削表面虽然较为粗糙，但最後表面粗糙度却是最低。将切削面的表面粗糙度控制在某个程度以下，切削面的凹凸形状就不会有方向性且较为均一，则对研磨较为有利。粉末混入放电加工面的电磁研磨 上述的结果都是根据以切削来进行形状加工下的研磨而得来的，而放电加工的情形应该也相同。传统放电加工面的表面粗糙度较大，且要除去加工硬化(变质)层较为困难。而最近则开发新的技术，在加工液中混入硅有机树脂等粉末来进行放电加工，可以得到数um的镜面。和传统的放电加工比较下，表面粗糙度减少了10um以上，所以研磨部份就减少了

55、，即可维持放电加工时的精度，而实现了迅速且具高精度的金属模研磨。在笔者们的预备实验中，对2um的放电加工面进行电磁研磨，同时对相同粗糙度的切削加工面进行研磨，结果发现其研磨疲果相同。所以，利用粉末混入放电加工的形状创制，可作为迅速又具高精度之金属模研磨的前流程。为了促进金属模研磨的自动化、快速化、高精度化而行高进铣削、5轴控制切削、粉末混入放电加工面的电磁研磨及切削条件所产生的效果，都已如前面所述。在实现迅速又高精度的金属模研磨上，和整理前的形状加工具有何精度，其形状创制上能有多小的表面粗糙度是有绝对的关连的。当然，研磨机本身的高度化也是非常重要的。而最近也开发出形状加工上使用的革新技术。利用

56、新技术来进行形状加工，并使整理的前流程能更迅速具更高的精度，则就会在整理过程中完全表现出来，实现迅速又具高精度的金属研磨的之自动化。8、模具加工技术的最新发展并行加工 观念：模具的型芯和型腔合并成一个零件在多任务机床上被并行加工。 背景：这个观念由Mazak公司(Florence, Kentucky)的e系列Integrex加工中心在IMTS 2004展会上进行演示。使用具有柔性的倾斜铣削主轴（B轴）和反向的车削主轴（C轴），长方形工件的四个侧面和背面上的冷却孔由铣削完成。型芯和型腔零件在工件仍合并成一体时被加工。通过车削主轴的旋转和铣削主轴倾斜的协调，优化刀具的定向能获得表面粗糙度的改善和刀

57、具寿命的提高。工件还可周期性地反转以利倾倒切屑。 模具的型芯和型腔在合并成一个零件时被加工。这些模具四个侧面上的冷却孔在一次装夹中被钻出。然后型芯和型腔被分离，每个部分仍被牢固地夹持在反向的车削主轴。对两个部分各自露出两个新的侧面进行平面铣削，而模具两个部分上的冷却孔在一次装夹中被全部钻出。 与传统加工相比，这个方法极大地缩减了装夹次数和工序。由于模具的两个部分相互之间保持极好的定向直到被分离，所以精度也提高了。 使能技术：在这个应用里，旋转轴的位置精度是关键。多任务机床在铣削主轴上使用一个提供0.0001度分辨率的滚子凸轮。主、从车削主轴的分度增量也是0.0001-度。据机床商介绍，转速12

58、,000 rpm的铣削主轴的振幅为1.5微米 (0.00006 英寸)。极低的主轴振幅可保护高速铣削应用的小直径刀具。 平行加工 观念：大型模具零件被分割后在较小的加工中心上加工。加工完后的部件再装配成一个完整的型芯或型腔。在某些情况下，部件被设计成镶嵌件以装配到模架上的型腔里。 背景：在分割一个大型模具零件之后，每个部件可能在较小的加工中心上加工，而不需要放到具有大工作台的大型立式机床上加工。虽然也可应用较小的立式机床，但较小的卧式加工中心更加理想，因为它具有排屑和生产能力方面的优势。 因为它们的工作范围相应地更小，较小的机床倾向于具有更高的形位精度。由于移动轴的质量小，较小的机床对于等高线

59、切削能获得更高的加速度和减速度(acc/dec)。更高的acc/dec速率能显著地减少整个加工时间-因为更高的acc/dec，通常需要20小时的加工能在15小时内完成。 在较小的机床上，换刀问题能很容易处理。例如，一把精加工刀具不用换切削刃就能完成模具部件精加工是很有希望的。 最重要的是，两台或三台机床同时运转能在生产上超过一台大型机床。例如，20小时的加工在两台小机床上能在7.5小时内完成（分担工时，然后是更快的acc/dec速率的因素）。一组较小的机床还可安排得比一台大型机床更有柔性。当大型模具能设计成适合于分块加工，仅拥有较小机床的模具厂仍能承接那些原本超出其加工能力的任务。 此外，较小

60、的机床代表了一种更低的资本投资。模具厂必须把两台或更多小机床的总成本同具备相同能力的大型加工中心的成本进行比较。 最后，设计用于平行加工的模具也许表现了改善维护和修复的机会。例如，分割模具也许是可行的，所以易于磨损剧烈的区域可以被单独分割开来。通过移开这块需要被替换、维修或修补的部件，停机时间可降到最小。 使能技术：较小的机床必须具有极高的形位精度，以便组装的模具部件的接合面能真正做到无缝连接。 五轴枪钻加工 观念：钻削具有复合角的水管线路的能力使得提高大型模具的冷却性能成为可能。五轴枪钻加工机床通过消除多次复杂装夹从而获得良好的经济性成为可能。 背景：用于汽车保险杠、汽车仪表板和其它塑料件的

61、那些模具依靠快速而有效的冷却来获得有竞争力的生产周期。 当只拥有固定工作台和固定主轴的枪钻加工机床时，模具设计者有两个途径来提高大型模具的冷却速率。方法之一是增加穿过模架的直线水管线路。另一种方法是钻削具有复合角的水管线路，以便管线更贴近型腔表面。第一个方法意味着显著增加花在枪钻加工上的时间。第二个方法未必意味着更长的钻削时间，但它大量增加装夹时间，因为模具部件必须对于每个要求的角度进行手动定位。每个加工的装夹时间通常要比钻削时间长得多。 当因显示的用途需要去除监护时，五轴枪钻加工机床加工具有复合角冷却孔的能力变得更为明显。这些方案都不是很有吸引力，而且它们甚至不能满足客户希望降低模具价格的需

62、求。 五轴枪钻加工机床被证明为一个好的解决方案。这使得加工不平行于机床轴线的有夹角的深孔而且无需专用夹具可以变得可行。这个能力极大地缩减了完成一个模具所需的装夹次数。在固定工作台和固定主轴的枪钻加工机床上钻削具有复合角的水管线路时，对于汽车仪表板模具的阴模可能需要多达60次的装夹。在五轴枪钻加工机床上做同样的工作需要三或四次装夹，研发人员说。 使能技术：Ixion Auerbach IA TLF-1300.5 五轴枪钻加工机床在IMTS 2004展会上相当引人注目。该机床的特色是有一个可编程的旋转工作台和比正常旋转范围下限多25度、上限多15度的CNC主轴头。该机床能装备传统枪钻、STS (单管系统)型式的钻头，或两种钻头都装