模具制造工藝第四章

02023/9/3第四章模具制造的其他方法第一節(jié)超聲波加工一、超聲波拋光的工作原理及超聲波拋光加工機的結(jié)構(gòu)

1.超聲波拋光的工作原理2.超聲波拋光機的結(jié)構(gòu)

手持式超聲波拋光機的外形如圖4?2所示。超聲波拋光機主要由超聲波發(fā)生器、機械換能器和機械振動系統(tǒng)三部分組成，如圖4?3所示12023/9/3第一節(jié)超聲波加工手持式超聲波拋光機的外形如圖4-2所示。超聲波拋光機主要由超聲波發(fā)生器、機械換能器和機械振動系統(tǒng)三部分組成，如圖4-3所示。使用時將兩片疊在一起，陽極在中間，陰極在兩側(cè)，用螺釘夾緊，如圖4-4所示。為了方便引線，常將鎳片夾在兩壓電陶瓷片陽極之間作為接線端片(陽極必須與設(shè)備絕緣)。壓電陶瓷片的自振頻率與其厚薄、上下端塊的質(zhì)量及夾緊力等成正比。22023/9/3第一節(jié)超聲波加工鎳、鈷、鐵及其合金的長度能隨其所處磁場強度的變化而伸縮的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。在生產(chǎn)實際中，可利用疊合純鎳片制成封閉磁路的鎳換能器，如圖4-5所示。在兩芯柱上同向繞以線圈，通入高頻電流可使之伸縮。變幅桿的形式有圓錐形、指數(shù)形和階梯形等，如圖4-6所示。32023/9/3第一節(jié)超聲波加工二、超聲波拋光加工的特點

超聲波拋光具有以下特點:

1)超聲波拋光適用于加工硬脆材料及不導(dǎo)電的非金屬材料。

2)工具對工件的作用力和熱影響小，不會產(chǎn)生變形、燒傷和變質(zhì)層，加工精度可達0.01～0.02mm，表面粗糙度Ra為1～0.1μm。3)可以拋光薄壁、薄片、窄縫及低剛度零件。

4)超聲波拋光設(shè)備簡單，使用和維修方便，操作簡便。

5)由于拋光時工具頭無旋轉(zhuǎn)運動，工具頭可以采用軟材料做成復(fù)雜的形狀，用以拋光復(fù)雜的型孔和型腔表面42023/9/3第一節(jié)超聲波加工三、拋光工藝

(1)拋光余量模具的成形表面在經(jīng)過電火花精加工之后，其超聲波拋光時的拋光余量一般控制在0.02～0.04mm，特殊情況下拋光余量可小于或等于0.15mm。

(2)拋光方式欲使表面粗糙度Ra為1.25～2.5μm的表面拋光后的Ra達到0.63～0.08μm，要經(jīng)過逐級拋光才能實現(xiàn)。52023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工

一、化學(xué)腐蝕加工

1.化學(xué)腐蝕加工的原理和特點

化學(xué)腐蝕加工是將零件要加工的部位暴露在化學(xué)介質(zhì)中，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使零件材料腐蝕溶解，以獲得所需要形狀和尺寸的一種工藝方法。進行化學(xué)腐蝕加工時，應(yīng)先將工件表面不加工的部位用抗腐蝕涂層敷蓋起來，然后將工件浸漬于腐蝕液中或在工件表面涂敷腐蝕液，將裸露部位的余量去除，從而達到加工目的。常見的化學(xué)腐蝕加工有照相腐蝕、化學(xué)銑削和光刻等。

2.照相腐蝕工藝62023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工

照相腐蝕加工是指把所需圖像攝影到照相底片上，再使底片上的圖像經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)，并將其復(fù)制到涂有感光膠（乳劑）的型腔工作表面。經(jīng)感光后的膠膜不僅不溶于水，而且還增強了抗腐蝕能力。未感光的膠膜能溶于水，用水清洗去除未感光的膠膜后，部分金屬便裸露出來，經(jīng)腐蝕液的浸蝕，便能獲得所需的花紋、圖案72023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工3.照相腐蝕對模具成形零件的要求

二、電鑄加工

電鑄加工是利用金屬的電解沉積翻制金屬制品的一種工藝方法。其基本原理與電鍍相同，但兩者又有明顯的區(qū)別，見表4?182023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工

2.電鑄法制模的工藝過程

電鑄法制模是指預(yù)先按型腔的形狀、尺寸做成原模，在原模上電鑄一層適當(dāng)厚度的鎳（或銅）后，將鎳殼從原模上脫下，其外形經(jīng)過機械加工后鑲?cè)肽Ｌ變?nèi)作型腔。其加工的工藝過程如下：92023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工表4-2電鑄成形件的加固方法102023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工

表4-2電鑄成形件的加固方法112023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工圖4-9所示為金屬原模及電鑄脫模架，旋轉(zhuǎn)脫模架的螺釘，就可以將原模從電鑄件中取出。3.電鑄法制模示例

某儀表殼塑壓模型腔的電鑄成形工藝過程見表4—3122023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工表4-3儀表殼塑壓模型腔電鑄成形工藝過程132023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工表4-3儀表殼塑壓模型腔電鑄成形工藝過程142023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工三、電解加工

1.電解加工的基本原理和特點152023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工2.型腔電解加工工藝由于電解加工可以使用成形的工具電極加工形狀復(fù)雜的型腔，生產(chǎn)率高，表面粗糙度值小，其加工精度可控制在±（0．1～0．2）mm范圍內(nèi)，所以在模具制造中多用于精度要求不高的鍛模型腔的加工。表4-4常見金屬的電化當(dāng)量和體積電化當(dāng)量162023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工3.混氣電解加工

混氣電解加工是指將具有一定壓力的氣體與電解液混合后，將其送入加工區(qū)進行電解加工，如圖4?

12所示。壓縮空氣經(jīng)噴嘴引入氣、液混合腔（包括引入部、混合部及擴散部），與電解液強烈攪拌成細小氣泡，成為均勻的氣、液混合物，經(jīng)工具電極進入加工區(qū)域。172023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工3.混氣電解加工

混氣電解加工是指將具有一定壓力的氣體與電解液混合后，將其送入加工區(qū)進行電解加工，如圖4-12所示。壓縮空氣經(jīng)噴嘴引入氣、液混合腔(包括引入部、混合部及擴散部)，與電解液強烈攪拌成細小氣泡，成為均勻的氣、液混合物，經(jīng)工具電極進入加工區(qū)域。182023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工4.電解修磨拋光

電解修磨拋光是在拋光工件和拋光工具之間施以直流電壓，利用通電后工件(陽極)與拋光工具(陰極)在電解液中發(fā)生的陽極溶解,以及拋光工具上磨粒的刮削作用來進行拋光的一種工藝方法，其原理與電解磨削相似。電解修磨拋光工具可采用導(dǎo)電油石制造。這種油石以樹脂為粘結(jié)劑與石墨和磨料(碳化硅或氧化鋁)混合壓制而成。為獲得較好的加工效果，應(yīng)將導(dǎo)電油石修整成與加工表面相似的形狀，如圖4-14所示。192023/9/3第二節(jié)化學(xué)及電化學(xué)加工圖4-15為電解修磨拋光裝置的示意圖。工件8被一塊與直流電源正極相連的永久磁鐵7吸附在上面，拋光工具由帶有噴嘴的手柄2和拋光頭3組成，拋光頭連接負極。202023/9/3第三節(jié)擠壓成形一、冷擠壓成形

型腔冷擠壓成形是指在常溫下利用安裝在壓力機上的工藝凸模，以一定的壓力和速度擠壓模坯金屬，使其產(chǎn)生塑性變形而形成具有一定幾何形狀和尺寸的模具型腔。該方法具有制造周期短、生產(chǎn)效率高、型腔精度高、模具使用壽命長等優(yōu)點；但其變形抗力大，需要大噸位的壓力機。型腔冷擠壓成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于小尺寸淺型腔模具及難于進行機械加工的復(fù)雜型腔模具的制造，同時還可以用于有文字、花紋、多型腔模具的加工。

1.冷擠壓方式212023/9/3第三節(jié)擠壓成形2.工作壓力與設(shè)備的選擇

型腔冷擠壓所需的工作壓力與冷擠壓方式、模坯材料及其性能、擠壓時的潤滑情況等許多因素有關(guān)，一般采用下列公式計算222023/9/3第三節(jié)擠壓成形表4-5擠壓深度與單位擠壓力的關(guān)系3.模坯準備

在保證型腔強度的條件下，一般應(yīng)盡量選用含碳量較低的鋼材或有色金屬及其合金材料，如10、20、20Cr、T8A、T10A、4Cr2W8V與鋁及鋁合金、銅及銅合金等作為型腔材料。模坯在冷擠壓前要進行退火處理(低碳鋼完全退火至100～160HBW，中碳鋼球化退火至160～200HBW)，以提高材料的塑性，降低強度，從而減小擠壓時的變形抗力。232023/9/3第三節(jié)擠壓成形

在冷擠壓成形較深的型腔時，為了減小擠壓力，可在模坯上開減荷穴，如圖4-18所示。圖中減荷穴的尺寸為：d1＝(0.6～0.7)d，h1＝0.7h，R≥2mm，r＝1.5～2mm，α＝4°～8°。當(dāng)型腔底部有文字或圖案時，應(yīng)將模坯做成凸起的端面(圖4-19a)，或擠壓時在模坯下242023/9/3第三節(jié)擠壓成形4.工藝凸模和模套冷擠壓工藝凸模的基本結(jié)構(gòu)如圖4-20所示，分為工作部分L1、導(dǎo)向部分L2及過渡部分。252023/9/3第三節(jié)擠壓成形4.工藝凸模和模套冷擠壓工藝凸模的基本結(jié)構(gòu)如圖4-20所示，分為工作部分L1、導(dǎo)向部分L2及過渡部分。262023/9/3第三節(jié)擠壓成形

(2)模套模套的作用是限制金屬的流動方向,以提高材料的塑性和成形精度。模套的結(jié)構(gòu)有兩種，分別為單層模套和雙層模套，如圖4-21所示。272023/9/3第三節(jié)擠壓成形二、熱擠壓成形

熱擠壓成形又稱為熱反印法,是將模坯加熱到鍛造溫度后，將預(yù)先準備好的模芯壓入模坯而擠壓出型腔的方法。熱擠壓成形模具的制造方法簡單、周期短、成本低，所形成的型腔內(nèi)部纖維連續(xù)、組織細密，因而耐磨性好、強度高、使用壽命長。但由于模坯加熱溫度高，尺寸難以掌握，易出現(xiàn)氧化等缺陷，所以熱擠壓成形技術(shù)常用于尺寸精度要求不高的鍛模的制造。圖4-22為熱擠壓成形起重吊鉤鍛模示意圖。用吊鉤本身做模芯，用砂輪打磨表面后涂上潤滑劑，放在加熱好的上下模坯之間，施加壓力擠壓出型腔。其工藝過程如圖4-23所示。282023/9/3三、超塑成形

1.模具超塑成形的特點

某些金屬材料在特定的條件下具有特別好的塑性，其伸長率A可達到100%～2000%，甚至更高，這種現(xiàn)象稱為超塑性。

2.常用的超塑性材料及其性能292023/9/3第三節(jié)擠壓成形

凡伸長率A超過100％的材料均為超塑性材料。到目前為止，共發(fā)現(xiàn)一百多種超塑性金屬，大部分已經(jīng)在工業(yè)上得到應(yīng)用，其中以有色金屬為主，如ZnAl22、ZnAl27、2A12、2A16、7A03、7A09等。近年來，我國對黑色金屬特別是模具鋼的超塑性研究已經(jīng)取得了重大突破，如Cr12MoV、3Cr2W8V等就可以用開式擠壓一次超塑成形，但與ZnAl22相比，還有待進一步發(fā)展。302023/9/3第三節(jié)擠壓成形3.型腔的超塑成形工藝

超塑成形加工型腔是指用預(yù)先加工好的工藝凸模，在特定的溫度及速度范圍內(nèi)對超塑性模坯進行擠壓。超塑成形不僅可以成形型腔，還可以用來制造難以進行機械加工的凸模。312023/9/3第三節(jié)擠壓成形322023/9/3第三節(jié)擠壓成形因此，為了獲得理想的形狀，ZnAl22的超塑成形通常在防護套中進行，如圖4-27所示。在防護套的作用下，坯料沿與凸模壓入方向相反的方向流動，且流動時與防護套內(nèi)壁緊密貼合，從而提高了型腔的尺寸精度。

332023/9/3第三節(jié)擠壓成形342023/9/3第四節(jié)鑄造成形一、鋅合金模具的制造

鋅合金是以高純度(99．99％)鋅為基體的鋅、銅、鋁的三元合金，含有少量的鎂，又稱鋅基合金。用鋅合金材料制造的模具稱為鋅合金模具。由于鋅合金的熔點低(380℃)，鑄造性能好，并具有一定的強度，因此鋅合金模具常用鑄造成形。目前，鋅合金模具已廣泛應(yīng)用于批量較小產(chǎn)品的生產(chǎn)，特別是在新產(chǎn)品的試制、老產(chǎn)品的改型中優(yōu)勢尤為明顯。

1.模具用鋅合金的性能

為了提高鋅合金模具的強度、硬度和耐磨性，鋅合金中各元素的質(zhì)量分數(shù)要適當(dāng)。模具用鋅合金材料的主要成分見表4?7。352023/9/3第四節(jié)鑄造成形2.鋅合金模具的制造工藝

按模具的結(jié)構(gòu)、用途及工廠設(shè)備條件不同，鋅合金模具的鑄造方法大致分為三種：砂型鑄造、金屬型鑄造和石膏型鑄造。圖4-29所示為采用凸模作鑄型制模法澆注鋅合金落料模的示意圖。362023/9/3第四節(jié)鑄造成形

為了消除澆注熱量和凸模預(yù)熱對模架變形的影響，可采用模外澆注(圖4-30)，即在模架外的平板上單獨將凹模(或凸模)澆注成形然后安裝到模架上去。模外澆注工藝簡單、操作方便，目前應(yīng)用廣泛。372023/9/3第四節(jié)鑄造成形二、鈹銅合金模具的制造

1.鈹銅合金的組成與性能鈹銅屬于特殊青銅，是一種以鈹為主要合金元素的銅合金，又稱鈹青銅。在銅中加入少量的鈹，合金的性能會發(fā)生很大的變化。經(jīng)淬火、人工時效后，具有很高的強度(是強度最高的銅合金，可與高強度合金鋼媲美)、硬度、彈性極限及疲勞強度。此外，鈹銅還具有較好的鑄造性和熱加工性，可通過鑄造、熱擠壓、鍛造、沖壓等工藝制造模具，常用于制造吹塑和注塑模等模具。2.時效強化表4-8鈹銅合金QBe1.9的主要成分382023/9/3第四節(jié)鑄造成形經(jīng)淬火(780℃±10℃，水冷)后，Rm＝500～550MPa，硬度為120HBW，A＝25％～45％；再經(jīng)冷擠壓成形、時效處理(400～450℃，2h)，鈹銅才具有很高的強度與硬度1250～1400MPa，硬度為300～400HBW。

3.合金熔煉與鑄造工藝鈹是一種有毒金屬。鈹銅合金熔煉時吸氣性很強，且鈹、鈦在高溫下極易被氧化而形成夾雜。熔煉銅合金時，爐氣中有氫氣、氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和二氧化硫等多種氣體。這些氣體能以各種形式與銅熔液發(fā)生作用，使合金內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，對模具質(zhì)量產(chǎn)生十分不利的影響。為了降低對模具質(zhì)量的影響和防止鈹化物對人體的危害，一般將鈹銅合金置入真空感應(yīng)爐中進行熔煉，鈹以銅鈹中間合金的形式加入。電渣重熔也有助于降低氣孔率和夾雜物質(zhì)的含量。392023/9/3第四節(jié)鑄造成形

圖4-32所示為用金屬模樣澆鑄鈹銅合金的示意圖。其工藝過程如下：402023/9/3第四節(jié)鑄造成形三、陶瓷型鑄造

陶瓷型鑄造是在砂型鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鑄造工藝。陶瓷型由質(zhì)地較純、熱穩(wěn)定性較高的耐火材料制作而成，用這種鑄型鑄造出來的鑄件具有較高的尺寸公差等級（IT8～IT10），表面粗糙度可達10～1．25μm。所以這種鑄造方法也稱陶瓷型精密鑄造。

1.陶瓷層材料

陶瓷型使用的造型材料包括耐火材料、粘結(jié)劑、催化劑、分型劑、透氣劑等。

2.陶瓷型鑄造工藝412023/9/3第四節(jié)鑄造成形

2.陶瓷型鑄造工藝

(1)模樣的制作用來制造陶瓷鑄型的模樣一般需要兩個：一個是用來制造砂套的粗模，如圖4-33a所示；另一個是用來成形型腔表面的精模，如圖4-33b所示。422023/9/3第四節(jié)鑄造成形

3.陶瓷型鑄造模具的特點

陶瓷型鑄造模具與機械加工模具相比，具有如下特點：432023/9/3第五節(jié)合成樹脂模具的制造

1.制造模具的樹脂

制造模具的合成樹脂主要有聚酯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和塑料鋼。

(1)聚酯樹脂常用的聚酯樹脂按工藝性可分為三種類型：澆注型、混煉型和熱塑型。

(2)酚醛樹脂酚醛樹脂是酚類(如