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1、第四章 模具制造,4.1 切削加工,现代模具制造的加工设备其特征是多轴CNC 控制和高精度定位系统，目的是要获得产品的高精度和降低不合格品率。目前，热处理后的工件可通过铣加工，最终强度可以达到2000MPa。各种工艺，如EDM加工型腔，尽量用铣加工代替，这可以缩短加工工艺链。硬度达HRC 62的钢材也能用当今标准的HSC铣床加工。 对于注射和压铸模具，可综合采用铣削和电火化加工方法来加工。由于铣削加工去除材料的能力更大，所以为了缩短加工时间，应使铣削量达到最大。然而，对于复杂的轮廓、薄细形体和深腔要用后续的电火花加工完成，可用HSC切削石墨或铜而得到电极。,当用CNC机床加工零件时，首先根据零
2、件图编写CNC机床用的程序。程序被读进CNC系统中，然后，在机床上安装工件和刀具。并且根据程序运行刀具。最后进行加工。 一台数控机床设定一个特定位置。通常，在这个位置进行换刀和设定编程的绝对零点。这个位置称为参考位置(点)。把刀具移动到参考点，有两种方法：1)手动回参考点；2)自动返回参考点。 下面两个坐标系被指定在不同位置：1)零件图纸上的坐标系。在零件图纸上设定坐标系，该坐标系上的坐标值用作编程数据。2)由CNC设定的坐标系。该坐标系在实际机床工作台上设定。用程序编制从刀具当前位置到要设定坐标系零点的距离设定该坐标系。,按照零件图纸坐标系编制的程序指令，刀具在CNC设定的坐标系中移动，把工
3、件加工成图纸指定的形状。因此，为了正确地把工件加工成图纸指定的形状，两个坐标系必须设在同一位置。根据零件形状、加工数量可以使用简单的方法把两个坐标系设在同一位置。1)使用工件的基准面和基准点。使刀具中心与工件基准点重合，在这个位置上设定由CNC指定的坐标系。2)把工件直接安装在夹具上。使刀具中心与参考点重合，在该位置设定CNC指定的坐标系。夹具应安装在距参考点预先设定的位置。3)把工件装在托盘上，然后把工件和托盘一起装在夹具上。夹具和坐标系的规定与(2)相同。,当进行钻孔、攻丝、镗孔、铣削等加工时，必须选择适当的刀具。给每把刀具赋给一个编号，在程序中指令不同的编号时，应选择相应的刀具。例如，当
4、把01号赋给钻头时，当这把刀具放在ATC的01号位时，通过指令T01可以选择刀具。该功能称为刀具功能。 当开始实际加工时，需要旋转主轴并供给冷却液。为此，需要控制主轴电机和冷却泵的启动停止操作。指令机床部件的启停操作的功能称为辅助功能。通常，该功能用M代码指令。例如，当指令M03时，主轴以指令的主轴速度按顺时针方向旋转。,通常加工一个零件要用多把刀。刀具有不同的长度。根据使用的刀具去更换程序是相当麻烦的。因此应预先测量使用的每把刀具的长度。并在CNC中设定标准刀具的长度和每把刀具的长度之间的差，即使刀具改变了，也不需要更换程序便可实现加工。该功能称为刀具长度补偿。,因为刀具有半径，所以刀具中心
5、的轨迹相对于工件的轮廓偏移了一个刀具的半径。如果刀具半径储存在CNC中的话，刀具可离开加工零件形状为刀具半径的轨迹移动。该功能称为刀具半径补偿。,G代码分为以下两类：1)非模态G代码。G代码只在它的程序段中有效。2)模态G代码。在指令同组其它G代码前该G代码一直有效。,N1 G91G46G00X80.0Y50.0D01;N2 G47G01X50.0F120.0;N3 Y40.0;N4 G48X40.0;N5 Y-40.0;N6 G45X30.0;N7 G45G03X30.0J30.0;N8 G45G01Y20.0;N9 G46X0;N10 G46G02X-30.0Y30.0J30.0;N11
6、G45G01Y0;N12 G47X-120.0;N13 G47Y-80.0;N14 G46G00X80.0Y-50.0;,注塑模具制造中广泛应用深孔钻削(枪钻)，这种方法需要一个特别的机床或用其他机床连接深孔钻削装置，如铣床。钻削在水平面内操作，与普通的钻床或铣床有四个重要的不同： 机床钻孔的深度能够相当大。 钻头支撑可非常接近工件，如同钻削夹具。 钻头的切削刃直接受到压力润滑和冷却。 钻头钻通固体材料，不需预钻。 有两种钻头，区别是内部去屑或外部去屑，外部去屑方法是最常用的。,横截面上的深孔钻,1枪钻材料 钻头的工作端，由硬质合金制成。比高速钢更硬，寿命更长。头部是用铜焊将其焊接在一根长的钢
7、管上，钢管另一端被固定在机床夹头上。工作端全新时约40 mm长，切削刃部可重磨，直到剩余的长度不足以在孔内起导向作用。工作端越短，偏离的危险就越大。2钻头的切削刃 切削刃的角度取决于被切削的材料，短刃大约30、长刃大约20，如图4-12所示。这是麻花钻和深孔钻最明显的区别。没有凿尖刃，但是钻头非常尖锐，明确规定的V形切削刃，围绕着钻头中心和所谓的W形槽旋转，保持钻头在中心上，甚至当切削刃在工件内部离导向套很远处时仍然可以工作。当钻头逐步进入工件时，头部和杆部3 / 4圆柱比麻花钻上非常窄的棱边能提供更好的导向，这就有助于防止钻头偏离。,3钻头定位 采用类似钻削夹具的方法来进行，钻套属于钻头且随
8、钻头一起供货。钻套导向在出屑盒顶端被固定到机器上，出屑盒用来收集返回的冷却液和切屑，并且精确地定位钻头。导向面紧紧对着工件表面固定，以致于通过出屑槽返回的冷却液和切屑能进入出屑盒而无渗漏。 4.切削刃的冷却 钻头在整个长度上有一孔，让冷却液通过高压吸入，冷却液出口正好在切削刃后面，它冷却和润滑钻头，使孔内摩擦最小，冷却液还通过钻头的扇形开口，将切屑冲出。然后冷却液与切屑分离，经过过滤后重新吸入。,枪钻在工件表面的定位,4.2 电火花加工,电火花加工是一种复制成形工艺，在绝缘溶液中通过短暂的、连续的放电而去除材料。碳氢化合物是标准的绝缘体，也可以使用含有可溶有机酸成分的水作为介质。工具电极一般加
9、工成模具的形状，以复制模具轮廓。,在连续的放电冲击下，工件和电极上的材料被加热到熔化或气化温度并在电子或机械力的作用下爆裂开。通过对工艺参数的合理选择，可使工件上的材料去除量远远多于电极上的材料去除量，工具损耗量甚至仅占工件损耗量的0.1%以下。 放电两极都有凹坑产生，其尺寸与放电的能量有关。于是，高放电能量的粗加工和精加工之间应有区别。放电凹坑使模具表面形成特定结构、特定粗糙度，并且呈现席形表面。碎屑从放电间隙中冲走并沉积到容器底部。可将放电动作设计成相对运动，只需要将工具电极和夹具一起抬高很短一段距离便可，提升运动导致间隙里的绝缘体改变。对于平面型腔而言，这种冲洗设计确实足够了。但对于复杂
10、的轮廓，还需要对工件和工具电极加双重压力或吸力冲刷。,在简单的垂直熔蚀中，熔蚀的形状由电极的形状和尺寸所决定。清角加工不易，但行星放电加工的引入使其熔蚀技术得到扩展。行星放电加工是一种在工件和电极之间有相对运动的加工技术，这种相对运动是垂直、偏心和盘旋三种运动的组合，行星放电加工也被称为三维或多维空间技术。,对于任意形状通孔的加工，线切割是相当经济的方法。开敞的型腔壁可以先倾斜，然后进行线切割加工。线切割加工效率很高，在模板上可直接加工型腔。 工件的金属材料在与细丝电极之间在没有接触和机械作用的情况下被切割，电极在数控下像带锯一样穿过金属，去离子水是绝缘液体，通过同轴喷管流入切割区，随后被清理
11、并在分离设备中回收，现代线切割设备已具有5轴CNC高精度定位系统。,4.3 电火花线切割,去离子水比碳氢化合物的优点更多。能产生更宽的火花间隙，从而改善冲洗及整个工艺，淬屑更少，无固体分解物体并且不会产生电弧，从而不容易把线弄断。,4.4 型面整修与抛光4.4.1 模具表面精整与符号,a)表面精整符号与类型 b)精整记号涉及的范围图4-20 图纸上的精整符号,4.4.2 特殊纹理,像篮子编织图案、皮革等纹理是供应商制作的，它是通过化学蚀刻方法将表面部分材料去除而形成的。纹理由参考样本定义，只需标定名称和代码。设计者必须要标识纹理范围以及应用深度。 如图4-22所示，如果产品图上没有清楚标识纹理
12、将会出现问题，图4-22a)中，制品的高度h包括纹理部分，而图4-22b)中，纹理部分在高度h之上。由于纹理的深度通常是0.050.l mm，甚至更大。,a) 纹理深度没有标识,b) 纹理深度d包括在高度h内 c) 纹理深度d凸出于表面图4-22零件图没有标深度d的二义性,1.EDM蚀刻。各种纹理都能被加工成进行电火花加工的电极，这个电极能满足模具表面所要求的精整。在电火花加工工艺中，电极深入到通常已淬过火的模具钢中。 2.EDM 精整。用光滑的电极靠近相配的工件光滑面，就可以进行精整。在整个与电极接触的区域产生均匀的精整，精整的晶粒大小通过控制使用的电流强度掌握。要规定和检查精整的程度，可使
13、用VDI(德国工程组织)颁布的切片比较，虽具有主观影响，大多数应用还是满意的。,EDM精整切片比较,4.4.3 喷砂和蒸汽珩磨,这种精整方法用于机加工和热处理之后，使得无光泽的表面达到模塑面要求。在垂直或接近垂直的模塑面，这样的粗糙度会阻碍顶出。 对于低密度聚乙烯(LDPE)和少数其他塑料(例如聚氨基甲酸酯PU等)的产品，顶出实际可通过模塑表面的一定粗糙度来加以改进。如果需要光面，在喷砂之后还要擦光。这样的粗糙度使用过程中会被磨掉，所以，必要时模具也要表面粗糙化处理，以保证作业时不出现顶出问题。 1.喷砂。四个等级的氧化铝(磨料)是喷砂时常用的，分为80(最粗), #120， #180和240
14、(最细)，喷砂被固定用来清理热处理留下的氧化皮。2.蒸汽珩磨。蒸汽珩磨并不涉及蒸汽。它实际是用手持喷管将非常细的玻璃球吹打到模具表面，采用压缩空气，整个过程用肉眼来控制。当整个表面呈现无光泽时，这个过程即结束。需要处理的地方须在图纸上明确标出。,4.4.4 抛光和擦光,抛光是借助于工具，通过工件上自由磨粒作用，使金属去除的方法。这些方法之间的差距仅在于去除的程度。抛光机和研磨机可获得较规则的表面，要是采用手工精整的话，特别是那些不熟练的操作者，容易造成表面波纹程度加大，甚至给原先平直并不粗糙的表面也增加了波纹。1拉抛。拉抛是采用毡棍，以及和擦光同样的钻石膏沿塑模区域的拉磨方向上运动，工件固定。
15、在与顶出方向成直角方向上车、铣、磨削加工，表面产生的脊起和沟槽，对于顶出会产生严重的问题，在有深槽的地方甚至会阻碍和破坏塑料件成型，这个问题必须通过在可能产生这些问题的模具零件上沿顶出方向的抛光来解决。普通的抛光只能抹平脊起，波纹仍然存在，仍会影响顶出。拉抛影响模具性能。采用最小斜度的模具表面的图纸上，必须规定采取拉抛，附加到产品的精整规格上。2钻石磨料。抛光是借助于工具，使带到工件上的磨料产生作用而使金属分离。磨料常用钻石磨料，用筛孔尺寸划分其级别。,擦光采用手持旋转毡轮和钻石膏#15、#9、#6和#3，工件可旋转也可静止。擦光分为两步，首先是“切削”，通过去除表面缺陷或划痕，使表面精制，从
16、而获得相对平滑的表面。第二步是“着色”，切削过的表面进一步精制，产生最大的光泽。金刚石磨料使用不同工具时的嵌入情况如图4-25所示，图4-26则表示各种磨料的作业过程。 表面材料的去除量取决于植入“工具”中磨料的尺寸。当磨粒切削时，旋转并且逐渐随金属颗粒落下。磨粒植入比较硬的基体，例如木材、铜、铁或钢，在其脱落之前，使模具表面去除更多，但也更有可能使表面刮伤。,图4-25 用软(左)、中等(中)和硬(右)工具将金刚右磨料嵌入淬火钢表面,a)9号磨粒抛光 b)6号磨粒切削 c)3号磨粒着色图4-26不同磨料与毡衬底用于抛光和擦光的不同阶段,由于需要装饰或增加某些功能，经常需要在模具表面加工出纹理，或是出于包装的原因，或是使注塑制品表面抗刮伤和抗磨损（例如羽毛或木材纹理）或是增加舒适的手感，模具纹理也用于掩饰流痕和熔接痕。 电化学腐蚀工艺的基础是金属在酸和盐溶液中的溶解性。金属材料的溶解是材料的微观区域之间或材料与蚀刻介质之间的电压势差的结果。金属原子释放出电子并从金属点阵中以离子的形式逸出，自由的离子在蚀刻介质中，被阳离子和阴离子中和。腐蚀下来的金属和阴离子相结合生成不能溶解的金属盐，然后通过过滤或离心分离从蚀刻介质中除掉。 几乎所有的金属，若没有某些合金元素，如镍或铬的限制，包括不锈钢都可以用化学方法加工或产生纹理。除了钢模具，不含铁的金属模具也可用化学方法处理。,
