模具制造及检测技术

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1、第3章 模具制造及检测技术模具新技术新工艺概论 书名：模具新技术新 工艺概论 书号：978-7-111- 37615-6 作者：于丽君 出版社：机械工业出 版社 本章应知 1清楚模具制造技术的种类。 2了解各类技术的应用场合。 3了解各类技术的工艺特点。 本章应会 1能够合理选择模具加工 2掌握各类制造技术的简单加工。3.1模具数控加工技术 3.1.1数控机床1、数控机床的定义数控机床是用计算机通过数字信息来自 动控制机械加工的机床。具体地说，数控机 床是通过编制程序，即通过数字(代码)指令 来自动完成机床各个坐标的协调运动，正确 地控制机床运动部件的位移量，并且按加工 的动作顺序要求自动控制

2、机床各个部件的动 作(如主轴转速、进给速度、换刀、工件夹紧 与放松、工件交换、冷却液开关等)的机床。 2、数控机床的组成 数控机床一般由数控系统、伺服系统、主 传动系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装 置组成。图3-1所示为一种较典型现代数控机床的 构成框图。3、数控机床加工特点 1)加工过程柔性好，适宜多品种、单件小批量加 工和产品的开发试制。 2)采用多坐标联动，可加工其他设备难以加工 的零件。 3)加工时工序集中，一次装夹可完成多处加工 ，且不需要钳工划线，生产效率高。 4)应用计算机编程，易于实现产品的计算机辅 助设计和制造(CAD/CAM)。 5)加工零件的质量稳定，精度高，烈性好

3、。 6)改善劳动条件，减轻工人劳动强度。 7)设备昂贵，投资大，对工人技术水平要求 高。 3.1.2模具数控加工的特点 1、模具数控加工的特点 1)模具为单件生产，故数控加工的编 程工作量大，对数控加工的编程人员和操作人员 的要求高。 2)模具的结构部件多，通常有模架、型 腔、型芯、镶块或滑块、电极等部件需要通过数 控加工成形，数控加工工作量大。 3)模具的型腔面一般较复杂，而且对成型 产品的外观质量影响较大，因此在加工型腔表面 时必须达到足够的精度。4)模具部件的加工应尽量安排在一次装夹下完成多个工序，这样可以避免因多次安装造成的定位误差并减少安装时间。合理安排加工次序和选择刀具是提高加 工

4、效率的关键。5)模具的精度要求高，所以在进行数控加工时必须严格控制误差。6)模具通常是“半成品”，所以加工时要考虑到后续工序的加工方便，如为后续工序提供便于使用的基准等。 7)模具材料通常是很硬的钢材，硬度一般在50HRC以上，所以数控加工时必须采用高硬度的硬质合金刀具来加工。8)模具加工中对于尖角、肋条等部位，无法用机加工加工到位，需要进行电火花加工。9)模具加工时应尽量采用标准件，这样可以减少加工工作量。同时在模具设计制造过 程中，使用标准的设计方法，如将孔的直径标准化、系列化，可以减少换刀次数，提高加工效率。 3.1.3数控加工程序编制 1、手工编程 数控加工手工编程一般可分为如下几个步

5、骤： (1)工艺处理 编程人员首先需对零件的图纸及 技术要求进行详细的分析，明确加工的内容及要求。 然后确定加工方案、加工工艺过程、加工路线、设计 工夹具、选择刀具以及合理的切削用量等。 (2)数值计算 根据零件的几何形状、加工路线 和数控系统的情况，计算出被加工几何元素的起点、 终点、圆弧圆心等坐标点，从而计算出刀具运动轨 迹。 (3)编制零件加工程序 根据零件的工艺分析和 数值计算的结果，按照数控机床所使用的指令代码编 制零件加工数控程序。(4)输入数控程序 将零件加工数控程序通过 控制面板上一条条手工键入数控系统，或通过磁 盘读入，或用RS232接口将数控程序输入到数控 系统。(5)试切

6、和修改零件加工程序是否正确，通常采用试切法进 行验证。目前市场上提供的高档数控系统一般带 有切削加工模拟功能，可以在数控系统显示器上 模拟加工情况，如发现错误，及时修改加工程 序。2、数控语言自动编程数控语言自动编程原理 数控语言自动编程原理如图3-2所示，编程人员 根据加工零件图纸和工艺过程，运用专用的数控语言编写 出一个简短的零件加工源程序，并将其输入到计算机中， 经过编译系统进行编译，将之翻译成系统能够识别的目标 程序，然后系统根据目标程序进行刀具运动轨迹计算，并 生成刀位文件，系统根据具体数控机床所要求的指令和格 式进行后置处理，生成相应机床的零件数控加工程序，从 而完成最终的自动编程

7、工作经过检查无误后，通过计算机 与数控机床之间的通信接口，直接传输给数控机床。 3、CAD/CAM系统自动编程 3.2模具高速加工技术 3.2.1高速加工概述表3-1 高速切削和普通切削的速度对照(Kennametal公司提供)注：1WC为硬质合金刀具；PCD为金刚石镀层硬质合金刀具；CBN为立方氮 化硼刀具。21 ft0.3048m。2、高速加工的机理 首先，在高速切削过程中，由于切削速度 足够快，变形只发生在小范围内，会使切削 力小于传统速度的切削力。 其次，高速切削 变形机理在很大程度上与热量有关。随着切 削速度的增加，切屑流受到的阻力减小，从 而使切屑变薄、切削力减小，如图3-4所示。

8、 在进行高速切削时，切屑变形所消耗的能 量大多数转变为热能，切削速度 越高，产生的热量越多，基本切削区的高温有助 于加速塑性变形和切屑的形成。基本剪切区的高 温，会在刀具前刀面和切屑之间的接触面产生一 层极薄的液体，从而增加了塑性流动的速度。切削热分布的估算如下：大约80的热量是切屑的 变形产生的；18的热量产生在切屑和刀具的接 触面上(第二剪切区)；2的热量产生在切削刃 上。产生的热量有三种耗散渠道：大约95以上 的热量由切屑带走；2的热量留在工件上；3 的热量由刀具散热。由此可见，在高速切削时， 主要的切削热将由切屑导出；而工件和刀具的温 升都非常小，因此高速切削也被称为“冷态切削 ”。3

9、、高速加工的特点 与普通加工相比，高速加工具有如下特点。 (1)加工效率高。进给率较常规切削提高510倍，材 料去除率可提高36倍。 (2)切削力少。比常规切削降低30，径向力降低更 明显，这有利于减小工件受力变 形，适合加工薄壁件和 细长件。 (3)切削热少。加工过程迅速，95以上切削热被切 屑带走，工具积聚热量极少，温升 低，适合于加工熔点 低、易氧化和易于产生热变形的零件。 (4)加工精度高。刀具激振频率远离工艺系统的固有 频率，不易产生振动：又由于切削力小、热变形小、残余 应力小，易于保证加工精度和表面质量。 (5)工序集约化。可获得高的加工精度和低的表面粗 糙度，并在一定条件下，可对

10、硬表面进行加工，从而可使 工序集约化，这对于模具加工具有特别重要的意义。 有以下几个方面的因素可以体现高速切削 加工良好的经济性： 1)零件的单件加工时间缩短小。 2)工序的集约化可以在同二台机床上，在 一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和 精加工，此即高速加工用于模具制造的“一次过 ”技术。 3)高速切削加工机床及其他工艺装备价格 昂贵，投资显著增大(一台具有高速加工功能的数 控机床的价格比一台普通数控机床大约高30 100)。为降低加工成本，需要将CAD/AM技术 一体化集成应用，使新产品的开发、设计与制造 周期大大缩短。通过这一途径，新产品的开发制造全周期甚至可以缩短40。高速切削

11、加工可以 突破传统切削加工的禁区，例如切削薄壁机身可 降低民航机的自重与耗油量。 3.2.2高速加工的应用 1、基于高速加工的模具制造系统 近年来，计算机技术、自动化技术、网络 通信技术的高速发展，给现代制造技术准备了技 术条件和奠定了物质基础。现代模具制造能够利 用CAD/CAE/CAPP/CAM技术和数控加工技术有效地 对整个设计制造过程进行预测评估，迅速获得样 品，有利于争取订单、赢得客户，同时节省大量 的模具试制材料的费用，减少模具返修率，缩短 生产周期，大大降低了模具成本。高速切削技术 的发展给模具业注入了新的生机，模具制造现代 化正成为国际模具业发展的一种趋势。国内模具 业也正从传

12、统模具制造模式向着现代模具制造模 式过渡。基于高速加工的模具制造系统如图3-5所 示。 2、高速加工在模具制造中的应用 正是由于高速切削加工具有高效率、高精 度、可直接硬切削淬硬钢、具有良好的经济效益 等优点，特别适合于模具加工，在工业发达国家 已经得到十分广泛的应用，被誉为“第三代制模 技术”。表3-2列出了高速切削加工与传统模具加 工工艺的比较。 1)在模具制造行业，高速加工主要应 用在以下几个方面： 各类模具钢(包括淬硬钢)的直接加工， 特别是半精加工和精加工。 铜电极、石墨电极的高速加工。 产品样件的高速加工。2)高速加工技术在模具行业的应用优势，体 现在以下几个方面： 省去电极准备和

13、加工的时间，不存在刀 具的中间硬化的问题，省去了EDM加工、人 工修模和修配过程。 对于高速切削加工来说，只要改变CAD 和CAM两个步骤就可以随时更改模具的设计 和制造，而不像传统上必须同时更新电极和 EDM加工参数才能更改模具的设计和制造。 用高速切削加工，模具表面的组织结构 没有改变，避免了人工修模产生的表面几何 变形。 4、模具高速加工的工艺要求 高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工 艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程 ，故应用于高速加工的数控自动编程系统CAM系统必须 能够满足相应的特殊要求。 3.3电火花铣削加工 3.3.1电火花铣削加工技术的提出 电火花铣削加工

14、机床高速旋转的主轴带 动棒状或管状电极转动，同时采用多轴联动，进 行电火花成形加工。由于这种电火花加工方法的 电极运动轨迹类似铣削加工，故称其为电火花铣 削加工也称电火花创成加工技术。 电火花 铣削加工技术，是一种替代传统的用成型电极加 工腔体的新技术，它是由高速旋转的简单的管状 电极做三维或二维轮廓加工（像数控铣一样）， 因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电 火花成形加工领域的重大发展。国外已使用这种 技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将 得到发展。 3.3.2电火花铣削加工的原理 电火花铣削加工技术是在一定介质中，利用 两个电极之间产生脉冲火花放电时的电蚀效应来 达到蚀除被加工

15、工件材料的加工技术。电火花加 工设备一般由脉冲电源、放电间隙调节系统、机 床床身和工作液及其循环系统组成。脉冲电源为 电火花加工提供放电能量；放电间隙调节系统的 作用是使电极与工件间维持适当的间隙距离，防 止发生短路和拉弧烧伤等异常情况发生；机床的 作用是给加工过程提供支撑，并使电极与工件的 相对运动保持一定的精度；工作液有助于脉冲放 电，并起冷却作用及间隙消电离，其循环过滤系 统保证蚀除产物的有效排出，以防止工作液中的 导电微粒过多减少绝缘强度，导致脉冲放电转变 为破坏电弧放电，使加工无法正常进行。3.3.3影响电火花铣削加工的因素 对电火花铣削加工加工速度有重要影响的因素是：峰值电 流、脉冲宽度、占空比、放电面积和进给速度。在这些因素中， 峰值电流对加工速度的影响最大，其次是脉冲宽度。我们知道， 提高加工速度的途径在于增加单个脉冲能量，而单个脉冲能量主 要靠加大脉冲峰值电流和增加脉冲宽度。加工电流又常用电流密 度来衡量。电流密度是粗加工中选择加工规准的重要依据，它反 映了加