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工程硕士论文硬币、纪念章压印模具的研究与设计 摘要 l i i ii ii ii i i iii ii ii iiii y 1919 4 7 4 在过去十几年里，物理气相沉积过渡族氮化物涂层以及高级合金钢材料的研究得 到了迅速的发展，其中最早应用于金属表面涂层的是t i n ，由于它们具有高硬度、高 耐磨以及较高的高温稳定性特点而被广泛用于工模具中。同时，高吨位油压机因其保 压时间长、吨位可调范围广也广泛用于纪念章领域。 压印模具与最终产品直接接触，其广泛应用于硬币、纪念章生产压印工序中，模 具材料以及模具结构、制造工艺都是影响生产的重要因素，也关系最终产品质量。本 文通过分析流通硬币和纪念章生产流程，确定了流通硬币、纪念章模具研究与设计的 方向：流通硬币模具选用离子镀在轴承钢( g c r l 5 ) 基体上制备t i n 薄膜，选用真空 炉设备对高级合金钢a s s a b 8 8 材料进行热处理，从而提高模具主要工作部分( 印模) 的寿命；纪念章模具体现市场需求，通过研究与设计模具各组成部分，以达到纪念章 市场异型、高浮雕的需要。 研究与设计使用结果表明，通过在流通硬币印模表面制t i n 薄膜以及用a s s a b 8 8 高级合金钢替代原由印模，印模耐印量从1 0 万枚对模提升至1 0 0 万枚对模；通过 纪念章模具结构的研究与设计，使得模具能适应异型、高浮雕纪念章的要求并用于年 底的生肖系列产品当中。 关键词：硬币纪念章模具印模 a b s t r a c t工程硕士论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt r a n s i t i o nm e t a ln i t r i d e c o a t i n gb yp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n a n d a d v a n c e da l l o ys t e e lm a t e r i a lh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi np a s ts e v e r a ly e a r s t i t a n i u mn i t r i d e w a sa p p l i e di nm e t a ls u r f a c ec o a t i n gf i r s t l y 1 1 1 e ya r ew i d e l yu s e di nm o u l d sb e c a u s eo f t h e i rh i g l lh a r d n e s s ，g o o da b r a s i o na n dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，h i g h t o n n a g ep r e s si sw i d e l yu s e di nm e d a ld o m a i nb e c a u s ei th a sl o n gh o l d i n gt i m ea n di t s t o n n a g ec a nb ea d j u s t e dw i d e l y t h es t a m p i n gm o u l di sc o n t a c t e d 州t 1 1p r o d u c t i o n s ，i tc a l lb eu s e di nt h ew o r k i n g p r o c e d u r eo fc o i na n dm e d a lp r o d u c t i o nw i d e l y t h em o u l dm a t e r i a l ，m o u l ds t r u c t u r ea n d p r o d u c t i o nt e c h n i q u ea r e t h em a i nf a c t o r s i np r o d u c t i o n s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e r e s e a r c ha n dd e s i g no fc u r r e n c yi nc i r c u l a t i o na n dm e d a lm o u l db ya n a l y z i n gp r o d u c t i o n f l o wo f c u r r e n c ya n dm e d a l t i t a n i u mn i t r i d ef i l mi sp r e p a r e d0 1 1b a l lb e 撕n gs t e e l s ( g c r l5 ) b yi o np l a t i n gi np r o d u c t i o no fm o u l do fc u r r e n c yi nc i r c u l a t i o n a d v a n c e da l l o ys t e e l m a t e r i a la s s a b 8 8i sh e a tt r e a t e db yv a c u u mf u r n a c ee q u i p m e n ti no r d e rt oe n h a n c et h e l i f es p a no ft h em a i nw o r k i n gp a r to ft h em o u l d t h em e d a lm o u l dr e p r e s e n t sm a r k e t d e m a n d t h ei n g r e d i e n t so ft h em o u l da r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt om e e tt h ed e m a n d so f t h em e d a lm a r k e t ，w h i c hi sd i f f o r ma n dh i g hr e l i e f t h r o u g ht h ep r o d u c t i o no ft i t a n i u mn i t r i d ef i l mi np r e f a c eo fm o u l a g eo fc u r r e n c yi n c i r c u l a t i o na n dr e p a r a t i o no f o r i g i n a lm o u l dw i t ha d v a n c e da l l o ys t e e lm a t e r i a la s s a b 8 8 ， t h ec a p a c i t yo ft h em o u l a g ei su p g r a d e df r o mo n em i l l i o np e rm o u l dt ot e nm i l l i o np e r m o u l d r e s e a r c h i n go nm e d a lm o u l ds t r u c t u r e ，t h em o u l dc a nb eu s e di nt h ep r o d u c t i o no f t h ea n i m a ls e r i e si nt h ee n do ft h ey e a rw i t ht h ef e a t u r e so fd i f f o r ma n dh i g hr e l i e f k e y w o r d ：c o i nm e d a lm o u l d m o u l a g e 工程硕士论文 硬币、纪念章压印模具的研究与设计 1 绪论 1 1 引言 在人类社会早期，世界许多地方曾使用过海贝作为货币。这种天然货币的使用， 取代了以物易物的原始商品经济。但由于海贝数量有限，跟不上经济的发展，于是人 们用金属制造了商品经济中必不可少的价值标志和流通交换手段货币。u 。 从各国流通货币来看，一般辅币均由金属铸造，我国在小面额人民币上也采用了 金属币材。相对纸币而言，金属流通硬币最大的优点是使用寿命长。我国自1 9 5 7 年 发行第一套金属流通币以来，至今已陆续发行了五套金属流通币。从单一的铝镁合金 到目前的钢芯镀镍、钢芯镀铜、不锈钢等多种材质，期间还发行过白铜、黄铜材质的 硬币。根据我国现有金属资源及国情，逐步形成现有工艺成熟、性能稳定的硬币系列。 随着国内经济的不断发展，对硬币的需求量越来越大，这就对压印模具提出更高的要 求：大幅提高印模耐印量；另外，高浮雕纪念章的大量需求，对压印模具承受较大压 力提出要求，所需压力需要5 0 0 吨甚至1 0 0 0 吨。 1 2 硬币、纪念章压印模具的发展现状 1 2 1 硬币高耐印量印模产生背景 随着现代工业的不断发展，硬币防伪性能需要不断提高，硬币材料作为其重要的 防伪手段，对硬币压印模具提出了更高的要求：增强模具强度，减少磨损，延长使用 寿命；在压印生产过程中，压印工序是产品生产过程中的最后一道工序，模具材料以 及模具制造工艺都是影响产品质量很重要的因素，关系最终产品质量，传统的模具材 料和模具加工方法已不能满足现代化大规模生产的要求，必须从模具加工新工艺入 手，提高模具的使用寿命，也就是提高印模的耐印量。 在流通硬币领域，可不断提高其防伪性能，提高公众对硬币的认可度，最大提升 社会效益，同时，通过控制硬币生产过程中的各个阶段，在目前强调节约型社会的大 环境下，通过提高压印模具耐印量，降低生产成本，提高经济效益。 1 2 2 纪念章模具产生背景 在纪念章市场领域，传统圆形、小直径的纪念章已不能满足市场需求，方型、异 型等不规则产品需求不断增加，在制作纪念章过程中，所需压力不断加大，压印设备 吨位不断加大( 1 0 0 0 吨左右) ，这样对压印模具的承受能力要求更高，根据这种要求， 设计一种压印模具显得迫在眉睫，也很需要。这种压印模具要具备两种特点，一是能 i 绪论工程硕士论文 承受高吨位压力( 最高1 0 0 0 吨) ，二是能满足不同产品的压印要求( 主要针对图纹深 度) 。通过大量的生产实践，选择不同材质、不同形状的纪念章模具，选择合理的工 艺参数，提高自身纪念章生产能力，扩大市场氛围，最大程度扩大市场影响，提高经 济效益，同时，也可为流通硬币生产积累宝贵的经验。乜1 1 3 本文研究的内容和意义 本文简要介绍了硬币压印模具和纪念章压印模具的产生背景，通过背景研究找出 了硬币和纪念章压印模具的研究对象即：硬币压印模具主要提升整体耐印量，纪念章 压印模具主要提升整体结构以适应不断增加的吨位要求，但不管是哪种形式，对模具 的主要工作部分印模都提出了极高的要求。 2 工程硕士论文 硬币、纪念章压印模具的研究与设计 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究 2 1 硬币、纪念章压印模具研究重点 压印模具广泛应用于硬币、纪念章生产过程中，压印工序在产品生产过程中是最 后一道工序，模具材料以及模具制造工艺都是很重要的因素，关系最终产品质量。不 管生产何种规格的硬币，都有大批量生产的特点，就是在纪念章生产过程，随着客户 要求的提高，生产量也很大。我们项目的工作主要围绕：l 、提升压印模具工作部分 ( 印模) 的使用寿命( 耐印量) 并大批量的生产出合格的产品进行，在硬币生产过程 中，传统的印模材料和印模加工方法已不能满足现代化大规模生产的要求，必须从模 具加工新工艺入手，提高模具的使用寿命，一般图纹深度硬币、纪念章比较容易生产， 但两端( 过深或过浅) 还缺乏比较成熟的手段。2 、纪念章的生产情形比较特殊除提 升印模耐印量外，品种丰富，纪念章模具需要根据不同的产品需求进行，压印模模具 适应高吨位的设备性能以及相对合理的工艺参数制定显得尤为重要，特别是批量大、 产品厚度薄、外形不规则纪念章产品有很大的市场需求。本文研究侧重两方面，一、 在流通硬币方面侧重提高印模耐印量，采取在原材料表面增加包覆层提升耐磨性或材 料代替，使印模耐印量从原来的1 0 万枚副提升到1 0 0 万枚副；二是纪念章压印模 具侧重模具承受高吨位压力，对模具结构进行设计，通过大量实验进行验证。 2 2 硬币、纪念章压印模具流程开发 目前我国现行的流通硬币以及各种流通纪念币的印模外形基本上是统一的。 流通纪念币印模流程开发为：元钢专车尖顶、割料尖顶抛光翻压印模车 成模、翻底检修印模专热处理专研磨( 镀氮化钛) - - 成品检验专入库。 2 2 1 硬币印模制作流程开发 下面将流通币印模制作的主要工序情况介绍如下： ( 1 ) 车尖顶、割料。主要是用数控车床来车制尖顶 与割料的。该设备是用数控技术来编制程序进行生产的， 自动化程度较高，而且产品的精度和质量也能得到保证。 操作工人只需将长( 1 3 ) 米，直径x x 的元钢装入机床 的送料装置中，机床就会自动送料至一定的长度，然后 就按顺序车去元钢的外皮，车成尖顶，再割断送入承料 斗，就得到一枚翻压印模的 图2 1 尖项示意图 坯料，称为尖顶。如图2 1 所示：锥度仪一般为x x ；高度h = x xm m ： 直径( 1 ) d = x x m m 。 3 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究 工程硕士论文 ( 2 ) 尖顶抛光。车成后的尖顶面上会留有车刀的痕迹。它将影响翻压印模的花纹 和底面的清晰度以及平整度，因此必须将尖顶进行抛光。目前大多数使用瑞士进1 ：3 的 m p 3 0 2 型抛光机，该设备的自动化程度也较高，开动机器后，只需操作工人依次在设 备的卡盘中放入尖顶，卡盘即抓紧尖顶一方面自转、一方面绕着工作台旋转，在经过 两个抛头时，分别进行粗抛和精抛。当绕工作台旋转3 6 0 。卡盘转到操作人员面前时， 卡盘自动放松，操作人员取出尖顶，检查尖项面的抛光质量，如符合质量要求，则尖 顶抛光就完成了，可送去翻压印模。 ( 3 ) 翻压印模。此工序是印模制作中相当重要的一环，从此工序开始，坯料变成 了模具。我们将经过检查符合各项数据要求的二原模与抛光处理后的尖项在德国进口 的s a c k 6 3 0 翻模机上翻压印模。其操作过程为：将抛光后的尖顶用汗衫布揩净表面， 放入尖项套内，尖顶向上，再将揩净表面的二原模图纹面向下放入导套内，操作翻模 机加压1 2 0 吨 - - 1 7 0 吨左右，卸压后，取出二原模，用顶杆将压成花纹的印模顶出尖 顶套，取出印模，检查图纹的压印质量。 ( 4 ) 车制成模。流通币印模的车制方法为靠模法。即：在车床的车头上安装一只 与流通币印模图纹相同，但呈阳纹的靠模，将待车的流通币印模上的阴纹图纹与靠模 的阳纹图纹对准吻合，摇动尾架的拨盘使活顶针的顶爪顶紧印模的底部，然后根据图 纸的要求，进行切削，使印模的外形符合图纸的各项尺寸要求。靠模法车制成模的示 意图( 如图2 2 ) ： 尹头警模户模活顶针尾架，拨盘 图2 2 靠模法车制成模不恿图 ( 5 ) 半成品检查。对车制成半成品的印模，必须经过全检。对于每一枚印模的图 纹要经过仔细的检查，检查是否有图纹爆缺、重纹、垃圾压入、是否有单边现象，边 部是否有凹缺及毛边等缺陷。对于可修复的缺陷，要进行整修，对于不可修复的印模 则予以报废。对于二原模图纹有爆缺的则要更换二原模。对靠模顶靠出图纹重纹的要 修整靠模。等等。以保证印模图纹的完整。 ( 6 ) 印模热处理。我们所说的印模热处理主要是指对印模的淬火和回火。所谓淬 火是指将钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却 的热处理工艺。淬火工艺的实质是钢材组织的奥氏体化后进行马氏体的转变。所谓回 4 工程硕士论文 硬币、纪念章压印模具的研究与设计 火是指将淬火钢重新加热到a 1 点以下的预定温度，保温预定的时间，然后冷却下来 的热处理操作。回火是紧接淬火的一道热处理工序。一般来说，淬火是提高印模的硬 度，而回火则是消除应力，得到印模的韧性。从严格的意义上说，印模( 钢材) 的使 用状态的组织和性能，是通过淬火一回火共同来实现和完成的。即：通过淬火和回火： 能大大提高钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性和疲劳强度等。上海造币厂的流通 币印模采用的是g c r l 5 钢( 轴承钢) ，模具表面用硼酸进行保护，用箱式炉加温，加 热温度为8 3 0 。c - - - 8 5 0 。c ，保温- - 4 , 时，采用水淬油泠的淬火工艺；然后用干燥箱2 2 0 2 3 0 保温- - + 时，随炉冷却的回火工艺。 ( 7 ) 印模的研磨。研磨是印模生产的最后一道工序，主要是对印模的表面进行处 理，消除各道工序中在模面上所产生的缺陷( 如小孔、垃圾印或碰伤等) 和弧度的变 形，使模具达到一定的粗糙度和合适的弧度。目前上海造币厂在流通币印模的研磨方 法上主要有二种：8 5 1 品印模采用造弧法，8 5 3 品印模采用抛光法，然后镀覆氮化钛 膜。所谓造弧法，就是将印模的表面在一定弧度的盘上用白钢玉粉进行研磨，直至整 个模面全部磨出为止。所谓抛光法，就是将印模先进行修整，消除印模表面的缺陷， 然后进行电化学抛光，再用研磨膏将平面抛光，然后去进行镀覆氮化钛膜处理。， 经过研磨处理的印模，由成品检验合格后就能交付生产车间压印硬币了。 2 2 2 纪念章印模制作流程开发 纪念章的规格品种繁多，从直径来看，小至巾1 0 m m ，大到由1 2 0 m m ：从外形来看， 有圆形，还有长方形和梅花形等各种异形；从工艺来看，有金银镶嵌，也有局部贴金 和局部镀金等。因此，金银纪念币印模的制作相对于流通币的印模要复杂的多。 纪念章印模流程流程开发为： 圆钢- n 料专车尖顶专尖顶抛光专翻压印模专退火处理专复压印模专车成模专 半成品检修专热处理专喷砂专研磨专镀铬抛光成品检验专入库。 1 、车尖顶，制作纪念币印模的钢料是由材料部门根据制模车间要求提供的一定 尺寸的段料。只要用普通车床根据使用要求车成1 2 0 。的尖顶和车平底面就行。 尖顶面要尽可能车得光洁、平整。无明显的车刀痕迹。有条件的最好能将外圆端 面抛光一下，以减少在翻压时垃圾、铁屑压入的可能性。 5 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究 工程硕士论文 2 、尖顶抛光，纪念币印模用的尖顶是在布轮上抛光的。即：将粒状骨胶和t 2 8 0 金钢砂( 也可用氧化硅、碳化矽等磨料) 伴和在一起加适量的水加热熔化后均匀地涂 沫在布轮上，待冷却干涸后，安装在砂轮机上就可使用了。在抛光尖顶时，必须在布 抛轮上顺一定的方向慢慢旋转，直至将尖顶面全部抛光为止。要求在尖顶面上不得有 任何车刀痕迹和凹坑等缺陷。 3 、印模翻压，纪念币印模的翻压一般采用的是开 放式翻压。翻压的设备使用的是油压机。吨位一般在 5 0 0 吨到1 0 0 0 吨。由于是开放式翻压，因此，首先要 找准中心，有经验的老师傅能熟练对准中心，有时也可 借助于哈夫块的辅助工具，能很准确地对准中心。如图 所示( 如图2 3 ) ：即：先将尖项表面揩净后，平放在 油压机的工作台面上，尖顶向上，用二哈夫的工具块夹 住尖顶，在上面放好原模，揩净表面后花纹面向下，然 后夹紧哈夫块，使原模和尖顶的中心重合，接着操纵油 图2 3 尖项对准示意图 压机使原模和尖顶吃上一定的压力，去除哈夫块，再加压力至一定的程度。卸压后检 查花纹压足的情况。对于没压足的部分须通过手工修整的办法进行一些处理，然后将 原模和翻压出一定图纹面的模坯对准图纹后，再次加压，几次反复后，直至图纹的边 部压出为止。 4 、退火处理，翻压至一定程度的印模会产生加工硬度，不利于图纹面的压足。 因此，一般需进行一次退火处理。即：将印模加热到一定温度( 临界点左右) 保温一 定的时间，然后随炉冷却。退火的目的是消除加工硬度。上海造币厂纪念币印模退火 处理是用炭灰保护后放入在箱式炉内加热或在保护气氛下、或真空状态下加热。一般 是加热到8 2 0 ，保温二小时，然后随炉冷却，至第二天上午才从炉子中取出，再在 空气中冷却至室温。将模具表面用稀盐酸清洗后揩干净j 再去复压。 5 、印模复压，在复压之前必须检查图纹是否压足，对于没压足、或不易压足之 处必须经过手工的整修和处理。然后用原模与经退火的印模对准图纹后，放到油压机 上再次加压，直至图纹压足为止。 6 、车成模，纪念币印模一般是用校调车的方法车制而成。即：将纪念币印模的 坯料用四爪卡盘夹紧，以印模图纹的内径和平面为依据逐步校正圆心和平面，然后按 图纸要求车准印模各部位的尺寸。 7 、半成品检修，纪念币印模的检修基本上同于流通币印模的检查，即必须全检， 同样必须检查一些常见的缺陷，并加以修整。主要的区别点是：因为纪念币的品种繁 多，各种图案经常变动，所以检查时要格外的仔细，有时要对照模卡认真检查，不能 让一丝差错疏漏进入下一工序。 6 工程硕士论文 硬币、纪念章压印模具的研究与设计 8 、热处理，纪念币印模的热处理同流通币印模的热处理基本一样。也是先进行 淬火，然后再回火。区别点是纪念币印模，我厂目前采用了气氛炉进行淬火，用氮气 进行表面保护，它的好处是表面的氧化或小孔等缺陷的发生率可大大降低，对于提高 热处理质量有好处。纪念币印模的回火有时采用铁板加热法，凭经验根据模具表面色 泽的变化来判别回火的程度。 9 、研磨，金银纪念币印模的研磨是为了使印模上凹陷的主体浮雕图具有细腻的 凝霜表面。而使印模的平面部分都研磨成镜面，通过霜面和镜面的对比，使图案能产 生完美的艺术效果。 ( 1 ) 喷砂，金银纪念币印模在研磨前首先要作喷砂处理。喷砂的目的是清除模面 的污垢，使模面的图纹具有银霜的效果，消除图纹内的金属折光而使图纹的浮雕更具 立体感与研磨后的镜面形成强烈的对比。 喷砂的方法是通过专用的喷砂机，在压缩空气的作用下，将金刚砂通过喷枪口喷 射到模具表面。要求是喷砂要均匀，整个模面全都要喷到。 喷砂的材料一般采用w 2 8 的金刚砂，有时也可根据印模图纹的要求而使用不同粒 度的金刚砂。除了喷砂，还有喷丸的工艺处理。所谓喷丸就是将金刚砂换成玻璃丸。 喷丸的优点是霜面效果比较柔和，不像喷砂那样沉闷，现在被广泛地应用于金银纪念 币印模生产中。 ( 2 ) 打磨，在整个印模生产过程中某些工序会造成模面的不平整或会产生一些小 的缺陷。在正式研磨之前，我们还要用油石对模面进行打磨，即：磨平模面，同时修 整一些小缺陷，为正式研磨打好基础，作好准备。 ( 3 ) 研磨，研磨的工具我们采用吊马达。研磨的抛轮分为硬抛轮和软抛轮两种。 抛轮用羊毛毡制成。研磨材料我们采用合成钻石研磨膏。粗抛采用w l o ，精抛采用w 5 。 一般采用硬抛轮进行粗抛光，抛到一定程度再用软抛轮进行精抛光，直至模面抛到镜 面为止。在抛光时要注意镜面的平整度，并不能将花纹图案抛成缺损，也不能抛成花 纹变浅等。有时在抛光时将图纹也抛亮时则要作补喷砂处理。 ( 4 ) 清洗，清洗的目的是为了消除在研磨和喷砂过程中粘附在印模图纹与模边的 研磨剂和金刚砂粒，使印模模面保持清洁，为镀铬作好准备。 清洗的设备为超声波发生器及清洗槽，清洗剂的配方为氢氧化钠、水玻璃、洗洁 精及水等。清洗温度为4 0 - - 5 0 ，清洗时间1 2 分钟即可。 ( 5 ) 镀铬，纪念币印模模面的镀铬处理是为了使模面增加光泽性，使压出的纪念 币霜面和镜面具有更强烈持久的对比效果，同时也是为了增强模面的硬度，增加耐磨 性，从而提高印模的耐印量。 镀铬之前，一般要作除油处理。镀铬溶液由铬酐，硫酸，三价铬组成。溶液温度 一般掌握在4 6 - - 5 2 。阴极电流密度一般为( 6 5 - 8 0 ) a d m 2 。镀铬时间一般为( 1 5 7 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究工程硕士论文 3 0 ) 分钟。镀铬后的印模要求色泽均匀，不得有黑斑( 发暗) ，也不能有镀焦( 发木) 的现象。对于质量不合格的印模可退铬后进行重镀。 ( 6 ) 精抛，印模经镀铬后，镜面的光亮度总要受到一定的影响，因此必须经过精 抛，使模面达到镜面应有的光亮度。精抛的材料一般用绿油，抛轮采用软抛轮。在抛 光时要注意不能抛亮印模的图纹。精抛后要再次用超声波清洗模面，并用丙酮和药棉 揩净印模的模面。 2 3 硬币、纪念章压印流程研究 压印流程是造币生产中的主要工序，也是造币的核心部分。 硬币压印也是冷冲压加工的一种形式，其工作原理是利用预先制作好的硬币模 具，通过压印机对金属坯饼施加压力，使金属坯饼发生塑性变形，从而在坯饼两平面 压印出合乎要求的硬币花纹图案。 硬币的两面一般都有一定的花纹图案，外缘周边有丝齿，压印是在封闭式的压印 模具中完成的，以免金属被挤压出模具腔外面。 当金属坯饼进入模圈后，上、下印模同时对坯饼施加一股力，进行压印，由于印 模都是凹面反花纹，当金属坯饼受到上下压力后，径向受到模圈的限制，只能向印模 凹面花纹的空隙处流动与填充，随着压力的不断增加，金属坯饼的体积形状发生了变 化，表面呈现出凸起的的花纹图案，而边部在模圈的挤压下压出了丝齿、字样，这一 过程一直延续到花饼表面图纹清晰饱满后才逐渐退回，由下模将花饼推送出模圈送入 出口盘，从而完成一次压印过程。 要压印出合格的硬币，必须要有合格的印模与坯饼，并在压印过程中控制好合适 的压印力。 硬币是印模的“翻版 ，由于坯饼是金属合金，具有一定的硬度，要使印模能在 坯饼上压印出满意的硬币花纹图案，印模的硬度一定要比坯饼的硬度要高，否则印模 就会在压印过程中发生“塌模 现象，甚至损坏无法压印。因此，印模和坯饼在压印 前都必须进行必要的热处理( 软合金的坯饼除外，如l f 2 铝合金、纯铝等) 。印模是 通过热处理来提高其硬度，而坯饼是通过热处理来降低其硬度。因此，当制作印模的 材料一定时，模具的热处理就成了关键，如模具的淬火层过浅，模具表面硬度不够， 在压印时就容易“塌模”，如果淬火层过深，模具变得硬而脆，在压印时就容易“脆 裂”。其次，模具的制作精度也非常重要，其主要表现在上下模与模圈的配合上是否 符合技术要求。由于模具质量问题而造成的硬币废品主要有：饼面偏、塌模( 图案花 纹模糊) 、裂模、砂眼等。 金属坯饼通过压印机后就成了成品，即通常所说的硬币。硬币的直径要比坯饼的 直径要大一些，这是因为金属在压印力的作用下向坯饼径向伸延的结果，也就是坯饼 r 工程硕士论文硬币、纪念章压印模具的研究与设计 的形状体积发生了变化，因此这是在设计坯饼直径和设计制作印模、模圈时必须考虑 的问题。坯饼的边形对硬币的压印质量也有很大的影响。目前，对于造币坯饼究竟采 用什么样的边形最有利于压印，尚缺乏足够的理论依据，从各造币厂来看，所采用的 坯饼边形也不完全相同，有呈蛇头式的多边形边形，也有呈圆弧形的边形等，圆弧半 径的大小不一。由于每种硬币的材质不同，成品周边宽窄度不一，压印时金属的塑性 及需要补充的金属量就不同。因此，每种硬币坯饼的边形在设计时就不可能完全相同。 在实际生产中，当确定一种坯饼边形之前，往往要通过多次试验对比，在总结以往生 产实践的基础上，寻求最佳的坯饼边形，以求能压印出完美的硬币。再有，金属坯饼 的厚度及其公差对压印质量也有影响，主要反映在硬币的单枚质量上。所以说，合格 的金属坯饼是压印出理想硬币的重要因素。 2 4 硬币、纪念章压印过程中金属塑性变形研究 金属压印，它本质上是将金属材料( 坯饼) 的一部分或全部体积在限定范围内加 以重新分配。其特点使整个金属材料( 坯饼) 体积受到不均匀的压力以达到变更表面 形状的目的，它是将大部分金属材料( 坯饼) 压在上下两个印模平面之间，减薄了金 属材料( 坯饼) 的厚度，使挤出的金属材料填补到印模的图纹凹处。 压印可分为封闭式压印和开放式压印两种，它们的变形机理及过程基本相同，区 别在于封闭式压印是金属材料( 坯饼) 在上下印模和模圈之间受压完成产品( 硬币) 的压印，不产生有“飞边 ，产品( 硬币) 不需要再进行加工即可使用；但它对印模、 模圈、设备及坯饼的要求比较高。而开放式压印不采用模圈，金属材料( 坯饼) 是在 上下印模之间受压完成产品的压印，产品边部会同时出现一圈“飞边 ，需要进一步 加工把飞边除去。般封闭式压印适用于压印规格比较小、单枚质量精度要求比较高 而产量又比较大的产品连续生产。开放式压印适用于压印规格比较大、单枚质量精度 要求不高而产量不很大的产品生产。h 1 图2 4 封闭压印示意图 9 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究 工程硕士论文 以下以流通硬币、金银纪念币( 章) 封闭式压印来分析压印过程。流通硬币的压 印是将坯饼通过压印机、模具压成正反面都有图纹，边部有丝齿或字样、或平边的产 品。它不仅对坯饼的直径、边部形状、厚度要求比较高，而且对模具( 印模、模圈) 和设备要求亦很高，它是采用封闭式压印方式完成的，以免金属被挤出模腔外。( 见 图2 4 ) 坯饼进入模圈后，上、下印模同时对坯饼施加压力，由于上、下印模都是凹面图 纹，当金属( 坯饼) 受到一定压力后，产生了塑性变形，但由于受到径向阻力( 模圈) 的限制，只能向印模的凹面图纹的空隙处流动与填充。随着压力的不断增加，金属体 ( 坯饼) 表面形状发生了变化，表面呈现凸起的图纹，而边部在模圈的挤压下也压出 了丝齿或字样，这一过程一直延续至金属体表面图纹清晰饱满后压力才回退。经过压 印后的金属体，我们称之为花饼或成品。然后由下印模将花饼推出模圈送入出口盘， 从而完成一次压印过程。 这一过程分为两个阶段：即弹性变形阶段和塑性变形阶段 弹性变形阶段：坯饼进入模腔后，在上、下印模同时压力作用下，( 模具上下模 一般有一定的弧度) 坯饼边部凸缘及中央首先发生弹性变形，并逐渐扩展至整个坯饼， 此时如果将压力退回，坯饼恢复原来形状。 塑性变形阶段：当上、下印模继续压迫金属体，其作用力超过了金属体( 坯饼) 的屈服强度时，金属体即开始发生塑性变形。由于坯饼周边受到径向阻力( 模圈)的 限制，金属只能向上、下印模的凹面图纹处流动，直至凹面图纹完全填满，这一塑性 变形过程才宣告完成。 在压印过程中，硬币花纹图案的清晰饱满程度主要靠调节下( 上) 印模来控制， 也就是通常所说的调整压力。有时往往由于压力不足，金属填充不充分，从而使得压 印出来的产品图纹模糊不清，造成废品。同样当压力过大时，金属会沿着上、下印模 与模圈的间隙中流出，造成通常所说的“起线 产品，也会造成废品。而且压力过分 大时还会造成压印机“闷车 现象，严重时会损坏设备。 2 5 硬币、纪念章压印过程中产品材质性能分析 2 5 1 纪念章产品材质性能分析 纪念章产品因其数量少，纪念价值高，其材质不同与流通硬币材质，通常是金、 银等材质，同时纪念章产品图纹深度高，压印吨位要求大，所以对金、银材质相关性 能的了解并分析显得尤为重要。 1 0 工程硕士论文 硬币、纪念章压印模具的研究与设计 金、银金属统称为贵金属。在地壳中贵金属的含量极少，而且分散。在自然界 中，它们都能以金属态存在，主要以化合物存在。由于开采和提炼都比较困难，所以 价格昂贵，显得非常贵重。 1 、金 ( 1 ) 金的物理化学性质 金为化学元素周期表中的第1 族元素，元素符号为a u ，金在2 0 c 时的密度为 1 9 3 2 克厘米3 ，金的熔点为1 0 6 4 4 3 c 。纯金为金黄色，金的颜色随杂质的含量而 改变，例如：银与铂使金的颜色变浅，铜能使其颜色变深，而当7 8 的金和2 2 的铝 结合在一起时，其颜色就变为紫色了。 金具有美观的金黄色光泽，化学稳定性很好，在加热时不变色，具有良好的抗氧 化性。金的延展性极好。1 克纯金可以拉制成长达3 4 2 0 米以上的细金丝，可以压制 成厚度为0 2 3x1 0 吨毫米的金箔。 金的挥发性很小。在1 0 0 0 - - - - 1 3 0 0 之间，金的挥发量时微不足道的，金的挥发 速度与加热时周围气氛有关。金的挥发速度和金中的杂质也有极大的关系。 金的化学性质十分稳定。金在低温或者高温时都不会被氧直接氧化。常温下，金 与单独的无机酸( 如盐酸、硝酸、硫酸) 均不起作用，但混酸一如王水( 三份盐酸和 一份硝酸) 能很好地溶解金。 金具有良好的导电及导热性能。金的电导率仅次于银和铜，在金属中具第三位。 金不仅能与其它贵金属组成合金，而且还能与许多其它金属组成合金或化合物，因此， 金也能富集在这些金属当中，常见的合金有：金银合金、金铜合金、金银铜合金。由 于合金元素的作用不同，合金的特性( 包括加工性) 差异很大。哺1 ( 2 ) 金的用途 金由于具有化学性质稳定，重量与外形都不易发生变化，在加热时不变色，具有 良好的抗氧化性，所以，许多世纪以来，它一直是极为理想的造币材料，起着货币金 属的作用。同时，金由于具有耀眼的金黄色光泽，长期以来还被用于制造首饰和各类 高档装饰品。 金也广泛用于电气、电子、宇宙航空和医疗领域。 2 、银 ( 1 ) 银的物理化学性质 银也属于化学元素周期表中的第1 族元素。在2 0 c 时，银的密度为1 0 4 9 克厘 米3 ，银的熔点为9 6 1 9 3 c 。纯银是一种银白色的金属，具有强烈的金属光泽。 在所有的金属中，银对白色光泽的反射性最好，导电性及导热性最高。 在贵金属中，银的密度小，熔点低，但产量大，价格便宜。 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究 工程硕士论文 在潮湿的空气中，银容易被硫的蒸气及硫化氢所腐蚀，生成硫化银，使表面变黑， 人们在检查食物中是否含硫化氢时，利用的就是银的这一特性。 常温下，银在空气中一般不氧化，但在有臭氧存在的空气里易被氧化。银在空气 中加热容易被氧化，在2 0 0 以下时，银能与氧作用生成氧化银，超过2 0 0 时，氧 化银就开始分解，温度越高，氧化银的分解速度就越快，到4 0 0 时便出现明显的分 解。因此，银在高温下是不可能生成氧化物的。嘲 ( 2 ) 银的用途 长期以来，银及其合金主要被大量用作货币、装饰品、镶牙和餐具。随着科学技 术的发展，银的用途也越来越广，现在主要用于制造感光材料和电工器材。在电镀、 仪器仪表、化工、电话和医疗器材等方面也大量地用到银。 银由于易硫化而导致变色，目前仍然没有一个很好的解决方法，已经研究过添加 特定的金属来提高银的抗变色能力。采用这个方法比较容易能抑制银的硫化变色，工 业上用的银铜合金通常在空气中不是形成银的硫化物，而是铜的氧化物和铜的硫化 物，其它银合金也又类似的特性。制备抗变色性能好的银合金时，为了不影响银的本 色，金属的添加量应适当。通常的抗变色保护法是在银表面喷镀一层薄膜，如铬酸钝 化法、硫酸衍生物吸附或化学吸附法等，但都容易破裂，只能在一些供储存、鉴赏用 的纪念币、纪念章及装饰工艺品上进行喷镀。表面涂以透明清漆作为抗变色保护层， 仅对一些日用器件有成效，对于电子元件来说，镀以薄层金则是比较可靠的措施。1 2 5 2 硬币材质性能分析 1 、铝 铝是一种银白色的轻金属，具有密度轻，易加工，导电导热性好等一系列的良好 性能。9 9 5 的工业纯铝的熔点为6 5 8 ，在2 0 时，铝的比重为2 7 克厘米3 。铝 比钢铁轻得多，有很好的强度和塑性，而且容易加工，还有比较好的抗腐蚀性和光亮 的颜色。因此，铝及其合金在现代工业上得到广泛的应用。 铝在化学上是十分活泼的元素，它与氧的结合极为紧密。所以，在自然界里尽管 发现有两百多种含铝的矿物，但是却没有发现过天然的金属铝。 ( 1 ) 纯铝 在纯铝中，铁和硅是常存的杂质，其次是铜、镁、锌、锰、钛等。这些元素对铝 的组织和性能均有一定的影响。 铁和铝能形成硬而脆的针状化合物f e h l 。，可使铝的强度略有提高而使其塑性降 低。硅在铝中以纯硅形式存在，和铝不形成化合物，硅的存在使铝的强度略有提高， 而塑性降低。如果铁和铝同时存在，可能形成硬而脆的三元化合物q 、b 相。这些杂 1 2 工程硕士论文硬币、纪念章压印模具的研究与设计 质均使铝的塑性降低，耐蚀性和导电性变差。铁和硅的比例不当，能引起铸锭产生裂 纹，一般应控制在f e ：s i l 的范围。 ( 2 ) 铝合金 在纯铝中加入其它金属或非金属元素所形成的合金，不仅仍能保持纯铝的基本性 能，而且由于合金化作用，使铝合金获得良好的综合性能。 根据生产方法的不同，铝合金可以分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。按照合 金的性能和用途，变形铝合金可分为：包覆铝( l b ) 、防锈铝( l f ) 、硬铝( l y ) 、锻 铝( l d ) 、超硬铝( l c ) 、特殊铝( l t ) 、钎焊铝( l q ) 七大类。根据热处理特性，变 形铝合金可以分为热处理不强化铝合金和热处理强化铝合金两大类。按照所含主要合 金元素的不同，可将常用变形铝合金分成纯铝系、铝锰系、铝镁系、铝铜镁系等合金 系。用于造币材料的铝合金，主要是铝镁系合金。h 1 铝镁系合金属于热处理不强化的铝合金。合金的密度小，强度也比纯铝和铝锰系 合金高，疲劳强度和焊接性能好，耐蚀性好，它与铝锰系合金统称为防锈铝合金。 铝镁系合金的主要成分是镁，并添加少量的锰、铬、钛等元素，镁能强化固溶体， 并能使合金具有高的塑性。目前，大量生产的的铝镁系防锈铝含镁量在o 8 7 ，5 之 间，含镁量再高时，虽然强度和硬度提高，但塑性降低，压力加工困难，易产生压裂 现象。有时铝镁系防锈铝加入少量的锰( 0 2 - - 0 8 ) ，可稍许提高合金强度，并能防 止晶粒长大。铁和硅、铜、锌均为有害杂质，均会降低其耐蚀性。 铝镁系合金比纯铝还轻，有较高的强度、塑性和耐磨耐蚀性，广泛使用于航空工 业和其它工业中。铝镁系合金的主要牌号有：l f l 、l f 2 、l f 3 、l f 5 、l f 6 、l f 7 、l f i o 、 l f ll 等，目前用于制造流通硬币的铝合金，其化学成分与l f 2 牌号相似。 2 、铜及其铜合金 。 铜是人类认识和使用最早的金属之一，在我国有着悠久的历史。铜具有极为重要 的物理化学性能，在现代工业和人们的日常生活中占有极为重要的地位，铜在自然界 中的分布相当普遍，是仅次于铁的使用最广泛的金属。 高度的导电性、导热性和良好的可塑性，很少被氧化，并能与其它金属形成一系 列有相当价值的铜合金，这一切使其重要性在所有的有色金属中占据首位。 将铜用于造币已有数千年的历史了，我国早在春秋战国以前就已经用青铜铸币， 历经数千年的沧桑，一直沿用下来。时至今日，世界上许多国家仍然采用铜及其合金 作为造币材料，尤其是含铜7 5 和镍2 5 的镍白铜使用面最广，在世界上有4 0 以上 的国家和地区使用。这是因为镍白铜的白色色泽与银类似，并且具有良好的耐磨性、 耐蚀性和可加工性，特别受到人们的欢迎。 ( 1 ) 紫铜 2 硬币、纪念章压印模具关键技术研究工程硕士论文 纯铜通常呈紫红色，也称为紫铜。纯铜的密度为8 9 克厘米3 ，熔点为1 0 8 4 5 。纯铜的强度和硬度较低，但其塑性高，导热性好，可以进行焊接和钎焊。纯铜具 有优良的物理特性，但由于纯铜的铸造性能差，机械性能低，通常不用纯铜制造成型 零件。 工业纯铜中加入其它合金元素组成以铜为基体的铜合金，其综合性能要比纯铜高 得多。可以说，铜合金的综合性能决定于纯铜，但又高于纯铜。因此。在造币生产中 广泛应用的不是纯铜，而是以铜为基体的铜合金。 ( 2 ) 黄铜 以锌作为主要添加元素的铜合金统称黄铜，具有美观的金黄色泽。铜锌二元合金 称为普通黄铜，三元以上的黄铜称为复杂黄铜。 黄铜的塑性较好，容易承受各种冷、热压力加工，但随着含锌量的增加，强度增 大，塑性急剧下降。黄铜很容易承受压力加工，以各种半成品材料供应( 如用于造币 的h 6 8 、h 7 0 、h 9 6 黄铜等) 。黄铜中的主要杂质是铋和铅。 黄铜色泽美观，加工性能好，耐腐蚀，机械性能比纯铜高，价格比纯铜低，用 途很广。不足的是，黄铜用于制造硬币，在大气中比较容易变色。 为了改善普通黄铜的性能，时常添加些其它元素，如铝、镍、锰、硅、铅等， 这就是复杂黄铜，分别称为铝黄铜、镍黄铜、锰黄铜、硅黄铜和铅黄铜等。复杂黄铜 中合金元素的加入量不多，但能使黄铜的机械性能、耐腐蚀性能及铸造性能得到显著 提高。 黄铜一般不能热处理强化，和纯铜一样，为了提高强度，通过加工硬化来达到。 为了提高黄铜的塑性，需要在5 0 0 - - 7 0 0 温度范围内进行退火。含锌高的黄铜，冷变 形时需进行2 5 0 - - 3 0 0 的低温退火。 ( 3 ) 白铜 以镍为主要添加元素的铜合金称为白铜。铜镍二元合金称为普通白铜，加有锰、 铁、锌和铅等元素的铜镍合金，相应地称为锰白铜、铁白铜、锌白铜和铅白铜等。 铜镍合金具有良好的耐蚀性和中等强度，高的塑性，能进行热、冷态压力加工， 还有很好的导电性能。在造币生产中，含镍2 5 ，铜7 5 的镍白铜是国际公认的造币 的好材料。 锌自铜，就是大家熟悉的康银，它具有高的耐蚀性，美丽的银白色，和相当好的 机械性能，亦是用于造币的好材料。 铝白铜可以热处理强化。除有良好的机械性能和耐蚀性能外，还具有高的抗寒性 和弹性。在低温( 9 0 。k ) 下机械性能不但不降低反而有些提高，这是铁合金所没有的 性能。铝白铜也可用于制造硬币。 工业上著名的锰铜、康铜和孜铜，就是含锰量不同的锰白铜。 1 4 工程硕士论文硬币、纪念章压印模具的研究与设计 ( 4 ) 青铜 最早所谓的青铜仅仅指的是铜锡合金，即锡青铜，它是最古老的铜合金。现在， 除了以锌为主要添加元素的黄铜和以镍为主要添加元素的白铜以外的铜合金均称为 青铜。为了区别起见在青铜前面加一主要添加元素名称，如铝青铜、锰青铜、硅青铜 和铍青铜等。这里主要介绍一下锡青铜。 为实现有效的压力加工，工业上实用的变形锡青铜含锡量不超过7 。锡青铜 有高的耐磨性、机械性能和耐蚀性。线收缩系数小( 不到1 ) ，由于结晶间隔大，易 偏析，合金不致密，机械性能得不到保证，二元锡青铜已很少应用。 锌溶解在锡青铜中不形成新相，能提高机械性能和流动性，减小结晶温度间隔， 改善合金致密程度。铅在青铜内以纯组之形式存在，类似夹杂物，能改善耐磨性和切 削加工性。 锡价格较贵，国外产量不大，很久以前就在研究锡青铜的代用品，我国是富产锡 的国家，应进行详细研究，使其发展。铝青铜、硅青铜均比锡青铜的机械性能高，流 动性好，铝青铜还有高的耐蚀性。 2 6 印模、模圈、坯饼相互配合的设计与研究 印模、模圈、坯饼的相互关系的配