第四章 模具制造技术 刘航

1、正文 主编 第一节超声波加工 一、 超声波抛光的工作原理及超声波抛光加工机的结构 1.超声波抛光的工作原理 图4-1超声波抛光加工原理1超声发生器2超声换能器 3、4变幅杆5工具 6磨料悬浮液7工件 2.超声波抛光机的结构 手持式超声波抛光机的外形如图42所示。超声波抛光机 主要由超声波发生器、机械换能器和机械振动系统三部分组成，如 图43所示 第一节超声波加工 图4-2手持式超声波抛光机外形图 图4-3超声波抛光机的组成 手持式超声波抛光机的外形如图4-2所示。超声波抛光机主要由超声波发生器、机械换能器 和机械振动系统三部分组成，如图4-3所示。 使用时将两片叠在一起，阳极在中间，阴极在两侧

2、，用螺钉夹紧，如图4-4所示。为了方便 引线，常将镍片夹在两压电陶瓷片阳极之间作为接线端片(阳极必须与设备绝缘)。压电陶瓷 片的自振频率与其厚薄、上下端块的质量及夹紧力等成正比。 第一节超声波加工 图4-4压电效应式换能器1压紧螺钉2主端块3压电陶瓷 4导电镍片5下端块6变幅杆 图4-5磁致伸缩效应式换能器 镍、钴、铁及其合金的长度能随其所处磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。 在生产实际中，可利用叠合纯镍片制成封闭磁路的镍换能器，如图4-5所示。在两芯柱上同 向绕以线圈，通入高频电流可使之伸缩。 图4-6变幅杆的形式a)圆锥形b)指数形c)阶梯形 变幅杆的形式有圆锥形、指数形和阶梯形

3、等，如图4-6所示。 第一节超声波加工 二、 超声波抛光加工的特点 超声波抛光具有以下特点: 1)超声波抛光适用于加工硬脆材料及不导电的非金属材料。 2)工具对工件的作用力和热影响小，不会产生变形、烧伤和变质层， 加工精度可达0.010.02mm，表面粗糙度Ra为10.1m。 3)可以抛光薄壁、薄片、窄缝及低刚度零件。 4)超声波抛光设备简单，使用和维修方便，操作简便。 5)由于抛光时工具头无旋转运动，工具头可以采用软材料做成复杂 的形状，用以抛光复杂的型孔和型腔表面。 第一节超声波加工 三、 抛光工艺 (1)抛光余量模具的成形表面在经过电火花精加工之后，其超声波 抛光时的抛光余量一般控制在0

4、.020.04mm，特殊情况下抛光余量 可小于或等于0.15mm。 (2)抛光方式欲使表面粗糙度Ra为1.252.5m 的表面抛光后的Ra 达到0.630.08m，要经过逐级抛光才能实现。 第二节化学及电化学加工 一、化学腐蚀加工 1.化学腐蚀加工的原理和特点 化学腐蚀加工是将零件要加工的部位暴露在化学介质中，使其 产生化学反应，使零件材料腐蚀溶解，以获得所需要形状和尺寸的 一种工艺方法。进行化学腐蚀加工时，应先将工件表面不加工的部 位用抗腐蚀涂层敷盖起来，然后将工件浸渍于腐蚀液中或在工件表 面涂敷腐蚀液，将裸露部位的余量去除，从而达到加工目的。常见 的化学腐蚀加工有照相腐蚀、化学铣削和光刻等

5、。 2.照相腐蚀工艺 第二节化学及电化学加工 照相腐蚀加工是指把所需图像摄影到照相底片上，再使底片上 的图像经过光化学反应，并将其复制到涂有感光胶（乳剂）的型腔 工作表面。经感光后的胶膜不仅不溶于水，而且还增强了抗腐蚀能 力。未感光的胶膜能溶于水，用水清洗去除未感光的胶膜后，部分 金属便裸露出来，经腐蚀液的浸蚀，便能获得所需的花纹、图案。 图4-7照相腐蚀主要工序示意图 第二节化学及电化学加工 3.照相腐蚀对模具成形零件的要求 二、电铸加工 电铸加工是利用金属的电解沉积翻制金属制品的一种工艺方法。 其基本原理与电镀相同，但两者又有明显的区别，见表41。 表4-1电铸和电镀的主要区别 1.电铸加

6、工的原理和特点 第二节化学及电化学加工 图4-8电铸加工1电铸槽2阳极3直流电源4电铸层 5原模(阴极)6搅拌器7电铸溶液 8滤清器9泵10加热器 2.电铸法制模的工艺过程 电铸法制模是指预先按型腔的形状、尺寸做成原模，在原模上 电铸一层适当厚度的镍（或铜）后，将镍壳从原模上脱下，其外形 经过机械加工后镶入模套内作型腔。其加工的工艺过程如下： 第二节化学及电化学加工 表4-2电铸成形件的加固方法 第二节化学及电化学加工 表4-2电铸成形件的加固方法 第二节化学及电化学加工 图4-9金属原模及电铸脱模架1卸模架2原模3电铸型腔 4粘结剂5模套6垫板 3.电铸法制模示例 某仪表壳塑压模型腔的电铸成

7、形工艺过程见表43。 图4-9所示为金属原模及电铸脱模架，旋转脱模架的螺钉，就可以将原模从电铸件中取 出。 第二节化学及电化学加工 表4-3仪表壳塑压模型腔电铸成形工艺过程 第二节化学及电化学加工 表4-3仪表壳塑压模型腔电铸成形工艺过程 第二节化学及电化学加工 三、电解加工 1.电解加工的基本原理和特点 图4-10电解加工示意图1工具电极2工件(阳极)3电解液泵 4电解液5直流电源 第二节化学及电化学加工 2.型腔电解加工工艺 由于电解加工可以使用成形的工具电极加工形状复杂的型腔， 生产率高，表面粗糙度值小，其加工精度可控制在（0102） mm范围内，所以在模具制造中多用于精度要求不高的锻模

8、型腔的加 工。 表4-4常见金属的电化当量和体积电化当量 第二节化学及电化学加工 图4-11电解加工的间隙1工具电极2工件 3.混气电解加工 混气电解加工是指将具有一定压力的气体与电解液混合后，将 其送入加工区进行电解加工，如图412所示。压缩空气经喷嘴 引入气、液混合腔（包括引入部、混合部及扩散部），与电解液强 烈搅拌成细小气泡，成为均匀的气、液混合物，经工具电极进入加 工区域。 第二节化学及电化学加工 图4-12混气电解加工1工件 2工具电极3扩散部 4混合部5引入部 6电解液入口7气源入口 3.混气电解加工 混气电解加工是指将具有一定压力的气体与电解液混合后，将其送入加工区进行电解 加工

9、，如图4-12所示。压缩空气经喷嘴引入气、液混合腔(包括引入部、混合部及扩散部)， 与电解液强烈搅拌成细小气泡，成为均匀的气、液混合物，经工具电极进入加工区域。 图4-13混气电解加工成形效果比较 第二节化学及电化学加工 4.电解修磨抛光 电解修磨抛光是在抛光工件和抛光工具之间施以直流电压，利 用通电后工件(阳极)与抛光工具(阴极)在电解液中发生的阳极溶解,以 及抛光工具上磨粒的刮削作用来进行抛光的一种工艺方法，其原理 与电解磨削相似。 电解修磨抛光工具可采用导电油石制造。这种油石以树脂为粘结剂与 石墨和磨料(碳化硅或氧化铝)混合压制而成。为获得较好的加工效果，应将 导电油石修整成与加工表面相

10、似的形状，如图4-14所示。 图4-14电解修磨抛光 第二节化学及电化学加工 图4-15为电解修磨抛光装置的示意图。工件8被一块与直流电源正极相连的永久磁铁7吸附在 上面，抛光工具由带有喷嘴的手柄2和抛光头3组成，抛光头连接负极。 图4-15电解修磨抛光装置示意图1阀门2手柄3抛光头4直流电源 5限流电阻6工作槽7永久磁铁8工件 9电解液箱10回液管11电解液 12隔板13离心式水泵14滤清器 第三节挤 压 成 形 一、冷挤压成形 型腔冷挤压成形是指在常温下利用安装在压力机上的工艺凸模， 以一定的压力和速度挤压模坯金属，使其产生塑性变形而形成具有 一定几何形状和尺寸的模具型腔。该方法具有制造周

11、期短、生产效 率高、型腔精度高、模具使用寿命长等优点；但其变形抗力大，需 要大吨位的压力机。型腔冷挤压成形技术广泛应用于小尺寸浅型腔 模具及难于进行机械加工的复杂型腔模具的制造，同时还可以用于 有文字、花纹、多型腔模具的加工。 1.冷挤压方式 图4-16开式冷挤压示意图1工艺凸模2模坯3导套 第三节挤 压 成 形 2.工作压力与设备的选择 型腔冷挤压所需的工作压力与冷挤压方式、模坯材料及其性能、 挤压时的润滑情况等许多因素有关，一般采用下列公式计算 图4-17闭式冷挤压示意图1挤压模套2导向套 3工艺凸模4模坯5垫板 第三节挤 压 成 形 表4-5挤压深度与单位挤压力的关系 3.模坯准备 在保

12、证型腔强度的条件下，一般应尽量选用含碳量较低的钢材或 有色金属及其合金材料，如10、20、20Cr、T8A、T10A、4Cr2W8V 与铝及铝合金、铜及铜合金等作为型腔材料。模坯在冷挤压前要进 行退火处理(低碳钢完全退火至100160HBW，中碳钢球化退火至1 60200HBW)，以提高材料的塑性，降低强度，从而减小挤压时的 变形抗力。 第三节挤 压 成 形 图4-18减荷穴的尺寸 图4-19有文字或图案的模坯a)端面有凸起的模坯b)用凸垫反顶成形的模坯 在冷挤压成形较深的型腔时，为了减小挤压力，可在模坯上开减荷穴，如图4-18所示。 图中减荷穴的尺寸为：d1(0.60.7)d，h10.7h，

13、R2mm，r1.52mm，48。 当型腔底部有文字或图案时，应将模坯做成凸起的端面(图4-19a)，或挤压时在模坯下 第三节挤 压 成 形 图4-20冷挤压工艺凸模的基本结构a)型腔b)工艺凸模 4.工艺凸模和模套 冷挤压工艺凸模的基本结构如图4-20所示，分为工作部分L1、 导向部分L2及过渡部分。 第三节挤 压 成 形 图4-21模套的结构a)单层模套b)双层模套 (2)模套模套的作用是限制金属的流动方向,以提高材料的塑性和成形 精度。模套的结构有两种，分别为单层模套和双层模套，如图4-21所示。 第三节挤 压 成 形 二、热挤压成形 热挤压成形又称为热反印法,是将模坯加热到锻造温度后，将

14、预先 准备好的模芯压入模坯而挤压出型腔的方法。热挤压成形模具的制 造方法简单、周期短、成本低，所形成的型腔内部纤维连续、组织 细密，因而耐磨性好、强度高、使用寿命长。但由于模坯加热温度 高，尺寸难以掌握，易出现氧化等缺陷，所以热挤压成形技术常用 于尺寸精度要求不高的锻模的制造。 图4-22热挤压成形起重吊钩锻模示意图 1上砧2上模坯 3模芯4下模坯5下砧 图4-22为热挤压成形起重吊钩锻模示意图。用吊钩本身做模芯，用砂 轮打磨表面后涂上润滑剂，放在加热好的上下模坯之间，施加压力挤压出 型腔。其工艺过程如图4-23所示。 第三节挤 压 成 形 图4-23热挤压成形制造模具的工艺过程 三、超塑成形

15、 1.模具超塑成形的特点 某些金属材料在特定的条件下具有特别好的塑性，其伸长率A可 达到100%2000%，甚至更高，这种现象称为超塑性。 2.常用的超塑性材料及其性能 第三节挤 压 成 形 凡伸长率A超过100的材料均为超塑性材料。到目前为止，共发 现一百多种超塑性金属，大部分已经在工业上得到应用，其中以有 色金属为主，如ZnAl22、ZnAl27、2A12、2A16、7A03、7A09等。 近年来，我国对黑色金属特别是模具钢的超塑性研究已经取得了重 大突破，如Cr12MoV、3Cr2W8V等就可以用开式挤压一次超塑成形， 但与ZnAl22相比，还有待进一步发展。 表4-6ZnAl22的主要

16、成分和性能 图4-24ZnAl22超塑性处理工艺 第三节挤 压 成 形 3.型腔的超塑成形工艺 超塑成形加工型腔是指用预先加工好的工艺凸模，在特定的温度 及速度范围内对超塑性模坯进行挤压。超塑成形不仅可以成形型腔， 还可以用来制造难以进行机械加工的凸模。 图4-25ZnAl22强化处理工艺 第三节挤 压 成 形 图4-26尼龙齿轮型腔的超塑成形过程a)尼龙齿轮b)型腔加工过程 1工艺凸模2模坯3防护套4电阻式加热圈5加固模框 第三节挤 压 成 形 图4-27超塑成形防护套 1防护套2坯料 因此，为了获得理想的形状，ZnAl22的超塑成形通常在防护套中进行，如图4-27所示。 在防护套的作用下，

17、坯料沿与凸模压入方向相反的方向流动，且流动时与防护套内壁紧密贴 合，从而提高了型腔的尺寸精度。 第三节挤 压 成 形 图4-28所示为采用电阻炉作为加热装置维持超塑成形所需温度的原理图。隔热板常采用酚醛 布胶板或环氧布胶板等材料。成形加工时一般不设计导柱、导套，而是通过模口直接导向， 其目的是减小因模具各部位受热不均匀给成形精度带来的影响。 图4-28超塑成形模具及加热装置原理图1、3、6隔热板2、7水冷板4热电偶 5加热炉 8顶杆9下垫板10防护套11顶板12模坯 13凸模14固定板15上垫板 第四节铸 造 成 形 一、锌合金模具的制造 锌合金是以高纯度(9999)锌为基体的锌、铜、铝的三元

18、合 金，含有少量的镁，又称锌基合金。用锌合金材料制造的模具称为 锌合金模具。由于锌合金的熔点低(380)，铸造性能好，并具有一 定的强度，因此锌合金模具常用铸造成形。目前，锌合金模具已广 泛应用于批量较小产品的生产，特别是在新产品的试制、老产品的 改型中优势尤为明显。 1.模具用锌合金的性能 为了提高锌合金模具的强度、硬度和耐磨性，锌合金中各元素的 质量分数要适当。模具用锌合金材料的主要成分见表47。 表4-7模具用锌合金的主要成分 第四节铸 造 成 形 2.锌合金模具的制造工艺 按模具的结构、用途及工厂设备条件不同，锌合金模具的铸造方 法大致分为三种：砂型铸造、金属型铸造和石膏型铸造。 图4

19、-29锌合金落料模的铸造1模架2凸模3锌合金 4模框5漏料孔型芯6干砂 图4-29所示为采用凸模作铸型制模法浇注锌合金落料模的示意图。 第四节铸 造 成 形 图4-30模外浇注示意图1凸模2锌合金3漏料孔砂芯 4模框5湿砂6平台 图4-31利用冲压件改制样件制模a)冲压件b)改制后的样件c)利用样件浇注 为了消除浇注热量和凸模预热对模架变形的影响，可采用模外浇注(图4-30)，即在模架外的 平板上单独将凹模(或凸模)浇注成形，然后安装到模架上去。模外浇注工艺简单、操作方便， 目前应用广泛。 第四节铸 造 成 形 铍铜属于特殊青铜，是一种以铍为主要合金元素的铜合金，又称 铍青铜。在铜中加入少量的

20、铍，合金的性能会发生很大的变化。经 淬火、人工时效后，具有很高的强度(是强度最高的铜合金，可与高 强度合金钢媲美)、硬度、弹性极限及疲劳强度。此外，铍铜还具有 较好的铸造性和热加工性，可通过铸造、热挤压、锻造、冲压等工 艺制造模具，常用于制造吹塑和注塑模等模具。 表4-8铍铜合金QBe1.9的主要成分 2.时效强化 二、铍铜合金模具的制造 1.铍铜合金的组成与性能 第四节铸 造 成 形 经淬火(78010，水冷)后，Rm500550MPa，硬度为120H BW，A2545；再经冷挤压成形、时效处理(400450，2 h)，铍铜才具有很高的强度与硬度12501400MPa，硬度为30040 0H

21、BW。 3.合金熔炼与铸造工艺 第四节铸 造 成 形 铍是一种有毒金属。铍铜合金熔炼时吸气性很强，且铍、钛在高 温下极易被氧化而形成夹杂。熔炼铜合金时，炉气中有氢气、氧气、 氮气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和二氧化硫等多种气体。这些 气体能以各种形式与铜熔液发生作用，使合金内部产生气孔，对模 具质量产生十分不利的影响。为了降低对模具质量的影响和防止铍 化物对人体的危害，一般将铍铜合金置入真空感应炉中进行熔炼， 铍以铜铍中间合金的形式加入。电渣重熔也有助于降低气孔率和夹 杂物质的含量。 图4-32浇铸铍铜合金示意图1加压装置2铍铜合金凹模 3铸造模框4脱模螺钉 5垫板6母模 图4-32所示为用金

22、属模样浇铸铍铜合金的示意图。其工艺过程如下： 第四节铸 造 成 形 三、陶瓷型铸造 陶瓷型铸造是在砂型铸造的基础上发展起来的一种铸造工艺。 陶瓷型由质地较纯、热稳定性较高的耐火材料制作而成，用这种铸 型铸造出来的铸件具有较高的尺寸公差等级（IT8IT10），表面粗 糙度可达10125m。所以这种铸造方法也称陶瓷型精密铸造。 1.陶瓷层材料 陶瓷型使用的造型材料包括耐火材料、粘结剂、催化剂、分型剂、 透气剂等。 2.陶瓷型铸造工艺 第四节铸 造 成 形 图4-33陶瓷型铸造a)粗模b)精模c)砂套造型d)灌浆e)起模f)喷烧 1砂箱2粗模3水玻璃砂 4排气孔及灌浆孔芯5垫板6陶瓷灌浆7精模 2.陶瓷型铸造工艺 (1)模样的制作用来制造陶瓷铸型的模样一般需要两个：一个是用来制造砂套的粗模， 如图4-33a所示；另一个是用来成形型腔表面的精模，如图4-33b所示。 第四节铸 造 成 形 图4-34陶瓷型铸造的工艺过程 3.陶瓷型铸造模具的特点 陶瓷型铸造模具与机械加工模具