模具制造工艺学-课件第4章

第4章模具制造的其他技术12344.1超声波加工技术4.2化学与电化学加工技术4.3型腔的挤压成型技术4.4气相沉积技术54.5热扩渗技术目录64.6快速成型技术9/21/20244.1超声波加工技术4.1.1超声波加工的原理及其特点一般人耳能听到的声波为16～16000Hz，小于16Hz的声波称为次声波，大于16000Hz的声波称为超声波。用于加工和抛光的超声波频率为16000～25000Hz，与普通声波相比超声波具有频率高、波长短、能量大和束射性强的特点。1.超声波加工的原理超声波加工是利用超声频振动的工具端面冲击磨料悬浮液，由磨粒对工件表面撞击抛磨来实现对工件加工的一种方法。图4-1超声波加工原理1—工件；2—工具；3—磨料悬浮液；4、5—变幅杆；6—换能器；7—超声发生器9/21/2024超声波加工适用于加工各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料（如陶瓷、玻璃、宝石、金刚石等），扩大了模具材料的选用范围。1工具可用较软的材料做成较复杂的形状，不需要工具相对于工件做复杂的运动，因此，机床结构简单，操作方便。2由于去除加工材料是靠极细小磨粒的瞬时局部撞击作用，因而工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度较好（Ra1～Ra0.1μm），加工精度可达0.01～0.02mm。而且可以加工薄壁、窄缝、低刚性的工件。32.超声波加工的特点超声波加工的特点如下：9/21/20244.1.2影响超声波加工速度和加工质量的因素1.影响超声波加工速度的因素影响超声波加工速度的因素主要有工具的振幅与频率、工具相对于工件的进给压力、磨料的粒度、磨料悬浮液的浓度和工件材料。1）工具的振幅与频率提高工具的振幅和频率，可以提高加工速度。但过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，降低其寿命。因此，一般工具的振幅在0.01～0.1mm，频率在16000～25000Hz之间。2）工具相对于工件的进给压力加工时工具相对于工件应有适当的进给压力，当进给压力过小时，加工间隙大，磨粒撞击作用弱，会降低生产率；当进给压力过大时，加工间隙小，不利于磨粒的循环更新，也会降低生产率。9/21/20243）磨料粒度磨料粒度高和颗粒大都有利于提高加工速度。使用时应根据加工工艺指标的要求及工件材料合理选用。4）磨料悬浮液的浓度磨料悬浮液的浓度低，加工速度低。随着其浓度的增高，其加工速度也增大，但浓度太高将不利于磨粒的循环和撞击运动而影响加工速度。5）工件材料工件材料越脆，加工速度越快。若玻璃的可加工性以100%为标准，则石英为50%，硬质合金为2%～3%，淬火钢为1%，而锗、硅半导体为200%～250%。9/21/20241工具制造精度2加工深度3磨料粒度4外浇悬浮液法工具制造或安装偏心或不对称时，加工将产生偏振，使加工精度降低。加工深度增加，工具损耗增加，使精度下降。外浇悬浮液法适用于一般超声加工。采用真空抽吸法或内冲法供给磨料悬浮液，可以提高加工精度，尤其能减少锥度。磨料粒度越小，超声波加工精度越高。若磨粒尺寸为40～63μm，则超声波加工精度为±0.05mm；若磨粒尺寸为7～28μm，则超声波加工精度可达±0.02mm，甚至更高。2.影响超声波加工质量的因素超声波加工质量主要有表面质量和加工精度两个指标。影响超声波加工精度的因素除了机床精度外，还有工具制造精度、加工深度、磨料粒度以及外浇悬浮液法等。9/21/20244.1.3超声波加工的工具设计超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，由工具端面推动磨粒和工作液以一定的能量冲击工件进行加工。工具的结构尺寸、质量大小与变幅杆的连接好坏，对超声波振动系统的共振频率和工作性能影响较大。同时，工具的形状、尺寸和制造质量，对工件的加工精度有直接影响。9/21/2024图4-2化学腐蚀加工的原理1—工件；2—化学溶液；3—化学腐蚀；4—耐腐蚀性涂层；

5—溶液箱；6—工作台4.2.1化学腐蚀加工化学腐蚀加工是利用酸、碱、盐等化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变零件尺寸和形状的一种加工方法。1.化学腐蚀加工的原理化学腐蚀加工的原理是先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，浸入到化学溶液中进行化学腐蚀，使金属按特定的部位溶解出去，达到加工的目的。金属的溶解作用不仅在垂直于工件表面的深度方向进行，而且还会在耐腐蚀性涂层下面的侧向进行溶解，并呈圆弧状，如图4-2所示。4.2化学与电化学加工技术9/21/2024化学腐蚀的特点化学腐蚀加工可加工任何金属材料，而不受其硬度和强度限制，如铝合金、钼合金、钛合金、模具钢及不锈钢等。化学腐蚀加工的过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，其表面粗糙度Ra可达2.5～1.25μm。化学腐蚀加工的加工精度不高，不能加工深而细小的窄槽、型孔和尖角等。化学腐蚀加工适宜大面积加工，可同时加工多个工件。化学腐蚀加工的腐蚀液及蒸汽对人体和设备有危害，需要有适当的保护措施。2.化学腐蚀加工的特点9/21/20244.2.2照相化学腐蚀加工在照相化学腐蚀加工中，往往需要在模具型腔表面加工文字、商标图案、花纹等。如用人工雕刻当然比较困难，采用化学蚀刻，也很难达到要求，而采用照相化学腐蚀加工方法则可达到目的。模具加工方法照相化学腐蚀加工的特点1.采用照相化学腐蚀加工后，图文精度高，仿真性强，腐蚀深度均匀。2.照相化学腐蚀加工可以在淬火或抛光后进行。3.照相化学腐蚀加工可以在复杂曲面上加工图文。4.照相化学腐蚀加工的可靠性好，一般用做最后一道工序的加工。1.照相化学腐蚀的原理及其特点9/21/20242.照相化学腐蚀加工的工艺过程如图4-3所示为照相化学腐蚀工艺过程流程图。其主要工序包括原图、照相、涂感光胶、曝光、显影、坚膜、固化、化学腐蚀等。图4-3照相化学腐蚀工艺过程流程图9/21/20241）原图和照相原图是将所需的图形按一定比例放大描绘在纸上，形成黑白分明的文字图案，为确保原图质量，一般都需放大几倍。然后通过照相，将原图按所要的尺寸大小缩小在照相底片上。照相底片一般采用涂有卤化银的感光底片。2）涂感光胶首先将需要加工的模具或工件表面进行去氧化皮及去油污处理，然后涂感光胶（如聚乙烯醇、骨胶、明胶等），待干燥后就可以贴照相底片进行曝光。3）曝光、显影与坚膜曝光时照相底片贴在涂有感光胶的工件表面，并用真空方法使其密合，然后用紫外线照射，使其工件表面上的感光胶膜按图像感光。照相底片上的不透光部分，挡住了光线照射，感光胶未产生化学反应，仍是水溶性的；照相底片上的透光部分，感光胶受到光线照射而产生化学反应，使感光胶膜变成不溶于水的络合物。此后经过显影，把未感光的感光胶膜用水冲洗掉，使其呈现出清晰的图像。为了提高显影后感光胶膜的抗腐蚀性，可将其放在坚膜液（10%的铬酸酐溶液）中进行处理。9/21/20244）固化经坚膜后的感光胶膜，其抗腐蚀能力仍不强，必须进一步固化。聚乙烯醇胶一般在180℃下固化15min，即成深棕色。固化温度及时间随金属材料而异，铝板不超过200℃，铜板不超过300℃，时间为5～7min，直至表面呈深棕色为止。5）化学腐蚀经固化处理的工件，放在化学腐蚀液中进行腐蚀，即可获得所需图像。化学腐蚀液成分随工件材料而异，为了保证工件的加工形状和尺寸精度，应在化学腐蚀液中添加保护剂，防止腐蚀向侧向渗透，并形成直壁甚至向外形成坡度。腐蚀铜时用乙烯基酸脲和二硫化甲脒组成保护剂，也可用松香粉刷嵌在腐蚀露出的图形侧壁上。9/21/2024图4-4电铸加工的原理1—电铸槽；2—阳极；3—直流电源；4—电铸层；5—母模（阴极）；6—搅拌器；7—电铸液；8—过滤器；9—泵；10—加热器4.2.3电铸加工1.电铸加工的原理电铸是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，也就是在母模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。电铸加工的原理如图4-4所示。9/21/2024特点电铸加工可以复制出机械加工不可能加工的细微形状以及难加工的型腔，其细微程度及尺寸精度可达微米级，电铸后的型面一般不需进行修正加工。电铸加工的速度慢，生产周期长（需几十小时甚至几百小时），尖角和凹槽部分电铸层不均匀，且存在一定的内应力，不能承受冲击负荷。电铸加工的母模材料不一定是金属，可采用其他材料或制品本身，经导电化处理后直接作为母模。电铸加工可以用一个标准的母模制作出很多形状一致的型腔或电火花成型加工用的电极。电铸加工不需特殊设备，操作简单。由于电铸加工中电铸镍具有一定的抗拉强度和硬度，因而铸成之后不需要进行热处理。2.电铸加工的特点9/21/2024设计母模时应掌握以下几个原则确定母模尺寸时要考虑制品材料的收缩率，母模表面粗糙度值要低，一般要求Ra达到0.01μm。母模在较深的底部轮廓凸、凹相差不能太大，同时母模内、外棱角应尽量采用大圆弧过渡，以避免产生不均匀的沉积。对于非熔性母模应带有15′～30′的脱模斜度，同时要考虑脱模措施。母模沿高度方向要比制品加长3～5mm，以备电铸后将两端粗糙、过厚的电铸层去除。对于形状复杂，不能完整脱模的母模，可选用一次性母模或组合式母模。3.电铸加工的工艺过程1）在分析产品图样的基础上设计、制造母模9/21/20242)电铸前处理电铸前处理包括金属母模镀脱模层处理，非金属母模防水、导电化处理，以及引导线及包扎处理。（1）金属母模镀脱模层处理。为便于电铸后脱模，电铸前金属母模需要进行镀脱模层处理。形状简单的金属母模一般镀一层厚度8～10μm的硬铬，形状复杂的金属母模应先镀镍，再镀硬铬，以克服直接镀铬散射能力差的缺点，有深型腔的母模可镀银处理，其镀银处理过程为先在母模表面喷感光剂，再曝光烘干，最后镀银，低熔点合金母模不需要镀脱模层就可直接脱模，其形状复杂时可考虑涂一层石墨。（2）非金属母模防水、导电化处理。用石膏、木材制成的母模，首先要进行防水处理，如表面喷漆、浸石蜡、浸漆等。非金属母模还要进行导电化处理，以能够进行电铸沉积。导电化处理处理方法有：用涂覆方法在母模表面涂覆一层含有石墨、铜粉或银粉的导电漆；用真空涂膜或阴极溅射（离子镀）的方法在母模表面覆盖一层导电金属；用化学镀方法在母模表面覆盖一层导电金属，如化学镀铜。（3）引导线及包扎处理。母模经镀脱模层及防水、导电化处理后，还需进行引导线及包扎处理，目的是使电铸表面在电铸过程中良好地导电，对非金属铸面予以绝缘隔离。9/21/2024模具加工方法注意1.阳极材料的纯度必须高，阳极面积要比母模在电极方向投影面积大，一般大1～2倍。2.电铸过程中，要保持电铸液的液面高度和温度稳定，定期对电铸液进行化验，保证其浓度，并不含杂质。3.在电铸时断电不超过2h，可不取出母模，通电后进行反向电流处理，继续进行电铸；若断电超过2h，则需取出母模，用20%的盐酸浸泡活化处理后再进行电铸。4.为提高电铸层的均匀性，要注意电极放置的距离和位置。3）电铸成型9/21/20244）衬背有些电铸件壁厚较薄，容易变形，一般在脱模前需要加固，又称为衬背处理。加固方法可根据电铸件的形状、大小和技术要求而定。一般常用的加固方法有喷涂金属、无机黏结、铸铝、浇注环氧树脂或低熔点合金。喷涂金属是在电铸件外层喷涂一定厚度的金属层，再将其加工到所需要的形状，如图4-6（a）所示；无机黏结是先将电铸件外形经过适当加工，按其外形配置钢套，再利用无机黏结剂将电铸件和钢套黏结起来，如图4-6（b）所示；铸铝是先在电铸件外层加工浇注框，然后再进行浇注，如图4-6（c）所示；浇注环氧树脂或低熔点合金适合于有内型腔的电铸件，如图4-6（d）所示。9/21/2024图4-6加固方法5）脱模电铸件衬背处理后，一般都镶入模套内加固使用。脱模是最后一道工序。通常在镶入模套后进行，这样可以避免电铸件在机械加工中产生变形或损坏，也有助于加力脱模。9/21/20244.电铸加工的实例1）喷嘴喷嘴是精度要求较高的细孔，用机械加工的方法很难实现，而采用电铸加工比较容易实现。喷嘴电铸的工艺过程如图4-7所示，包括以下步骤：（1）用切削加工制作铝合金型芯。（2）电铸金属镍。（3）机械切削外圆。（4）将加工好的电铸件插入镶套中，磨削镶套上、下面，最后用对镍无损伤的NaOH溶液溶解铝合金型芯即可得到所需的型孔。图4-7喷嘴电铸的工艺过程9/21/2024电铸后处理电铸预处理母模制备见图4-8（d）。见图4-8（c）。见图4-8（b）。见图4-8（a）。2）刻度盘模具型腔刻度盘模具型腔电铸的工艺过程如图4-8所示，包括以下步骤：9/21/2024图4-8刻度盘模具型腔电铸的工艺过程1—母模；2—绝缘板；3—螺钉；4—导电杆；5—塑料管；6—电铸件；7—铜套；8—心轴9/21/20244.2.4电解加工电解加工是继电火花加工之后发展较快并得到广泛应用的一种新工艺，目前在国内外已经成功地用于枪炮、航空发动机、火箭等制造行业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用，并成为模具制造加工方法的一个组成部分。1.电解加工的原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来加工工件的。如图4-9所示。图4-9电解加工示意图1—直流电源；2—工具；3—工件；4—电解液泵；5—电解液9/21/2024加工时，工件接直流电源的正极，工具接直流电源负极。工具相对于工件做缓慢进给运动，而具有一定压力（0.49～1.96MPa）的电解液从两极之间流过，并把工件溶解下来的电解产物以5～50m/s的高速冲走。在刚开始加工时，工具与工件距离较近的地方电流密度较大，电解液的流速也高，而工件的溶解速度也快，如图4-10（a）所示；而工具与工件距离较远的地方电流密度较小，工件的溶解速度也慢。随着工具不断地向工件进给和电解加工不断进行，会使它们间的距离趋于一致，如图4-10（b）所示，从而使工具上的型面复印在工件上，加工出所需要的零件。（a）（b）图4-10电解加工成型原理9/21/2024优点电解加工与工件材料的硬度、强度、韧性等无关，故可以加工任何金属材料。电解加工能以简单的直线进给运动，可一次加工出复杂的型腔、型孔（如锻模、叶片等）。电解加工的生产效率高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下甚至比切削加工的生产效率还高，而且生产率不直接受其加工精度和表面粗糙度影响。电解加工的加工表面质量好，无毛刺和变质层，且其表面粗糙度Ra可达1.25～0.2μm，加工精度约为±0.1mm左右。电解加工在加工过程中工具在理论上不会损耗，可长期使用。2.电解加工的特点电解加工与其他加工方法相比较，具有如下优点：9/21/2024电解加工设备投资大，占地面积大，设备的锈蚀严重，且单件小批量生产时成本比较高。2对电解加工的电解产物必须进行妥善处理，否则将污染环境。3电解加工不易达到较高的加工精度和加工稳定性，难加工出棱角，一般圆角半径都大于0.2mm。1电解加工的主要弱点和局限性如下：9/21/2024模具加工方法影响电极加工生产率的因素1.工件材料的体积电化学当量。2.电流密度。3.电极间隙。4.电解液。3.影响电解加工生产率的主要因素电解液的工艺参数较多，包括电解液的种类、浓度、温度、流速、流向等。9/21/20244.影响电解加工精度及表面质量的因素1)影响电解加工精度的因素影响加工精度主要因素是间隙的大小。影响间隙大小的因素有进给速度、电极表面复杂程度、电解液流速、浓度和温度等，而且随机性较大，技术人员很难通过电极设计进行补偿，所以电解加工的加工精度很难保证，须采用以下几种方式提高加工精度：（1）混气电解加工。（2）小间隙电解加工。（3）脉冲电流电解加工。（4）改善电解液。2）影响电解加工表面质量的因素影响电解加工表面质量的因素如下：（1）工艺参数。（2）工件材料。（3）工具的表面质量。9/21/20244.2.5电解磨削加工1.电解磨削加工的原理电解磨削是将金属的电化学阳极溶解作用和机械磨削作用相结合的一种磨削工艺。电解磨削的原理如图4-12所示。图4-12电解磨削的原理1—电解磨轮；2—电解液；3—工件9/21/2024磨削时工件接直流电源的正极，电解磨轮（也称为导电砂轮）接直流电源的负极。两极间由电解磨轮中凸出的磨料保持一定的电解间隙，并在电解间隙中注入一定量的电解液。接通直流电源后，工件的金属表面发生电化学溶解，其表面的金属原子将失去电子而变成金属离子溶解于电解液中，同时电解液中氧与金属离子结合而在工件表面生成一层极薄的氧化膜。这层氧化膜具有较高的电阻，使工件溶解过程减慢，这时通过高速旋转的电砂磨轮将这层氧化膜不断刮除，并被电解液带走。由于该过程是工件溶解和机械磨削共同交替作用的结果，因而使工件表面不断被蚀除并形成光滑的表面和达到一定的尺寸精度。9/21/20242.电解磨削加工的特点电解磨削加工的特点如下：（1）加工范围广，生产效率高。由于电解磨削主要是电解作用，因此，只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度和高韧性的金属材料。例如，磨削硬质合金时，电解磨削与普通的金刚石磨削相比，其加工效率要高3～5倍。（2）加工精度高，表面质量好。因为电解磨轮的作用是为了刮除氧化膜，而不是磨削金属，因而磨削力和磨削热都很小，且不会产生磨削毛刺、裂纹和烧伤等现象。（3）电解磨轮的磨损量小。例如，磨削硬质合金，用普通机械磨削，碳化硅电解磨轮的磨损量大约为磨削掉的硬质合金量的400%～600%；用电解磨削，碳化硅电解磨轮的磨损量只有硬质合金磨损量的50%～100%。电解磨轮的磨损小，有助于提高加工精度。9/21/20243.电解磨削加工在模具加工中的应用电解磨削在模具加工中主要应用于以下几个方面：（1）磨削难加工材料。电解磨削与工件硬度无关，所以用来加工高硬度的难加工材料效果显著。如硬质合金模具用立式电解平面磨床加工，不但生产效率高，而且加工质量好。（2）减少加工工序，保证磨削质量。以往制造各种拼块模时，须按拼块形状先进行粗加工，热处理后再进行平面磨削和成型磨削，工序较多，而且为了防止热变形，往往都留有较大的精磨余量。在磨削硬质合金磨具时，还要消耗大量的金刚石砂轮，使模具成本增加并影响硬质合金模具的推广和使用。采用电解磨削不会产生磨削热、裂纹、烧伤和变形等，并可省略或减少热处理前的粗加工，从而可以减少工序，并保证加工质量。（3）模具抛光。利用电解磨削原理进行电化学机械抛光（也称为电解修磨）是一种抛光效果较好的模具抛光方法。9/21/2024随着模具制造技术的发展和模具新材料的出现，对于凸模、凹模等模具工作零件，除采用切削加工和特种加工方法进行加工外，还可以采用冷挤压、热挤压、超塑性成型等方法进行加工。这些加工方法各有优点，在应用时可根据模具材料、模具结构特点和生产条件等因素进行选择。4.3型腔的挤压成型技术9/21/20244.3.1冷挤压技术冷挤压是将常温状态下的金属毛坯置于挤压凹模型腔内，在挤压设备的动力作用下，通过挤压凸模使其成型为所需形状、尺寸并具有一定机械力学性能的零件毛坯或成品零件的成型工艺。1.型腔冷挤压加工的材料利用率高达70%～80%以上，且可以加工出形状复杂的型腔，尤其适合加工某些难于进行切削加工的形状复杂的型腔。2.型腔冷挤压加工的挤压过程简单迅速，生产效率高，一个工艺凸模可以多次使用。3.型腔冷挤压加工的加工精度高（可达IT7或者更高），表面粗糙度小。4.由于型腔冷挤压加工的型腔材料纤维未被切断，因而其型腔强度高，金属组织更为紧密。模具加工方法优点9/21/2024型腔冷挤压加工的挤压工序前需对毛坯进行退火和表面处理。2型腔冷挤压加工难于实现连续性生产。3型腔冷挤压加工的变形抗力大，需要设备吨位大。1型腔冷挤压加工有如下缺点:9/21/20241.冷挤压方式冷挤压包括封闭式冷挤压和敞开式冷挤压。1）封闭式冷挤压封闭式冷挤压是将坯料放在冷挤压模套内进行挤压加工，如图4-13所示。在将工艺凸模压入坯料的过程中，由于坯料的变形受到模套的限制，使其只能朝着工艺凸模压入的相反方向产生塑性流动，迫使其与工艺凸模紧密贴合，提高了型腔的成型精度。对于精度要求较高、深度较大、坯料体积较小的型腔宜采用封闭式冷挤压。由于封闭式冷挤压是将工艺凸模和坯料约束在导向套与模套内进行挤压，除使工艺凸模获得良好的导向外，还能防止凸模断裂或坯料开裂飞出。图4-13封闭式冷挤压1—模套；2—导向套；3—工艺凸模；4—坯料；5—垫板9/21/20242）敞开式冷挤压敞开式冷挤压在挤压型腔坯料外面不加模套，如图4-14所示。在挤压前，敞开式冷挤压的工艺准备较封闭式冷挤压简单。坯料的塑性流动，不但沿工艺凸模的轴线方向，也沿半径方向，如图4-14所示的箭头流动。因此，敞开式冷挤压只宜在坯料的端面积与型腔在坯料端面上的投影面积之比较大，及坯料厚度和型腔深度之比较大的情况下采用。否则，坯料将向外胀大或产生很大的翘曲，使型腔的精度降低甚至使坯料开裂报废。所以敞开式冷挤压，只在加工要求不高的浅型腔时采用。图4-14敞开式冷挤压9/21/20242.冷挤压的工艺准备冷挤压的工艺准备包括冷挤压设备的选择、工艺凸模和模套的设计、坯料的准备和冷挤压时的润滑。1）冷挤压设备的选择型腔冷挤压所需的力，与冷挤压方式、坯料性能、挤压时的润滑情况等许多因素有关，一般可采用下式计算：

F=pA

（4-3）式中，F为挤压力（N）；p为单位挤压力（MPa）；A为型腔投影面积（mm2）。2)工艺凸模和模套的设计(1)工艺凸模的设计。工艺凸模在工作时要承受极大的挤压力，其工作表面和流动金属之间作用着极大的摩擦力。因此，工艺凸模应有足够的强度、硬度和耐磨性。在选择工艺凸模材料及结构时，应满足上述要求。此外，工艺凸模材料还应有良好的切削加工性。9/21/2024艺凸模的结构如图4-15所示。它由工作部分、导向部分和过渡部分组成。图4-15工艺凸模的结构9/21/2024（2）模套的设计。在封闭式冷挤压时，将型腔坯料置于模套中进行挤压。模套的作用是限制模坯金属的径向流动，防止坯料破裂。模套有以下两种：①单层模套。如图4-17所示为单层模套。②双层模套。如图4-18所示为双层模套。图4-17单层模套图4-18双层模套1—内模套；2—外模套9/21/20243）坯料的准备冷挤压加工时，坯料的性能、组织以及坯料的形状、尺寸和表面粗糙度等对型腔的加工质量都有直接影响。为了便于进行冷挤压加工，坯料应具有较低的硬度和较高的塑性，型腔成型后其热处理变形应尽可能小些。宜于采用冷挤压加工的材料有铝及铝合金、铜及铜合金、低碳钢、中碳钢、部分工具钢及合金钢。如10、20、20Cr，T8A，T10A，3Cr2W8V等。坯料在冷挤压前必须进行热处理（低碳钢退火至100～160HBS，中碳钢球化退火至160～200HBS），以提高坯料的塑性，降低其强度以减小挤压时的变形抗力。在决定坯料的形状尺寸时，还应考虑模具的设计尺寸要求和工艺要求，坯料的厚度尺寸与型腔的深度，以及坯料的端面积与型腔在端面上投影面积之间的比值要足够大，以防止在冷挤压时坯料产生翘曲或开裂。9/21/20244）冷挤压时的润滑在冷挤压过程中，工艺凸模与坯料通常要承受很大的单位挤压力。为了提高型腔表面质量以便于脱模，以及减小工艺凸模和模坯之间的摩擦力，从而减少工艺凸模被破坏的可能性，应当在工艺凸模与坯料之间施以必要的润滑。为保证良好润滑，防止在高压下润滑剂被挤出润滑区，最简单的润滑方法是将经过去油清洗的工艺凸模与坯料，在硫酸铜饱和溶液中浸渍3～4s，并涂以凡士林或机油稀释的二硫化铝润滑剂。另一种较好的润滑方法是将工艺凸模进行镀铜或镀锌处理，将坯料进行除油清洗后，放入磷酸盐溶液中浸渍，使坯料表面产生一层不溶于水的金属磷酸盐薄膜，其厚度一般为5～15μm。这层金属磷酸盐薄膜与基体金属结合十分牢固，能承受高温（600℃）、高压，具有多孔性组织，能储存润滑剂。挤压时再用机油稀释的二硫化钼做润滑，涂于工艺凸模和模坯表面，就可以保证高压下工艺凸模与坯料隔开，防止在挤压过程中产生工艺凸模和坯料黏附现象。在涂润滑剂时，要避免润滑剂在文字或花纹内堆积，影响文字、图像的清晰度。9/21/20244.3.2热挤压技术1.热挤压的特点及应用范围热挤压时，由于变形抗力大为降低，因而需要的设备吨位小，易于实现连续性生产。热挤压时，由于热胀冷缩加上表面氧化与脱碳，使得挤压件尺寸精度降低，表面质量受到影响，坯料表面发生氧化，降低模具使用寿命。热挤压技术应用在由高碳钢、高合金结构钢、不锈钢、耐热钢、模具钢材料制成的汽车、机械、航空航天，船舶、军工产品。2.热挤压的工艺过程热挤压的工艺过程如图4-21所示。图4-21热挤压的工艺过程9/21/20241）工艺凸模准备热挤压加工须事先加工好工艺凸模。工艺凸模材料可用T7、T8或5CrMnMo等。2）热挤压工艺如图4-22所示为热挤压法制造吊钩锻模的示意图。3）后续加工热挤压成型的坯料经退火、机械加工（刨分模面、铣飞边槽等）、淬火及磨光等工序制成模具。图4-22热挤压法制造吊钩模锻的示意图1—上模座；2—上模；3—工件；4—下模；5—下模座9/21/20244.3.3超塑性成型技术1.超塑性成型技术的特点某些金属材料在一定条件下具有良好的塑性，其延伸率可达100%～2000%，这种现象称为超塑性。凡延伸率超过100%的材料均称为超塑性材料。用超塑性成型工艺制造型腔，是以超塑性材料金属为型腔材料，在超塑性状态下将工艺凸模压入坯料内部，以实现成型加工的一种工艺方法。采用这种方法制造型腔，型腔材料不会因大的塑性变形而断裂，也不会硬化，对获得形状复杂的型腔十分有利。具有超塑性的材料有很多种，其中，用于制造模具的有T8A、T12A、Cr12MoV、9SiCr、ZnAl22等。下面以ZnAl22为例介绍超塑性成型工艺。9/21/20242.超塑性成型工艺1）超模性成型设备的选择及挤压力的计算根据合金材料的特性和工艺要求，压制型腔的液压机必须设置加热装置，以便使ZnAl22加热到250℃后保持恒温，并以一定的压力实现超塑性成型。由于挤压力与挤压速度、型腔复杂程度等因素有关，因而可采用下列经验公式进行计算

F=pAη

（4-6）式中，η为修正系数，η=η1η2η3。η1可根据型腔的形状复杂程度在1～1.2内选取，η2可根据型腔的尺寸大小在1～1.3的范围内选取，η3可根据挤压速度在1～1.6内选取。9/21/20242）防护套的设计。ZnAl22A在超塑性状态，屈服极限低、延伸率高，工艺凸模压入坯料时，因受力会发生自由的塑性流动而影响成型精度。因此，应按照如图4-23所示使型腔的成型过程在防护套内进行。防护套的内部尺寸由型腔的外部形状尺寸决定，该尺寸可比坯料尺寸大0.1～0.2mm，其内壁粗糙度Ra<0.63μm，且应加工成1：50的锥度，以保证易于脱模。防护套可采用普通结构钢制造，且壁厚不应小于25mm。其高度应略高于坯料高度。其热处理硬度为42HRC以上。图4-23防护套1—防护套；2—坯料9/21/20243）坯料准备型腔的坯料尺寸可按体积不变原理（即坯料成型前后的体积不变），根据型腔的结构尺寸进行计算。在计算时应考虑适当的切削加工余量（压制成型后的多余材料用切削加工方法去除）。坯料与工艺凸模接触的表面粗糙度为Ra<0.63μm。一般超塑性合金在出厂时均已经过超塑性处理。因此，只需选择合适类型的原材料，切削加工成型腔坯料后即可进行挤压。如材料规格不能满足要求，可将材料经等温锻形成所需形状，在特殊情况下还可以用浇注的方法来获得大规格的坯料，但是，经重新锻造或浇注的材料不具备超塑性性能，必须进行超塑性处理。9/21/20244）超塑性成型时的润滑合理的润滑可以减小ZnAl22流动时与工艺凸模之间的摩擦阻力，降低单位挤压力，同时可以防止金属黏附，易于脱模，以获得理想的型腔尺寸和表面粗糙度。所用润滑剂应能耐高温，常用的如295硅脂、201甲基硅油、硬脂酸锌等，但用量不能过多，并应涂抹均匀，否则在润滑剂堆积部位不能被ZnAl22充满，影响型腔精度。如图4-24（a）所示为用ZnAl22注射模制作的尼龙齿轮。制造尼龙齿轮注塑模型腔的加工过程如图4-24（b）所示。9/21/2024图4-24尼龙齿轮注塑模型腔1—工艺凸模；2—坯料；3—护套；4—电阻式加热圈；5—固定板9/21/20244.4气相沉积技术4.4.1物理气相沉积技术由于气态金属在沉积的过程中，主要是利用镀料的原子蒸发、溅射等物理的过程形成膜层，故称为物理气相沉积(physicalvapordeposition，简称为PVD)。它包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。1.真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜是在真空环境中把镀膜材料加热熔化后蒸发(或升华)，使大量原子、分子离开熔体表面，凝结在被镀工件表面上来形成镀膜的。为了提高蒸发原子与工件的附着力，可对工件进行适当加热。蒸发镀膜是真空镀膜技术中发展最早、应用最广的一种，其设备简单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产，所以其应用也十分广泛。卷筒式蒸发镀膜装置如图4-25所示。9/21/2024图4-25卷筒式蒸发镀膜装置在真空条件下材料的蒸发比在常压下容易得多，所需的蒸发温度大幅度下降。例如，铝在正常情况下(0.1MPa)必须加热到2400℃才能蒸发，而在真空下（10－3Pa）只要加热到840℃就可以大量蒸发。大多数金属是先达到熔点后从液相中蒸发，某些材料如铁、锡、锌、铬、硅等可以从固态升华到气态。真空度如果不高，镀膜材料会受到残余气体的污染，蒸发的原子、分子在向工件沉积过程中，将与残余气体分子频繁碰撞冷却，在空间凝聚成小的团粒落到工件及真空室壁，尤其是动能小的粒子将使镀膜组织松散，表面粗糙。9/21/2024表层晶格原子也可能以原子团的形式一起被溅射出来。另外入射的离子还会造成材料内部结构的一些变化，如产生空位、间隙原子等辐照损伤。入射的粒子经过多次碰撞，能量耗尽后，就会在一定的深度停留下来，成为一种杂质原子，即“注入”。离子轰击还会造成受轰击材料的发热，同时对膜沉积过程中的晶核形成和生长过程也有明显的影响，从而影响镀层的结构和性能。图4-26离子轰击表面所引起的各种效应2.溅射镀膜如图4-26所示，当离子轰击表面时，会产生许多有趣的现象，如通过非弹性碰撞，材料表面会发射出二次电子和光子，有的入射粒子被反弹。入射离子还可以在其路程上撞出若干个离位原子，这些离位原子又可以撞出更多的离位原子，就像树杈一样杂乱无章地发展着，成为碰撞级联。一部分被撞出的原子，方向合适时，就会穿过晶格空隙，最后从材料表面逸出，就像被溅起的水花一样，成为被溅射原子。9/21/20243.离子镀膜技术1）离子镀膜的原理离子镀膜技术是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物质或其反应物沉积在基体上，如图4-27所示。图4-27离子镀膜的原理9/21/20242）离子镀膜的特点离子镀膜过程中，由于部分膜材原子被电离成离子，它们将沿着电场的电力线运动，凡是电力线分布的地方，这些膜材原子都有可能到达，而在离子镀膜中工件本身是阴极，因此，工件的各个表面(即使有沟槽)都可以镀上。此外，由于离子镀膜要求的真空度不太高而使真空室中的粒子较多，从而增加了粒子之间的相互碰撞，因而离子镀膜的绕射能力比较强。离子镀膜过程中不仅存在着许多金属离子和高能金属原子，而且还存在着大量的氢离子和氢原子，它们共同轰击工件表面，产生阴极溅射效应，这可以大大提高镀层的附着能力，使膜层的结合强度提高。另外，金属粒子的能量比较高，一般还使用副偏压，这些都有助于改善膜层的组织性能。此外，还可以利用离子镀膜获得各种化合物涂层。9/21/20244.4.2化学气相沉积技术在相当高的温度下，由于混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层，故称为化学气相沉积（chemicalvapordeposition，简称为CVD）。它是一种化学气相生长法，这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给工件基体，借气相作用或在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。在CVD中运用适宜的反应方式，选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到具有所要求性质的薄膜。常见的CVD反应包括热分解反应、还原反应、氧化反应、水解反应等。实际沉积时，可能会同时包含上述一种或几种反应。此外，CVD反应还有等离子体激发光反应和激光激发反应等。与PVD技术相比，CVD技术具有设备简单，工艺灵活，成膜速度快，附着强度好，适合镀覆各种复杂形状的工件，膜层平滑、均匀等优点。但CVD的反应温度太高，一般在800～1000℃内，这使其应用受到限制。9/21/2024激活源的频率有几百千赫、几兆赫至几百兆赫，即用所谓高频源、射频源和微波谐振源等。等离子体激活比普通CVD的热激活要有效得多。在辉光放电的阴极辉光区中，存在剧烈的气体电离，并发生阴极溅射，这为沉积薄膜提供了清洁且活性高的表面。放电时电子与气体产生碰撞。若碰撞是弹性的，则分子的动能增加，气体温度上升；若碰撞是非弹性的，则会引起分子的分解、自由基化、激发、电离和离解等过程。图4-28PECVD装置示意图如图4-28所示为PECVD装置示意图，将工件置于低气压辉光放电的阴极上，然后通入适当反应气体。在一定的温度下，利用化学反应和离子轰击相结合在工件衬底上沉积成膜。PECVD促进反应的能量首先来自于等离子体的激活，另外，其也要求有一定的温度条件。产生等离子体的方法可以用直流高压(DC)、高频(RF)、高频加直流(RF+DC)等电源。9/21/20244.5热扩渗技术热扩渗是用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入模具的表面，形成表面合金层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等性能。热扩渗技术又称为热渗镀技术或化学热处理技术，其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的(即所谓冶金结合)，具有很高的结合强度，这是其他涂层方法如电镀、喷镀或化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。热扩渗可分为固体热扩渗、液体热扩渗、气体热扩渗。常用的热扩渗技术有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。9/21/20244.5.1固体热扩渗工艺及应用1.固体渗碳固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900～950℃，保温足够长时间后，得到一定厚度的渗碳层。固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15%～20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供固体渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。2.固体渗硼固体渗硼可在650～1000℃内进行，常用于850～950℃，可保温2～6h，不同钢种可获得50～200m深的固体渗硼层。固体渗硼工艺应用较广，适用于几何形状复杂，包括带有小孔、螺纹和盲孔的零件。中、小零件的固体渗硼采用粒状和粉末状介质，大件及其局部的渗硼采用膏剂。这些介质均由供硼剂(B4C、B-Fe、非晶态硼粉)、催渗剂(KBF4、NH4Cl、NH4F等)以及调节活性、支承工件的填料(Al2O3、SiC、SiO2)组成。3.固体渗铬固体渗铬是指将钢铁制件放在渗铬的固体粉末的铬介质中加热，新生的活性铬渗入钢铁表层，使其表面具有耐蚀性和耐热性。9/21/20244.5.2液体热扩渗工艺及应用液体热扩渗是把工件放入液体渗剂中，把工件加热到一定温度后保温一段时间，使工件表面渗入某种元素或多种元素的工艺过程。1.液体碳氮共渗液体碳氮共渗又称为液体氰化处理。由于液体氰化处理有毒，污染环境，劳动条件差，因而已很少应用。2.液体渗硼液体渗硼是指在约900℃左右采用液体方式向钢渗入硼（B）元素，此时钢表面形成几百微米厚的Fe2B或FeB化合物层。其硬度一般为1300HV以上，有的高达1800HV。此外，其抗磨损能力很高。9/21/20244.5.3气体热扩渗工艺及应用1.气体渗碳1）气体渗碳的原理及其特点工件在密封的渗碳炉中，加热到900～950℃后，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），经一系列反应后产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。气体渗碳的特点是生产效率高，劳动条件好，渗碳过程中可以控制，渗碳层的质量和机械性能较好。2）气体渗碳后的热处理由于气体渗碳工艺的加热温度高，加热时间长，因而还需淬火才能达到其硬度要求，即气体渗碳后必须进行热处理才能达到预期目的。如汽车、机车、矿山机械、起重机械中使用的大量传动齿轮都采用气体渗碳后的热处理工艺来提高其耐磨损性能。9/21/2024由于直接淬火工艺简单，效率高，成本低，脱碳倾向小，淬火马氏体较粗，残余奥氏体也较多，耐磨性较低，变形较大，因而适用于本质细晶粒钢、耐磨性要求不太高和承载低的零件。直接淬火气体渗碳缓慢冷却后，可重新加热淬火。对于心部组织要求高的合金渗碳钢，一次淬火的加热温度略高于心部的Ac3，因而可使其晶粒细化，并得到低碳马氏体组织。因此，一次淬火适用于受载不大但表面性能要求较高的零件。一次淬火气体渗碳缓慢冷却后，可重新加热淬火，淬火之后还可再次加热淬火。二次淬火只用于表面高耐磨性和心部高韧性的零件。二次淬火气体渗碳后的热处理方法包括以下三种：气体渗碳淬火后还要进行低温（150～200℃）回火，以消除淬火应力和提高韧性。9/21/20242.气体渗氮1）气体渗氮的原理气体渗氮目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。其工艺过程是将氨气通入密闭容器加热，使氨加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]），氮原子被钢吸收并溶入钢体表面，且在保温过程中向内扩散，形成渗氮层。2）气体渗氮的工艺特点气体渗氮的工艺特点如下：（1）氮化温度低，一般为500～600℃，工件变形小。（2）氮化具有很高的硬度（1000～1100HV），可在600～650℃内保持，所以其具有很高的耐磨性和热强性。（3）钢氮化后，由于其渗层体积增大，因而造成表面压应力，使疲劳强度大大提高。（4）氮化工艺复杂，时间长，成本高。3）气体渗氮的用途气体渗氮主要用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件。例如，发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴、气轮机阀门、阀杆等。9/21/20244.6快速成型技术4.6.1快速成型的原理及其特点快速成型一般来讲属于堆积成型，是指通过离散的区域得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型。快速成型技术可将CAD、CAM、CNC、伺服反馈、光电子、新材料等技术集于一体，依据CAD系统构建的三维模型，进行分层切片处理，得到各层切面的轮廓。得到的轮廓再作为原始加工数据，用激光束按照相应的轮廓切割一层一层的粉末材料（固化的一层一层液态树脂或一层一层的纸料），也可以由喷头按照轮廓喷射一层一层的黏结剂或热熔材料（如塑料），从而形成各个切面并逐步累加得到三维模型的产品。它是将复杂的三维加工简化成若干二维平面加工的组合，且相对于传统产品的加工方式，省去了许多工序，节省了加工周期和加工成本。9/21/20241.光固化成型光固化成型（stereolithographyapparatus，简称为SLA）也称为液态光敏树脂选择性固化。它的原理如图4-29所示。图4-29光固化成型的原理9/21/2024SLA是最早投入商业应用的快速成型技术，能制造精度较高的工件，一般情况下可将精度控制在小于0.1mm的范围内。SLA适合成型小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度较好，并且由于紫外激光波长短（如λ=325mm的He-Cd激光器），可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。其缺点包括以下几点：（1）需要设计支承结构，才能确保在成型过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位。（2）成型中有物相变化，翘曲变形较大，需通过支承结构加以改善。（3）原材料有污染，可能使皮肤过敏。9/21/20242.分层实体制造分层实体制造（laminatedobjectmanufacturing，简称为LOM）也称为薄形材料选择性切割，是近几年才发展起来的一种快速成型技术。LOM的展开装置将涂有热熔胶的箔材带（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔）经热压辊加热后，一段段送至工作台上方。LOM的激光切割系统，根据三维模型提取的每一个横截面的轮廓，在计算机的控制下，用CO2激光束对工作台上的箔材沿轮廓线切割成所需制件的内外轮廓，制件轮廓以外的区域被切割成小方块，成为废料。在该层切割完成后，工作台下降相当于一个纸厚的高度，然后新的一层纸再平铺在刚成型的表面，通过热压装置将其与已切割的型面黏结在一起，激光束再一次进行新的轮廓切割，以此逐步得到各层截面，并黏结在一起，形成三维产品。其原理如图4-30所示。该工艺材料的厚度一般为0.07～0.15mm，由于激光束只需扫描面轮廓，因而成型速度较快，制件完成后用聚氨酯喷涂即可。9/21/2024图4-30分层实体制造的原理扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工；也有的采用振镜扫描方式，适合于成型大、中型零件，具有翘曲变形小，成型时间较短的特点，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。LOM选用的原材料目前种类较少，尽管可选用若干种类的材料，如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔以及其他合成材料，但目前常用的只是纸，其他材料还在研制开发中。9/21/20243.选择性激光烧结选择性激光烧结（selectivelasersintering，简|称为SLS）采用CO2激光器对粉末材料（如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、金属粉、覆膜陶瓷粉）进行选择性烧结。它是一种将离散点一层一层堆积成三维实体的工艺方法，其原理如图4-31所示。图4-31选择性激光烧结的原理9/21/2024在用SLS成型时，应先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点之下。然后使送料筒上升，铺粉滚筒移动，在工作台上均匀地铺上一层很薄的粉末材料（0.1～0.2mm）。激光束在计算机的控制下，按照CAD模型离散后的截面轮廓的信息，对制件的实体部分所在区域的粉末进行烧结，使粉末熔化形成一层固化轮廓。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。最后经过5～10h的冷却，可取出工件，没有烧结的粉末对正在烧结的工件可起支承作用，取出工件后未烧结的粉末可重复利用。