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1、第5章 模具光整加工与模具快速成形加工,5.1 模具光整加工,光整加工是精加工后，在工件上不切除或只切除极薄的材料层，以降低表面粗糙度，增加表面光泽和强化其表面为主要目的而进行的研磨和抛光加工（简称研抛）。,5.1.1 光整加工概述,1光整加工的特点,光整加工的加工余量小，主要用来改善表面质量，少量用于提高加工精度（如尺寸精度、形状精度）的加工，但不能用于提高位置精度的加工。光整加工是用细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压的过程，表面加工均匀，切削力和切削热很小，可获得很高的表面质量。光整加工属于微量加工，不能纠正较大的表面缺陷，其加工前要进行精加工。,手工研抛。挤压研磨。电化学研抛。磁力
2、研抛。超声波研抛。玻璃珠喷射研抛。,2光整加工的方法,研磨时，在模具工作表面嵌入或涂覆磨料，并添加研磨液与辅助填料，在研具工作表面与工件被加工表面间施加一定压力，使之接触并作复杂的相对运动，通过磨料颗粒的微切削作用和研磨液的物理化学作用，从工件被加工表面切除一层极薄的材料，以获得尺寸精度高，表面粗糙度值低的工件.,5.1.2 研磨加工,1研磨的原理,研磨塑性材料时，研具与工件之间的磨粒起滑动、滚动切削作用。滑动切削时，磨料颗粒固定在研具上，靠磨粒在工件上的移动进行切削；滚动切削时，磨料颗粒基本呈自由状态，在研具和磨料之间滚动，靠滚动进行切削。,研磨脆性材料时，除上述作用外，在压力p作用下，磨粒
3、颗粒还会使加工表面产生裂纹，随着磨料颗粒运动，裂纹不断扩大、交错，以致形成碎片，最后成为切屑脱离工件。,尺寸精度高。形状精度高。表面粗糙度值低。表面耐磨性好。耐疲劳强度提高。研磨存在一些缺点。劳动强度大，研磨时间长，效率较低；不能提高各表面间的位置精度；研磨剂易飞溅，容易污染环境，使临近的机械设备受到腐蚀。,2研磨的特点,（1）按研磨操作方式划分 手工研磨。机械研磨。（2）按磨料状态划分 湿研。干研。半干研。,3研磨加工方法的分类及应用,（1）磨料 常用的磨料有金刚石、氮化硼、刚玉、碳化硅、碳化硼、氧化铁、氧化铬等。（2）研磨液 常用的研磨液有煤油、10#和20#机油、工业用甘油、动物油等。（
4、3）研磨辅料 常用的研磨辅料有硬脂酸、油酸、脂肪酸、蜂蜡、工业甘油等。,4研磨剂,（1）手工研具 常用的手工研具有研磨砂纸、研磨平板、外圆研磨环、内圆研磨芯棒等，（2）普通油石 普通油石一般用于粗研。（3）电动抛光机,5研具,（1）研磨运动轨迹（2）研磨压力（3）研磨速度（4）研磨余量（5）研磨时间,6研磨工艺参数,抛光除了可采用研磨工具和抛光机外，还有一些专用手工抛光工具，如平面抛光器、球面抛光器、自由曲面抛光器等。此外，还有配合抛光机使用的各种抛光磨头、抛光刷、毛毡或尼龙夹持器等。,5.1.3 抛光加工,1抛光工具,（1）“橘子皮”问题 抛光时压力过大、抛光时间过长时易出现这种情况，在抛光
5、表面出现橘子皮状纹路，抛光工件材质较软时易出现。主要原因抛光表面压力过大，导致表面产生微小的塑性变形。解决方法是对工件表面进行硬化处理或采用较软质抛光工具。,2影响抛光质量因素,（2）“针孔状”问题 由于工件材料内含有杂质，抛光时这些杂质从金属组织中脱离出来，形成针状小坑。解决方法是避免用含氧化物抛光膏进行机械抛光，控制好抛光时间，换用优质钢材。,抛光过程中更换磨料粒度时，应清洗干净，不能把上一道抛光工序的磨料带到下一道抛光工序。每个抛光工具只能用同一粒度的研磨膏。根据抛光工具硬度和研磨膏粒度选择适当的抛光压力，磨料粒度越细，则抛光压力应越低。先抛光工件的角部、凸台、边缘及较难抛光部位，最终抛
6、光方向应与模具开启方向一致。对于尖锐的边缘和角，宜采用较硬的抛光工具。,3抛光工艺,又称“电解抛光”，是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解现象，使工件表面溶解形成光滑表面的一种抛光方法，其原理如图5-5所示。电化学抛光后表面粗糙度一般可达Ra=0.1m，还可改善工件表面的物理性能，但不适用于形状和尺寸加工。,5.1.4 其他光整加工,1电化学抛光,其特点如下。电解抛光不受工件材质和性能的限制，硬质合金、粉末冶金、淬火钢、不锈钢、耐热钢等都可进行抛光。电解抛光后，在工件表面常常生成致密、牢固的氧化膜，可提高工件表面的耐蚀性能，不产生新的变质层及表面残余应力。,抛光效率高，如抛光余量为0.100.
7、15mm时，电解抛光时间为1015min，是手工抛光效率的几倍。工艺简单，操作容易，设备简单，投资小。,电解磨削抛光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。它是靠金属的溶解（占95%98%）和机械磨削（占2%5%）的综合作用来实现加工的，其加工原理如图5-6所示。,2电解磨削抛光,电解磨削抛光特点如下。加工范围广，生产效率高。加工精度高，表面质量好。砂轮磨损量小。电解磨削抛光装置结构简单，操作方便，工作电压低，电解液无毒，适于抛光尺寸要求不太严格的塑料模、压铸模、橡胶模等。,电解磨削抛光的局限性。抛光后质量不高，且残留氧化膜，所以抛光后仍需手工抛光处理；电解磨削抛光模具
8、刃口时，不易磨得非常锋利。,超声波抛光是利用超声波能传递高能量的特性，通过产生超声振动的装置，带动工具端面作超声频振动，迫使工具和工件间的磨料悬浮液撞击被加工部位而实现加工的一种方法。超声波抛光适合于脆硬材料的抛光，其基本原理如图5-7所示。,3超声波抛光,超声波抛光有如下特点。超声波抛光适用于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石等。超声波抛光设备简单，使用和维修方便，可用比工件软的材料做成形状复杂的抛光工具，且加工时工具和工件间不需作复杂的相对运动即可对复杂型面、型腔进行抛光。,对材料的作用力和热影响力小，不会产生变形、烧伤和变质层，可以抛光薄壁、薄片、窄缝
9、及低刚度零件，加工精度可达0.010.02mm，表面粗糙度Ra值可达0.630.08m。,又称磨料流动加工，是利用一种将磨料和黏度大的有机高分子介质混合组成的油泥状研磨抛光剂，在压力作用下通过被加工表面，由磨料的刮削作用去除被加工表面的微观不平材料的工艺方法。挤压研磨抛光原理如图5-8所示。,4挤压研磨抛光,挤压研磨抛光具有如下特点。使用范围广。由于研磨抛光剂是一种半流体状的黏性物质，可以通过任何复杂的被加工表面。同时加工材料范围广，金属材料、陶瓷及硬塑料等都可加工。,加工质量好。这是由于刮削均匀性好，可去除前工序中形成的表面变质层和微观不平等缺陷，而不破坏工件原始形状精度。一般挤压研磨抛光的
10、尺寸精度可达0.010.0025mm，表面粗糙度Ra值可达0.040.025m。加工效率高。挤压研磨抛光时间短，一般只需几分钟至十几分钟，是手工研磨效率的10倍以上，而且可以实现多件同时抛光。,5.2 模具快速成形技术,快速成形基本原理是首先利用计算机对产品零件进行三维造型，然后进行平面分层处理，再由计算机控制成形装置从零件基层开始，按每层信息控制成形头逐层选择性成形和固化材料，得到与计算机三维造形相对应的三维实体，再进行后处理，得到所需制造的零件。,5.2.1 模具快速成形技术的原理和特点,1快速成形的原理,成形材料范围广。目前，树脂、塑料、纸、石蜡、金属材料、陶瓷及复合材料都已在快速成形技
11、术中得到应用。可进行自由制造。RP采用将三维形体转化为二维平面分层的制造原理，不受几何形状限制，能直接制造任意形状复杂的制件，并能制造复合材料的制件。加工效率高。,2快速成形的特点,目前，快速成形技术已有几十种，根据成形方式大致可分为两类：一类是基于激光或其他光源的成形技术，如立体平板印刷（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）等；另一类是基于喷射的成形技术，如熔融沉积成形（FDM）、三维印刷等。,5.2.2 快速成形工艺的种类,（1）成形原理 首先采用计算机辅助设计构建零件的CAD三维立体模型，通过计算机软件对模型进行平面分层，提取每一层截面的形状信息。然后由激光发生器1
12、发出激光束2，按照截面的形状数据，从基层形状开始逐点扫描，如图5-9所示。当激光束照射到液态光敏树脂6时，被照射的液态光敏树脂发生固化反应，即可形成一层薄薄的固化层，即零件的截面形状。,1立体平板印刷,（2）立体平板印刷特点 立体平板印刷的优点。制件尺寸精度高，尺寸误差可控制在0.1mm以内；表面质量好，尤其是上表面非常光滑，可直接制造塑料件；SLA系统稳定性好，可制造结构复杂的中空、精细制件。立体平板印刷的局限性。成形时需要对整个二维截面轮廓进行扫描固化，成形效率低，设备昂贵；制作材料必须是光敏树脂，运行费用很高，且光敏树脂性能不如工业塑料，较脆，易断裂，不便于机械加工。,2叠层实体制造,（
13、1）成形原理 叠层实体制造加工原理如图5-11所示，首先在供料滚筒6的作用下，底面涂有热熔胶和添加剂的胶纸带5在工作台7上自右向左移动预定的距离，同时工作台运动到Z向预定位置，再通过热压辊4滚动来加热加压，使这层纸带通过热熔胶和下层粘接到一起，激光束在控制系统作用下根据从构建的制件CAD三维模型中提取想对应层的二维截面轮廓信息切割出二维截面轮廓线，同时为了成形后能够除去废料，将无轮廓区域切割成小方形网格，完成此层的制作。,（2）叠层实体制造特点 叠层实体制造的优点。与SLA相比设备加工低廉，需要的激光器功率小，使用寿命长，造型材料便宜，因而总的成本低，且不污染环境；LOM方法只需切割轮廓截面，
14、成形速度快，且无需设计支撑，制造时间短。叠层实体制造的局限性。可供LOM制造材料种类少，目前具有商业用途的只有纸，其他材料尚在研制中。,（1）选择性激光烧结原理SLS工作原理如图5-13所示，先将充有氩气的工作室升温，并使温度低于粉末熔点。成形时，送料筒上升，铺粉滚筒6滚动，在工作台7上铺上一层粉末材料1，激光束根据计算机从构建的制件三维CAD模型中提取二维截面轮廓信息对粉末进行逐点扫描，使粉末熔化相互黏结形成一层截面轮廓，未照射的粉末作为原型支撑。一层成形后，工作台下降一个截面层厚度，再铺上一层粉末，进行下一层成形。,3选择性激光烧结,（2）选择性激光烧结特点 选择性激光烧结优点。成形材料种
15、类多，如塑料、金属、陶瓷等都可作SLS材料；成形工艺简单，可直接制造形状复杂的型腔，尺寸精度可达0.1mm，无方向差别，余料去除方便。选择性激光烧结的局限性。预热和冷却时间长，成形效率低；SLS制件表面一般是多孔性的，表面粗糙度受粉末颗粒及激光焦点大小的限制，后处理工艺较复杂。,4熔融沉积成形,（1）熔融沉积成形原理 成形原理如图5-14所示，加热喷头4在控制系统作用下根据从构建的制件三维CAD模型中提取二维截面轮廓信息作XY平面运动。同时，缠绕在丝辊1上的丝状FDM材料由原材料存储及送丝机构送至加热喷头4中，并在加热喷头中加热至熔融态，然后通过喷头的微细喷嘴有选择地涂覆在工作台上，冷却后形成
16、截面轮廓，一层成形完成后，喷头上升一截面层高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，直至整个原型制造完毕。,（2）熔融沉积成形特点 熔融沉积成形优点。成形材料种类多，常用的材料有石蜡、尼龙、ABS和低熔点金属等材料。这些材料在成形过程中，无化学变化，原型成形后变形小，使用寿命长；可以成型瓶状或中空零件，原型支撑容易去除。熔融沉积成形的局限性。成形制件的精度较低，表面有明显条纹，且沿成形轴垂直方向的强度比较弱；不适合制造大尺寸制件和形状复杂制件。,5.2.3 模具快速成形加工的方法,将快速成形技术应用到模具制造中称为快速模具制造（Rapid Tooling，RT）。RT具有制模周期短、成本低的特点，特
17、别适合于产品试制与小批量生产，是目前一种先进的模具制造技术。,直接快速模具制造方法制造环节简单，能够充分发挥快速成形技术的优势。例如，利用LOM工艺直接制造纸质制件，处理后可用作低熔点合金铸造模具、样件试制用的塑料注射模、精密铸造用的蜡模成形模和砂型铸造的木模。采用直接快速模具制造方法受原型材料和设备限制，在模具精度和性能控制方面比较困难，模具的尺寸也受到很大限制。,1直接快速模具制造方法,2间接快速模具制造方法,（1）硅橡胶模制造硅橡胶模的工艺过程如下。采用RP工艺制作母模。贴黏土和浇石膏背衬。浇注硅橡胶。硅橡胶固化。修型。,（2）低熔点合金拉深模 熔点低于370的合金称为低熔点合金。间接快速模具制造方法制造低熔点合金拉深模的工艺过程如图5-17所示。首先利用LOM工艺制造原型作为母模，然后用母模选砂型，再浇注低熔点合金，得到低熔点合金模的凸模和凹模。,（3）陶瓷型或石膏型精铸 其工艺过程分为以下几步。用快速成形系统制造母模，浇注硅橡胶、环氧树脂等软质材料，构成软模。移去母模，在软模中浇注陶瓷或石膏，得到陶瓷或石膏模。在陶瓷或石膏模中浇注钢水，得到所需要的型腔。型腔表面抛光后，加入相关的浇注系统或冷却系统等后，即成为可批量生产用的塑料模具。,
