（机械工程专业论文）方孔章工艺技术的研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 方孔童工艺技术的研究 i l i i i l i i l l l l i i i l l l l l l l l i i | | 1 1 l i i i i i y 1918 7 5 8 作为硬币防伪技术，方孔防伪技术因其工艺复杂、加工难度大且易于大众识别等 特点仍处于研究和探索之中，并日益受到行业的关注。本文重点开展方孔章工艺技术 参数设计、专用压印装置与模具的设计制作、坯饼定位与防转系统的设计制作，同时 开展坯饼落料、光边、电镀、热处理精整、压印等工艺试验，通过小试、中试与大试， 最终实现方孔章的批量生产。 本文首先开展方孔章工艺技术参数的设计工作，选定制作方孔章材质，设计落料、 光边、电镀等坯饼的技术参数，确定坯饼制作工艺；然后开展方孔章印模的设计制作， 确定模具制作工艺，摸索印模方孔加工工艺，制作具有方形内孔的专用印模。在圆形 币压印装置的基础上，考虑方孔章内孔成形的工艺特点，设计制作方孔章专用压印装 置，通过芯棒、模圈、印模形成封闭空间，确保方孔章内孔的压印成形，并针对内孔 翻边毛刺和压印不足等问题，摸索压模、坯饼内孔、芯棒之间合理的间隙，保证压印 图纹饱满、内孔规整。同时，开展方孔章压印定位与防转系统的设计制作，实现方孔 坯饼的精确定位、输送与压印。最后，开展小试、中试与工程化试验，优化提升专用 压印装置以及坯饼定位与防转系统，实现方孔章连续批量生产，产品各项技术参数达 到设定的攻关目标。 关键词：方孔章专用压印装置定位与防转系统应用 a b s t “l c t 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a sai l e w 枷- c o u 】吐e r f e i t i n gt e c l l n 0 1 0 9 y f o r i n j n t i i 培，s q u 【a 】哈 c e i r b 眦- h o l e d a n t i - c 0 u 1 1 t e 疵i t i l l gt e c l l n 0 1 0 9 yi ss t i l li nr e s e a r c l la n de x p l o 枷o n ，h o w e v e r i ti sa 伉础n g h l c r e 嬲i n gm o r ea n e n t i o no fm 证t i n gi i l d u s 缸y f o ri t sa d v a n t a g e o u sc h a r a c t e r i s t i c so f c o l p l e xt e c l l n o l o g y d i 伍c m tt 0p r o c e s sa n de a l s yt 0d i s t i n g u i s h 1 1 1 i sd i s s e 删i o nf o c u s e s o nd e s i g no ft e c 置l 】缸c a ip 跏e t e r s ，s p e c i a l i z e dm i m i n gd e 、，i c ea i l dd i e ，b l a j l ：k sp o s i t i o i l i l 唱 a n dn l i s a l i 昏m l e n tp r 0 k b i t i n gs y s t e m b e s i d e s ，i ti l l u s 仃a t e sh o ww et o o kt e c k l o l o 西c a l e x p e r i n l e n t so fb l a n k n g ，e d g er i 舢血n g ，p l a t i n ga i l d6 i l i s g ，m e n 觚df m a l l yr e a l i z e b a t c hp r o d u c t i o no fs q 眦c e n 砌- h o l e dm e d a l s f i r s to fa l l ，n l i sd i s s e r t a t i o ni l l u s 饥l t e sm ed e s i 罂l i n gw o r ko ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s f o fs q l l a r ec e n n 谢一h o l e dm e d a l s t e c l l i l i c a lp 必姐l e t e r sf ；贸b l a n k i i l g ，e d g er i m m 洫ga n d p l 弛ga r ed e c i d e da r ea c c o r d i i l gt 0t l l e m a t e r i a lc h o s e ns o 鹬t 0m a k eb l 砌【m 抛n g t e c l l i l o l o g yc o m ei m ob e i l l g a 1 1 dt 1 1 e ni ti l l u s 仃a t e st 1 1 ed e s i g l l i n gw o r ko fm i l l t i i 培d i e s p e c i a l i z e d 如- i n t 缸gd i ea r em a d ea c c o r 妇gt 0 也em a c b i i l i n gt e c h n o l o g yf 0 rm i n t i n gd i e a i l ds q u a r cc e n n m - h o l e dm e d a l w i mm ef o u n d a t i o no fm a l 【i n gr o u n dc o 氓c 0 1 1 s i d e 曲gt h e c h 嬲眈r i s t i c so fh o l ef 0 m 1 证g ，s p e c i a l i z e dm 硒n gd e v i c ea r ed e s i 弘e df o r s q u a r e c e n 臼a 1 - h o l e dm e d a l s ac l o s es p a c ec o m e 豳b e i n gb ym a n 嘶l ，c o l l a r 锄d 蛐gd i e ，t 0 e i l s u r ec o i n j h go ft 1 1 ec e 劬mh o l e a n dt l l e n 嗽璐o n a b l ec i e 撇c eo fm a i l “l ，c o l l a r 觚d m i n t i n gd i ea r eg i v e nf o rt l l es o l u t i o nf o rb u r r a i l dm 妇g 妇a g ep 狐e mf h n a f t e rt l l a t ，t l l e d e s i 蛐n gw o r ko fb l a n l ( sp o s i t i o l l i i 冯觚dr i l i s a l i g 砌e mp r o h i b i t i i 培s y s t e ma r ct a k e ns o 笛 t 0r e a l i z ea c c l 】r a t ep o s i ：t i o m n g ，f i e e d i n g 雠dc o 础h g a tl a s t ，e x p 嘶m e n t s0 fba t | c h p r o d u c t i o n a r et a k e nf o ro p t i i 】缸z i l l g s p e c i a l i z e dm j n t i n gd e v i c e 舔w e l l 豳b l a i l | 匹 p o s i t i o n i n g 锄d 面s 甜i 舀i l r l e n tp r o l l i b “i i l gs y s t e m ，t 0r e 甜i z cc o n t i n u o u sb a t c hp r o d u c t i o no f s q 陇u ec e n 仃a l - h o l e dm e d a j s ，锄d e n s u l ea l lt e c l l l l i c a lp a r 锄e t e r sm e e tm ed e m 跚1 d k e yw o r d ：s q u a 托c e n n a l - h o l e dm e d a l s ，s p e c i a l i z e dm i n t i n gd e v i c e ，b l a n l ( sp o s i t i o n i n g 觚d m i s a l i 鄹l i i l e n tp r o l l i b i t i n gs y s t e m ，印p l i c a t i o n h 工程硕士学位论文 方孔章工艺技术的研究 l 绪论 1 1 背景 近些年来，随着流通硬币、纪念币的大量发行，特别是集币热的升温，在高额利 润的驱使下，假硬币数量越来越多，其加工手段也越来越先进，几乎达到以假乱真的 地步，因此，硬币技术的发展在某种意义上是围绕防伪而不断发展的。为了增强硬币 的防伪能力，便于真假识别，很多国家都在花大气力研制开发技术含量高、防伪性能 强的防伪技术。新材料方面有磁性复合材料、双金属共沉积所形成特定颜色的电镀包 覆材料、多层镀电镀包覆材料等。除了硬币材料具有防伪功能以外，表现在产品图案、 边部形状等新工艺技术也是层出不穷，国际上已经将双金属镶嵌、梅花异形、中间带 孔、边部凹槽滚字、边部丝齿滚字、隐形雕刻、微缩图纹等广泛应用于造币工艺当中， 提高了流通硬币的防伪水平u 7 j 。 随着我国经济水平的不断发展，人民币作为一种特殊的商品，在国际上的影响力 日益增加，流通硬币、纪念币作为人民币的重要组成部分，其发展水平的高低直接反 映了我国造币行业的工艺技术水平，因此，提高我国硬币制造科技含量和硬币防伪水 平，积极探索造币新工艺、新技术、新方法是印制行业科技人员的义不容辞的责任。 目前，我国流通硬币、纪念币产品形状结构相对比较丰富，但方孔防伪技术在众 多硬币防伪技术中因其工艺复杂、加工难度大且易于大众识别等特点仍处于研究和探 索之中，并日益受到行业的关注。该技术不仅能够满足连续大批量生产的要求，同时 将硬币产品中的圆孔设计为方孔，形成“外圆内方”的结构形状，寓意天圆地方， 既可以丰富我国潜在的硬币新产品种类，不断提高硬币的防伪能力，达到“造假者难 以伪造，百姓易于识别”的目的，同时也丰富了纪念币的币形，使得硬币更加精美， 具有广阔的市场前景和收藏价值。 1 2 防伪技术应用现状 就硬币的防伪技术而言，主要体现在三个方面：硬币的材质防伪、图案防伪以及 结构防伪。随着科学技术的迅猛发展，硬币的材质防伪、图案防伪以及结构防伪新工 艺技术也随之大发展、。 1 2 1 流通硬币主要防伪技术 目前，世界各国对于流通硬币防伪技术的应用都予以高度重视。在硬币材质构成 上，部分国家采用了双金属镶嵌制作工艺，如欧元、加元等等，其它的防伪措施还包 括：磁性复合材料、隐形雕刻、微缩文字、边部丝齿、边部丝齿滚字技术等等。部分 l l 绪论 工程硕士论文 国外发达国家流通硬币如欧元、美元、日元英镑等防伪技术的应用情况如表1 1 所示， 对于高面值流通硬币而言，无论是美元、欧元或日元都采用了多种复合防伪技术【l 】。 表1 1 国外部分发达国家流通硬币的防伪技术应用情况 围绕硬币防伪技术的研制开发，印制行业从未懈怠，不停探索防伪新工艺技术。 我国最早第一套1 分、2 分、5 分流通硬币一开始就应用了边部丝齿防伪技术，在第 五套人民币流通硬币中，壹角流通硬币采用了含有微量特征防伪元素的不锈钢材质； 伍角流通硬币采用了钢芯电镀铜锡合金包覆材料，该材料采用双金属共沉积的电镀工 艺，其严格的镀层成分所决定的金黄色色泽具有较强的大众防伪功能，产品背面图纹 采用了微缩图纹技术，边部采用了间断丝齿技术；壹元流通硬币采用了钢芯电镀纯镍 包覆材料，边部采用了滚字防伪技术。就目前而言，我国流通硬币品种较少，所应用 的防伪技术缺乏梯度层次，有些币种防伪能力仍受伪币冲击与考验，防伪反假形势依 然严峻，不容乐观。 1 2 2 防伪技术研究现状 近年来，随着科学技术的迅猛发展，造币新工艺、新技术、新材料层出不穷，世 界铸币材质丰富，形状各异。在纪念币方面，除了传统的平边，丝齿外，还出现了多 边形、异型、圆形中间打孔、间断丝齿、连续斜丝齿、双金属镶嵌、三金属镶嵌、局 部镶嵌、边部滚字、边部凹槽滚字、丝齿滚字、隐形雕刻、激光全息、彩色、微粒细 点、高浮雕、反喷砂等全新概念的新工艺、新技术，并成功地应用于硬币的生产【2 】。 ( 1 ) 边部丝齿防伪技术 就是在硬币边部形成各种形式的丝齿分布的防伪技术。它包括全直丝齿、间断直 丝齿、斜丝齿、全齿间隔半齿【3 】等。 1 ) 全直丝齿技术是应用的最早和最普遍的一种边部防伪技术，我国在1 9 5 7 年发 行的第一套1 分、2 分、5 分流通硬币，以及后来发行的很多普通纪念币上都应用了 边部全直丝齿防伪技术。 2 ) 间断直丝齿技术，即在硬币的边部以一定等分角度出现一组丝齿，并由平边加 以间隔，采用间断丝齿形制制造流通硬币这是对连续丝齿形制的发展，提高了流通硬 币的技术含量，该技术分别应用在1 9 9 2 年和2 0 0 2 年发行的5 角流通硬币上。间断丝 齿的种类有两种，一种凸缘丝齿，既每组丝齿的高度大于间隔平边；另一种为凹缘丝 2 工程硕士学位论文方孔章工艺技术的研究 齿，既每组丝齿高度与间隔平边相平齐。目前世界上采用间断丝齿形制制造流通硬币 的国家亦不很多。 3 ) 边部斜丝齿技术，即在硬币边部的出现的丝齿与硬币的轴径有一个交错的角 度，呈螺旋状，由于有了这个角度，这就给金属硬币的压印带来了很大的困难，亦向 传统的硬币压印工艺提出了挑战，增大了硬币的制造难度。目前世界上采用这种工艺 技术制造流通硬币的国家很少，2 0 0 0 年8 月发行的新版5 0 0 日圆流通硬币就采用了 这种边部连续斜丝齿的工艺技术，该技术在我国贵金属纪念币上得到了应用【7 恻。 4 ) 全齿间隔半齿技术，既在硬币边部两全丝齿之间，间隔着半齿，该技术处于国 际领先水平，并成功应用在2 0 0 6 年发行的第2 9 届奥林匹克运动会普通纪念币上，大 大地提高了硬币的防伪能力i lu 1 1 j 。 ( 2 ) 边部滚字和边部凹槽滚字防伪技术。九十年代初，我国研制开发了硬币边部 滚字技术。边部滚字，顾名思义，就是在金属硬币边部的圆柱体立面上滚上各种文字 和图案，这种文字和图文( 亦称边铭和边饰) 可以是阳文( 凸出) ，也可以是阴文( 凹 入) 。金属硬币边部滚上字符，一方面增强了硬币的鉴赏效果，另一方面也提高了硬 币的技术含量。由于硬币边部滚字的工艺技术较为复杂，这就给制造假币者增加了技 术难度。第五套人民币1 元硬币就采用了边部滚字技术，提高了1 元流通硬币的防伪 性能。在我国发行的“毛泽东诞辰l o o 周年”、“朱德诞辰1 1 0 周年 、“周恩来诞辰 1 0 0 周年”和“刘少奇诞辰1 0 0 周年”等普通纪念币上都采用了此项技术，其边部镌 刻有正、反二组汉语拼音“z h o n g g u o 和边饰“”1 1 4 1 。在2 0 0 0 年发行的 流通l 元镍包钢硬币、以及2 0 0 3 年开始发行的贺岁系列普通纪念币及后来发行的镍 包钢普通纪念币上也采用了边部滚字技术，其边部镌刻有“砌皿”。另外，我国还在 不断研制开发边部滚字防伪新技术，如边部凹槽滚字、边部几何形状花纹等技术。 为了进一步提高高面值流通硬币的安全性，上个世纪9 0 年代后，世界上出现了 凹槽滚字的工艺技术( 也称安全边形) 。是指在金属硬币外边的中心部位被切割出一 条凹槽，从外侧可清楚地看到金属硬币被“分隔”为三层，上下两层构成硬币的外边。 这种安全边或为平边，或为丝齿。在中间部位的凹槽内，或镌刻上边铭文字。这些边 饰、边铭的应用，不仅仅为了美观，而是大大增加了制作假币的难度【1 3 ，1 5 ，1 们。 ( 3 ) 微粒细点和秘密暗记防伪技术。微粒细点和秘密暗记技术的应用，是一种较 为有效的金属硬币防伪措施，所谓的微粒细点，就是在很小的范围内，利用精细的造 币工艺技术镌刻上许多很细小的浮雕粒子，使假币的制造者利用一般技术难以仿制。 日本新版5 0 0 日圆硬币上就成功地运用了这一技术，它在l 平方毫米的范围内镌刻了 1 0 个浮雕细粒，而在整个硬币表面，到处都镌刻了m p p o n 的秘密暗记，这些暗记 肉眼是看不出来的，就是用普通的放大镜也看不清楚，只有在高倍显微镜下细细观察 才能发现。我国在2 0 0 2 年开始发行的世界文化遗产系列和2 0 0 3 年开始发行的宝岛台 l 绪论工程硕士论文 湾系列普通纪念币上都采用了暗记技术。在2 0 0 2 年发行的5 角流通硬币上，也成功 采用了暗记防伪技术n7 1 8 ，。 ( 4 ) 微缩文字防伪技术就是在硬币上采用特种加工方法雕刻的，用肉眼只能看清 轮廓，需借用放大镜才能看清的微小文字的防伪技术【1 5 】。我国在2 0 0 2 年开始发行 的世界文化遗产系列和2 0 0 3 年开始发行的宝岛台湾系列普通纪念币上成功应用了微 缩文字防伪技术，2 0 0 6 年开始发行的第2 9 届奥林匹克运动会普通纪念币上也应用了 该项技术【1 9 垅j 。 ( 5 ) 激光雕刻背景防伪技术是一项国际上领先的技术，激光雕刻背景是根据图案 的黑白灰度来控制激光束的疏密、深浅，在硬币上形成的近似素描背景的技术。该技 术成功应用在2 0 0 5 年发行的陈云诞辰1 0 0 周年贵金属纪念币上【2 3 ，2 4 1 。 图1 1 第2 9 届奥运会纪念币 图1 2 辛亥革命九十周年普通纪念币 ( 6 ) 隐形图案防伪技术。进入上个世纪9 0 年代，一些国家开始将隐形雕刻工艺技 术用于制造金属硬币。所谓隐形雕刻，就是运用计算机编程将两个不同的图案处理后 分别表现在同一部位的两个侧面，造成从某一个角度能看到a 图案，而换一个角度 可以看到b 图案的一种双重图像雕刻工艺，它可以使同一凸纹图案中产生两种不同 图像的视觉效果。隐形雕刻技术具有一定的加工难度，并且需要具备较精密的加工设 4 工程硕士学位论文方孔章工艺技术的研究 备，运用在制造金属硬币上可以提高其防伪水平。我国首次运用这种工艺技术是在 1 9 9 7 年铸造发行的第一组“澳门回归祖国”的金银纪念币上，2 0 0 1 年发行的西藏和平 解放5 0 周年和辛亥革命9 0 周年普通纪念币以及2 0 0 6 年开始发行的第2 9 届奥林匹克 运动会普通纪念币上成功应用了此项技术。目前，世界上已有国家将此隐形雕刻技术 应用到流通硬币上，如英国皇家造币厂铸造的2 英镑和日本2 0 0 0 年8 月推出的新版 5 0 0 日圆硬币，均成功地应用了隐形雕刻技术。此外，多重雕刻技术也在不断研究完 善过程中阱 2 5 1 。 ( 7 ) 激光全息防伪技术是通过衍射物理学基础发展的一项技术，是高解析率的点 矩全息图像在硬币上得以重现的防伪技术，使得硬币上的激光全息图案面显示出红、 绿、蓝、黄等各种色调。该技术成功应用在2 0 0 4 年发行的中国人民代表大会成立5 0 周年金银纪念币上，获得了较好的防伪效果。 ( 8 ) 彩色防伪技术 是在硬币图纹面进行彩色印刷得到色彩斑斓、鲜艳夺目的硬币图案的加工技术。 该技术主要应用于贵金属纪念币上，如1 9 9 8 年发行的中国传统吉祥图一万象更新金 银纪念币，2 0 0 2 中国壬午( 马) 年生肖银币。 ( 9 ) 反喷砂 为了突出硬币图案的浮雕效果，往往在硬币图案浮雕部位进行喷砂工艺处理( 币 的底面为抛光镜面) 。这种工艺处理方法已经运用了数十年。而所谓的反喷砂，就是 将图案浮雕部位改用光亮面，而将币的底面进行喷砂工艺处理。这样反过来处理后， 就得到了另外一种艺术效果。 ( 1 0 ) 币形防伪技术 指采用特殊工艺，制造非传统圆形硬币的技术。为了不断提高硬币的防伪能力， 同时不断丰富硬币的币形，国际上已经将双金属、异形( 非圆形) 等技术广泛应用于 造币工艺当中，提高流通纪念币的防伪水平脚7 捌。 1 ) 双金属、三金属镶嵌、局部镶嵌币。 金属镶嵌防伪技术是指双金属镶嵌币或局部镶嵌币形成的防伪技术。双金属镶嵌 币技术是通过内芯与外环在压印过程中组合形成的硬币技术，可采用不同颜色的内芯 与外环金属组合形成双色币。 最早采用双金属镶嵌工艺技术制造流通硬币的是意大利造币厂。1 9 8 2 年，意大 利造币厂就推出了用不锈钢作外环、铝青铜为内芯镶嵌的5 0 0 里拉流通硬币，这是一 种新的风格的流通硬币，发行在当时就取得了成功，在世界造币行业引起了很大的反 响【2 9 】。接着各国造币厂纷纷研究双金属镶嵌流通硬币的制造工艺技术，并在金银纪 念币( 章) 上得到了广泛的应用。如今，双金属镶嵌硬币作为一种高技术含量的硬币， 在许多国家的高面值流通硬币上得到了应用。在双金属镶嵌币的基础上，有些国家研 5 l 绪论 工程硕士论文 制开发了三种不同色泽组合的三金属镶嵌流通硬币，但由于受到造币压印设备和镶嵌 工艺技术不成熟的限制，未能得到很好的应用【3 0 ，3 1 1 。局部镶嵌的双金属硬币，主要 应用在金银纪念币( 章) 方面。其主要表现就是根据钱币的设计需要，在银质纪念币 上的某上部位镶嵌上部分金箔，以提高纪念币( 章) 的品位，给人以新的视觉感受。 我国发行的庆祝中华人民共和国香港特别行政区成立普通纪念币上首次成功应用双 金属镶嵌币技术，随后将该技术应用在中华人民共和国成立5 0 周年普通纪念币、庆 祝中华人民共和国澳门特别行政区成立普通纪念币、2 0 0 0 年发行的迎接新世纪等普 通纪念币上。局部镶嵌币是币面的某一部位镶嵌上部分不同金属形成的硬币，如1 9 9 6 北京国际钱币博览会纪念银币应用了该技术【1 4 ，2 6 1 。金属镶嵌防伪技术新颖、直观， 防伪能力强。 图1 3 香港回归普通纪念币 2 ) 异形防伪技术主要是指硬币形状为非圆形的硬币加工防伪技术，它包括多边 形、波浪形或梅花形、环形、扇形、椭圆形、盆形、中孔等硬币加工技术。 传统的机制币形制主要为圆形，大多数金属硬币的边部都有连续丝齿，少数为平 边无丝齿。为了丰富金属硬币的形制，同时也为了提高硬币的仿造难度，增加硬币的 防伪技术含量，研制开发出了非圆形的硬币，从三边形到十几边形都有。而应用于流 通硬币的形制主要有七边形、十边形等，如英国的2 0 便士硬币、塞浦路斯的5 0 分币 就是七边形，而伊拉克的1 第纳尔币、菲律宾的2 比索币即为十边形。用于流通的异 形币，主要边部形状为波浪形( 亦称梅花形) 。 目前该项技术在我国主要应用在贵金属纪念币上。如我国1 9 9 6 发行的“长江风 光”、1 9 9 8 年发行的“清明上河图”等金银币，采用了长方形【3 2 】。1 9 9 9 年发行的中 国古代名画系列一明清扇画纪念银币、2 0 0 0 年铸造发行的“龙年生肖币 采用了扇 6 工程硕士学位论文 方孔章工艺技术的研究 形。1 9 9 8 年发行的大唐镇库金钱金银纪念币采用了中孔加工技术。币形防伪主要应 用于纪念币制作领域，生产数量较少。 ( 11 ) 造币材料防伪 现代造币在硬币材质选用上突破了以往传统的观念，除了金、银、铜、镍、铝及 其合金等传统的造币材料外，从上个世纪7 0 年代末8 0 年代初开始，出现了三明治式 的铜一铁复合、镍一铁复合造币材料和钢芯镀铜、钢芯镀镍、锌芯镀铜等等包覆材料， 不锈钢也应用于制造流通硬币。具有特定颜色的双金属共沉积电镀包覆材料是重要选 择之一，因其具有良好的大众防伪功能和独特的机读特性，使硬币防伪性能达到了一 个新高度。近年来，为加强材料方面的防伪性能，许多国家采用了多层复合造币材料 的生产工艺，如1 欧元、2 欧元及1 美元等。 一 图1 41 欧元、2 欧元以及l 美元硬币 这些造币新工艺、新技术、新材料的广泛使用，大大地增加了金属硬币的铸造难 度，提高了金属硬币的技术含量，增强了金属硬币的防伪性能。 1 2 3 中孔币技术现状 严格地说，中孔币防伪技术是异形防伪技术中的一种，从收集的资料来看，国外 造币行业对中孔币的研究开发和应用较早，但采用圆形中间打孔的流通硬币的国家并 不多，先后出现了日本的5 日圆、5 0 日圆，丹麦的2 5 欧尔、5 克朗、黎巴嫩的l 皮 阿斯特币等中孔币产品，这些硬币产品中间为圆孔，硬币材料主要集中在黄铜或白铜 上，加工制造水平较高【2 4 筇 2 9 】。我国古代的铸钱中间都有一个方形孔，象征着“天圆 地方”，民间称这种铸钱为“孔方兄”，但自出现机制币后，就不再采用中间打孔的钱 币形制了。目前国外对中孔币的研究正逐渐将异形、边部滚字和双金属等新技术应用 到中孔币的制造中，使得中孔币的应用有了更加广阔的市场前景。 国内的造币行业中，近些年来对中孔技术进行了积极的探索和实践。一是通过制 作专用冲具，压印后再进行冲孔、去毛刺和修边，敞厂在生产小规格的纪念币时采 用了先压印再冲孔的生产工艺，该产品在市场上具有较好的反映：二是先在坯饼上加 工出中心孔，压印过程中在坯饼中心孔中放入成型铁芯，成型铁芯加工出一定锥度， 1 绪论 工程硕士论文 压印后敲击卸下铁芯，如2 0 0 4 年上海( 公司委托加工的1 0 公斤元亨利贞方孔纪念 金章就采用了这样的加工方法，由于其工艺的特点，无法满足流通纪念币大批量生产 的要求。 国外的造币行业中，目前主要的制作方法边压印边冲孔工艺，中孔无法避免撕 裂带、毛刺等质量缺陷，且只适用于合金金属，无法满足于电镀包覆造币材料。 f j 图1 5 日本中孔币 前些年，行业攻关实现了中间带圆孔的中孔章的连续压印工作。试验中连续压印 速度达到了) o 枚分钟，产品内、外清边和图纹饱满，产品清边同轴度仅0 o x i 衄， 产品的各项技术指标均达到了设定的目标，为方孔章的工艺技术研究打下了良好的技 术基础。 由于方孔章中间方孔与圆孔不同具有一定的方位，实现方孔圆形章在连续压印过 程中方孔的精确定位的难度很大，市场上发行的中间带孔的流通硬币都以圆孔为主。 因此，方孔圆形币的研发具有更重要的价值。 1 3 研究内容和技术路线 为了有效提高流通硬币的防伪性能，加强防伪技术的研究应用已成为硬币发展的 必然选择。在造币工艺技术方面，合理采用加工工艺复杂、技术含量较高的硬币防伪 技术，也是许多国家反假斗争中所采用的重要手段。由于方孔章中间方孔与圆孔不同 具有一定的方位，实现方孔章的大批量生产难度较大，本项目主要的研究内容及要解 决的主要问题如下。 1 3 1 主要研究内容 本项目主要的研究内容和要解决的主要问题如下。 图 工程硕士学位论文 方孔章工艺技术的研究 ( 1 ) 利用现有装备，设计制作落半卜冲孔模具以及光边模具实现坯饼制作，要求 坯饼的边部和椭圆度达到压印的要求。在加工过程中，方孔的大小对于光边后坯饼的 圆度有较大的影响，同时冲孔后无法采用光边工序对内孔进行修饰，要求冲孔有较高 精度，不能有毛刺现象出现。因此，通过开展工艺试验，确定合理大小的内孔以及避 免内孔毛刺是本项目必须要解决的问题。 ( 2 ) 光边坯饼边部经过光边加工而方孔处未经过修饰既进行电镀，内孔处镀层结 合强度与传统圆形坯饼存在差异，研究坯饼的热处理工艺，既要达到电镀层和内芯烧 结的目的，又要防止出现粘连和叠饼现象也是项目要解决的问题之一。 ， ( 3 ) 进行方孔压印模具加工制作的研究工作，设计制作合理有效的二类夹具，实 现印模中心方孔的定位，并满足方孔与外形同轴度的要求。在压印模具制作过程中， 为保证印花后产品内孔的形状和规格尺寸符合技术条件，对印模方孔的位置以及精度 有很高的要求，印模的内孔为方形，尖角处的半径小，无法采用传统的预钻、铣的加 工方式，研究满足印模在精度与粗糙度方面的要求的加工方式是模具制作方面的关 键。 ( 4 ) 在现有强1 6 0 机基础上，对自动定位系统、防转系统、压印装置进行设计 研究，通过设备改造，实现方孔章产品的大批量连续生产是一个难点。现有y b l l 6 0 压印机不能满足坯饼定位防转需要，因此利用现有的y b l l 6 0 压印机设计制作一套稳 定、可靠的专用压印装置保证连续压印时内孔的精度、内孔清边与外圆的同轴度以及 压印完成后的退料是方孔章制作的一大难点。 ( 5 ) 压印过程中，内清边处容易翻边毛刺的问题，因此调整合理的压印模具、坯 饼内孔、专用压印装置之间的间隙保证成形饱满而又不出现毛刺，同时压印过程平稳 是一个较大的挑战。 1 3 2 技术路线 目前国内造币行业摸索出的方孔章工艺技术的几种方法中，适用于批量性生产的 主要方法是制作专用冲具、先压印后冲孔的方式，这种方式存在以下缺陷：1 ) 冲孔时 内孔不可避免地会出现塌角、翻边、变形和毛刺等，而压印后图纹已经形成，进行修 整相当困难；1 ) 只能应用于单金属材料的生产，无法满足电镀包覆材料的生产。考虑 到上述方法的局限性，因此我们制定了先冲孔、再利用专用的压印装置进行压印的工 艺路线，来满足大批量生产的要求。综合考虑整个工艺需求，设定了加工过程的技术 路线。 方孔章产品主要生产工艺路线：落料十冲孔一光边一电镀一热处理精整一压印。 其中落料工艺采用坯饼落料、冲孔一次成形的方法，保证坯饼外径和内孔的同轴度， 提高压印时坯饼内孔的定位精度。 9 l 绪论 工程硕士论文 压印模具制作时充分考虑各种先进的加工方式，采用合理的加工工艺路线和设计 二类夹具等工作，确保印模中心孔的精度。 产品压印工艺采取的工艺路线为：方孔坯饼定位一输饼过程( 防转) 一压印工位 ( 压印) 。 方孔坯饼定位技术路线设计为：工业照相机数据采集_ 计算机控制系统数据处 理，计算出偏差角度一输出角度指令传递给步进电机一通过安装在步进电机上的坯饼 托台将方孔坯饼的位置调整到位。 输饼过程防转技术路线设计为：压印工位前，通过电磁阀和安装在拨饼片上的平 行气爪夹住调整到位的坯饼，防止坯饼在输饼过程中发生偏转，同时在到达压印工位 时打开气爪。压印装置为在圆形币压印装置基础上增加芯棒等部件，实现方孔清边的 成型。 1 4 研究意义 目前，我国流通硬币、纪念币产品形状结构相对比较丰富，但方孔防伪技术在众 多硬币防伪技术中因其工艺复杂、加工难度大且易于大众识别等特点仍处于研究和探 索之中，并日益受到行业的关注。该工艺技术的研究不仅能够满足连续大批量生产的 要求，同时将硬币产品中的圆孔设计为方孔，形成“外圆内方”的结构形状，寓意 “天圆地方 ，既可以丰富我国潜在的硬币新产品种类，不断提高硬币的防伪能力， 达到“造假者难以伪造，百姓易于识别 的目的，同时也丰富了纪念币的币形，使得 硬币更加精美，具有广阔的市场前景和收藏价值。 l o 工程硕士学位论文 方孔章工艺技术的研究 2 方孔章产品设计与制作 方孔防伪技术在众多硬币防伪技术中因其工艺复杂、加工难度大且易于大众识别 等特点正处于研究和探索之中，并日益受到行业的关注。结合造币特点，对方孔章的 工艺技术参数进行了一系列的设计。 根据方孔章“外圆内方 的结构形状，设计了产品图稿，结合企业特点，将方孔 防伪技术与铜包钢电镀包覆材料相结合，在现行工艺技术的基础上，确定方孔加工的 工艺技术路线为：落料冲孔一光边一电镀一热处理一光饰一压印。其中坯饼采用落料 冲孔一次成形，保证坯饼外径和内孔的同轴度，提高压印时坯饼内孔的定位精度。 2 1 产品技术参数设计 为了满足大众防伪性能的需要，产品采用了比较成熟的造币专用材料钥芯电 镀铜锡合金材料，该材料表面呈现由镀层成分决定的金黄色，具有大众防伪功能，普 通百姓很容易识别区分。 方孔章与其它产品的最大区别就在于产品中间带有方孔，因此在产品设计时应充 分考虑内孔直径( 1 2 i d ) 、内孔清边宽度( b ) 、内孑l 边高( h ) 、内孔与外径的同轴度( 0 c ) 等工艺参数对产品质量和连续压印带来的影响。通过对目前硬币以及纪念币等产品进 行调研，初步设计了方孔章的外形尺寸参数，产品外形设计如图2 1 所示。 图2 1 方孔章产品示意图 方孔章产品的相关尺寸等技术参数设计如下所示。 ( 1 ) 材质：钢芯镀铜锡合金 ( 2 ) 直径：1 2 i ) c 妇m 。 ( 3 ) 边厚：x ) a 如吼( 初步设计，最终尺寸由实际产品确定) 。 ( 4 ) 内孔形状规格：方形内孔对边距离：x m m ( 根据光边试验情况适当调整) 。 ( 5 ) 内孔与外圆的同轴度oo o x m m ( 6 ) 产品图纹高度：0 0 x o x 魁啦 2 方孔章产品设计与制作工程硕士论文 ( 7 ) 外清边宽度：o 纽u i l 。 要求通过工艺试验，确定合理的方孔大小，保证产品外形的圆度满足技术要求， 同时方孔在光边后不变形。 在产品压印过程中要求压印速度) a o ( x x x 枚分钟，产品规格尺寸一致性好， 表面质量稳定。 在产品参数的基础上，进行了产品图稿设计【3 3 3 4 ，3 5 1 ，从设计的大量图稿中最终确 定的设计图稿如图2 2 、2 3 所示，设计时将产品外形和图纹进行有机结合，加工印模 中心孔时可以直接利用印模表面图纹上的内清边进行定位，有利于提高印模中心孔加 工的时孔与外径的同轴度。 1 2 图2 2 方孔章正面图稿 图2 3 方孔章背面图稿 产品的清边、图纹高度等的设计参数如表2 1 所示。 表2 1 产品的清边宽度及图纹高度设计 单位：咖 由于坯饼内孔无法进行光边，因此无法预留足够的金属对内清边进行填充，设计 工程硕士学位论文方孔章工艺技术的研究 时内清边宜宽b 不宜高，为了提高产品整体美观效果，可以通过适当降低清边高度， 增加清边宽度的方法来实现。产品的外径与内孔的同轴度是影响产品质量的一个重要 因素，外径与内孔同轴度误差过大会影响产品质量和美观度，设计过小增加了工装模 具的加工及装配的难度，因此综合考虑产品的整体效果和压印设备的精度，确定产品 的外径与内孔的同轴度1 2 i c 翊o 0 x m m 。 2 2 坯饼的设计与制作 方孔章制作的工艺流程设计为：落料冲孔一光边一电镀一热处理一光饰一压印， 产品技术参数设定后，根据产品尺寸参数可以逆向设计电镀坯饼、光边坯饼以及落料 坯饼的技术参数。参照造币产品设计经验，考虑压印过程中的弹性回复、坯饼电镀后 直径厚度增大，材料塑性和清边高度情况等，设计各种坯饼的尺寸参数以及合理光边 量，保证整个制作过程合理进行汹弱。刀。 坯饼电镀采用行业特殊工艺，光边量与某流通币相同，考虑到本产品的尺寸相对 较大，因此采用较厚钢带作为钢芯材质。因此，方孔章产品、电镀坯饼、光边坯饼、 落料坯饼的厚度均可参照流通硬币厚度设计，如表2 2 所示。 表2 2 产品及坯饼厚度设计 单位：咖 2 2 1 电镀坯饼的设计和制作 方孔章产品是电镀后坯饼在上下印模和模圈形成的密闭空间内经压印制作，一般 产品的直径模圈直径+ o o ) ( m m ，且为方便坯饼落入模圈，一般坯饼直径模圈直径 o 1 0 舢n ，因此电镀坯饼的直径产品直径0 纽l i n o ) c 纽如_ ) x x m m ，同理可以 估算方孔章坯饼内孔的尺寸产品内孔尺寸+ 0 ) c i ( m m + 0 ) a 心x 缸l i i l 。 坯饼电镀后的参数设计为： ( 1 ) 直径：1 2 i 凇( i 砌。 ( 2 ) 厚度：x ) c m l 。 ( 3 ) 中心镀层厚度：x x = 固缸l l n 。 ( 4 ) 边厚：x ) a 妞吼( 估计值，根据光边坯饼边部厚度计算出) 。 ( 5 ) 内孔对边距离：x 缸1 i l l 。 ( 6 ) 单枚质量：x x x g 。 坯饼的电镀和热处理精整工艺设计为： ( 1 ) 加热区i 、温度：，加热区、温度：。 1 3 2 方孔章产品设计与制作 工程硕士论文 ( 2 ) 热处理炉传送带速度：x x xm m i n x x xm m i n 。 热处理精整后要求坯饼表面硬度) o ( h 】贮0 t 。 电镀后坯饼经热处理精整后，要求表面应清洁、光亮、色泽一致，无黑斑、氧化 等缺陷。坯饼镀层与钢芯应结合牢固，镀层与钢芯之间应有一层良好的扩散层。 根据设计参数进行了电镀试验，采用钢芯电镀铜锡合金电镀工艺，镀后效果较好， 满足生产的需要。 坯饼镀后热处理时为了防止电镀坯饼在热处理时出现粘连和叠饼情况，开展了一 系列热处理工艺试验，最终通过将传送带速度控制在x ) c 妇妇1 i i l ，热处理温度控制 在x x x x x x ，较好的解决了坯饼粘连和叠饼问题。 热处理后坯饼进行表面清洗和抛光，经检测坯饼各项技术指标符合设计时的要 求，具备连续压印的条件 2 2 2 光边坯饼的设计和制作 现行电镀工艺电镀后坯饼中心镀层的厚度约为x o 缸m ，因此整个坯饼的厚度 电镀后增加约x 妇：1 i n ，因此可以推算光边坯饼的厚度= 落料坯饼的厚度= 电镀坯饼 厚度一中心镀层厚度x 2 = x x x 嘲一x x x x 胁x 2 = x x ) ( 姗。由于电镀时坯饼边部存在边部效 应，边部的镀层厚度要比中心镀层厚度大，约为x x x 脚，因此光边坯饼的直径= 电镀 坯饼的直径一镀层厚度x 2 x x ) 【) ( 一x ) 【x x 2 = x x x ) 【姗沏砥删。在光边加工过程中方孔不 变形，因此光边坯饼方孔尺寸= 落料方孔尺寸= 电镀坯饼方孔尺寸一镀层厚度x 2 x x x + x x x x 2 = x x x i 姗。 坯饼光边后的参数设计为： ( 1 ) 直径：1 2 i ) 组u n 。 ( 2 ) 边厚：x x x m m 。 ( 3 ) 厚度：x ) c ( m m 。 ( 4 ) 椭圆度：0 o x m m 。 ( 5 ) 单枚质量：x 凇g 。 光边后要求坯饼上、下表面应平整，无翘饼，缺角饼，无明显的压痕和机械划伤 等缺陷。坯饼边形应规整、光滑，无毛刺。 1 4 图2 4 光边坯饼的外形、尺寸示意图 光边坯饼制作时，考虑到中间带孔的坯饼经光边后，中心孔可能受挤压影响而变形，通过调 工程硕士学位论文 方孔章工艺技术的研究 整坯饼光边量，并开展一系列光边工艺试验确定了合理的光变量( 光变量由x ( 衄减小到 x ( 姗) 。经检测坯饼的外圆与内孔的椭圆度、同轴度等工艺参数均达到了设计要求。 方孔章坯饼的内孔无法光边，并且直接影响到压印时的产品质量，落料冲孔时对 内孔毛刺大小的控制至关重要，同时在批量生产时增加了冲孔后的去毛刺工艺，满足 了产品压印的要求。光边后坯饼的截面形状如图2 4 所示。 2 2 1 落料坯饼的设计与制作 坯饼加工时采用了先落料冲孔再光边的工艺路线，考虑到中间带孔的坯饼经光边 后，内孔会因光边挤压作用而椭圆度增大，影响连续压印时坯饼内孔进入芯棒的稳定 性，同时冲孔后无法采用光边工序对内孔进行修饰，要求冲孔有较高精度，不能有毛 刺现象出现。因此内孔直径不宜过大，通过开展工艺优化试验以及综合考虑产品的美 观度等因素对内孔尺寸进行设计。坯饼光边加工时，其光边量要考虑印模清边高度以 及材料的塑性情况，一般光边量设计为x x x 姗x x x 舢，本产品设计的材质为钢芯 镀铜锡合金，钢芯材料为x 钢，其塑性较好，因此光边量可以设计为较小的值，取为 x x x 咖，落料坯饼直径= 光边坯饼直径+ 光边量x x ) 【) ( 姗+ x x x m m _ x x 姗。 根据产品尺寸参数对坯饼的外形和尺寸等进行设计，如图2 5 所示。 ( 1 ) 直径：1 2 i x 。 ( 2 ) 厚度：x - x x m m 。 ( 3 ) 拱弯度不大于o o ) ( i n m 。 ( 4 ) 椭圆度不大于o o x m m 。 ( 5 ) 内孔形状：正方形( 见图2 1 ) 。 ( 6 ) 内孔对边距离：x 虹n 。 ( 7 ) 内孔对角长度：x ) c 缅皿。 ( 8 ) 内孔与外圆同轴度不大于do o x m m 。 ( 9 ) 单枚质量设计为：x ) c 。 落料坯饼的表面质量要求满足：1 ) 落料坯饼的翘曲度不大于o o 姗：2 ) 落料坯 饼的毛刺应均匀，毛刺长度不超过o o x m m ；3 ) 落料坯饼表面应平整，无缺角饼，无 锈蚀、无严重的油污、压痕和机械划伤等缺陷。 落料坯饼加工时采用了坯饼落料、冲孔一次成形的方式，有效保证了坯饼外径和 内孔的同轴度，提高了压印时坯饼内孔的定位精度。 1 5 2 方孔章产品设计与制作工程硕士论文 2 3 模具的设计和制作 图2 5 落料坯饼外形尺寸 2 3 1 方孔印模参数设计 根据造币压印模具传统技术路线，方孔章压印模具设计方案为：图稿设计、石膏 型( 树脂型) 制作、原模雕刻、阴纹模翻制、二原模制作、工作模制作。目前通用的 模具雕刻工艺有以下几种：1 ) 立式雕刻机缩刻原模工艺路线。一般采用数控立式雕刻 机通过扫描石膏型后直接雕刻，相应的工艺流程为油土型制作一石膏型制作一直雕模 制作( 立雕机雕刻原模) 一阴纹模制作一二原模制作；2 ) 卧式雕刻机缩刻原模工艺 路线。原模采用卧式雕刻机仿形雕刻，相应的工艺流程为油土型制作一石膏型制作呻 树脂型制作一直雕模制作( 卧雕机雕刻原模) 一阴纹模制作一二原模制作；3 ) 激光雕 刻机雕刻原模工艺路线【1 1 3 7 ，3 引。激光雕刻原模的工艺相对简单，采用加尬锄等软件 利用计算机设计制作电子文件，可以直接热处理后的模坯上加工出需要的图纹。 在模具生产中，卧雕加工原模的方式图纹较细致，但是耗费时间长，效率低下， 激光雕刻机的加工速度快，效率高，但由于其加工方式的限制，不适合加工人物、动 物等较复杂浮雕模具的制作，而适于制作建筑、文字等平雕的图纹。方孔章产品设计 的图纹较简单，没有复杂的浮雕，利用电脑雕刻机加工的方式既能较好的体现图稿及 电子文件的效果，而且速度较快。 结合企业的技术现状，考虑方孔章压印试验中所需印模数量较少的情况，方孔章 模具设计加工技术路线为：图稿设计、制作电子模型一激光制作直雕二原模一制作方 1 6 工程硕士学位论文 方孔章