模具制造及检测技术.pptx

第3章模具制造及检测技术 模具新技术新工艺概论 书名 模具新技术新工艺概论书号 978 7 111 37615 6作者 于丽君出版社 机械工业出版社 本章应知1 清楚模具制造技术的种类 2 了解各类技术的应用场合 3 了解各类技术的工艺特点 本章应会1 能够合理选择模具加工2 掌握各类制造技术的简单加工 3 1模具数控加工技术 3 1 1数控机床1 数控机床的定义数控机床是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床 具体地说 数控机床是通过编制程序 即通过数字 代码 指令来自动完成机床各个坐标的协调运动 正确地控制机床运动部件的位移量 并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作 如主轴转速 进给速度 换刀 工件夹紧与放松 工件交换 冷却液开关等 的机床 2 数控机床的组成数控机床一般由数控系统 伺服系统 主传动系统 强电控制柜 机床本体和各类辅助装置组成 图3 1所示为一种较典型现代数控机床的构成框图 3 数控机床加工特点1 加工过程柔性好 适宜多品种 单件小批量加工和产品的开发试制 2 采用多坐标联动 可加工其他设备难以加工的零件 3 加工时工序集中 一次装夹可完成多处加工 且不需要钳工划线 生产效率高 4 应用计算机编程 易于实现产品的计算机辅助设计和制造 CAD CAM 5 加工零件的质量稳定 精度高 烈性好 6 改善劳动条件 减轻工人劳动强度 7 设备昂贵 投资大 对工人技术水平要求高 3 1 2模具数控加工的特点1 模具数控加工的特点1 模具为单件生产 故数控加工的编程工作量大 对数控加工的编程人员和操作人员的要求高 2 模具的结构部件多 通常有模架 型腔 型芯 镶块或滑块 电极等部件需要通过数控加工成形 数控加工工作量大 3 模具的型腔面一般较复杂 而且对成型产品的外观质量影响较大 因此在加工型腔表面时必须达到足够的精度 4 模具部件的加工应尽量安排在一次装夹下完成多个工序 这样可以避免因多次安装造成的定位误差并减少安装时间 合理安排加工次序和选择刀具是提高加工效率的关键 5 模具的精度要求高 所以在进行数控加工时必须严格控制误差 6 模具通常是 半成品 所以加工时要考虑到后续工序的加工方便 如为后续工序提供便于使用的基准等 7 模具材料通常是很硬的钢材 硬度一般在50HRC以上 所以数控加工时必须采用高硬度的硬质合金刀具来加工 8 模具加工中对于尖角 肋条等部位 无法用机加工加工到位 需要进行电火花加工 9 模具加工时应尽量采用标准件 这样可以减少加工工作量 同时在模具设计制造过程中 使用标准的设计方法 如将孔的直径标准化 系列化 可以减少换刀次数 提高加工效率 3 1 3数控加工程序编制1 手工编程数控加工手工编程一般可分为如下几个步骤 1 工艺处理编程人员首先需对零件的图纸及技术要求进行详细的分析 明确加工的内容及要求 然后确定加工方案 加工工艺过程 加工路线 设计工夹具 选择刀具以及合理的切削用量等 2 数值计算根据零件的几何形状 加工路线和数控系统的情况 计算出被加工几何元素的起点 终点 圆弧圆心等坐标点 从而计算出刀具运动轨迹 3 编制零件加工程序根据零件的工艺分析和数值计算的结果 按照数控机床所使用的指令代码编制零件加工数控程序 4 输入数控程序将零件加工数控程序通过控制面板上一条条手工键入数控系统 或通过磁盘读入 或用RS 232接口将数控程序输入到数控系统 5 试切和修改零件加工程序是否正确 通常采用试切法进行验证 目前市场上提供的高档数控系统一般带有切削加工模拟功能 可以在数控系统显示器上模拟加工情况 如发现错误 及时修改加工程序 2 数控语言自动编程数控语言自动编程原理 数控语言自动编程原理如图3 2所示 编程人员根据加工零件图纸和工艺过程 运用专用的数控语言编写出一个简短的零件加工源程序 并将其输入到计算机中 经过编译系统进行编译 将之翻译成系统能够识别的目标程序 然后系统根据目标程序进行刀具运动轨迹计算 并生成刀位文件 系统根据具体数控机床所要求的指令和格式进行后置处理 生成相应机床的零件数控加工程序 从而完成最终的自动编程工作经过检查无误后 通过计算机与数控机床之间的通信接口 直接传输给数控机床 3 CAD CAM系统自动编程 3 2模具高速加工技术3 2 1高速加工概述表3 1高速切削和普通切削的速度对照 Kennametal公司提供 注 1 WC为硬质合金刀具 PCD为金刚石镀层硬质合金刀具 CBN为立方氮化硼刀具 2 1ft 0 3048m 2 高速加工的机理首先 在高速切削过程中 由于切削速度足够快 变形只发生在小范围内 会使切削力小于传统速度的切削力 其次 高速切削变形机理在很大程度上与热量有关 随着切削速度的增加 切屑流受到的阻力减小 从而使切屑变薄 切削力减小 如图3 4所示 在进行高速切削时 切屑变形所消耗的能量大多数转变为热能 切削速度越高 产生的热量越多 基本切削区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成 基本剪切区的高温 会在刀具前刀面和切屑之间的接触面产生一层极薄的液体 从而增加了塑性流动的速度 切削热分布的估算如下 大约80 的热量是切屑的变形产生的 18 的热量产生在切屑和刀具的接触面上 第二剪切区 2 的热量产生在切削刃上 产生的热量有三种耗散渠道 大约95 以上的热量由切屑带走 2 的热量留在工件上 3 的热量由刀具散热 由此可见 在高速切削时 主要的切削热将由切屑导出 而工件和刀具的温升都非常小 因此高速切削也被称为 冷态切削 3 高速加工的特点与普通加工相比 高速加工具有如下特点 1 加工效率高 进给率较常规切削提高5 10倍 材料去除率可提高3 6倍 2 切削力少 比常规切削降低30 径向力降低更明显 这有利于减小工件受力变形 适合加工薄壁件和细长件 3 切削热少 加工过程迅速 95 以上切削热被切屑带走 工具积聚热量极少 温升低 适合于加工熔点低 易氧化和易于产生热变形的零件 4 加工精度高 刀具激振频率远离工艺系统的固有频率 不易产生振动 又由于切削力小 热变形小 残余应力小 易于保证加工精度和表面质量 5 工序集约化 可获得高的加工精度和低的表面粗糙度 并在一定条件下 可对硬表面进行加工 从而可使工序集约化 这对于模具加工具有特别重要的意义 有以下几个方面的因素可以体现高速切削加工良好的经济性 1 零件的单件加工时间缩短小 2 工序的集约化可以在同二台机床上 在一次装夹中完成零件所有的粗加工 半精加工和精加工 此即高速加工用于模具制造的 一次过 技术 3 高速切削加工机床及其他工艺装备价格昂贵 投资显著增大 一台具有高速加工功能的数控机床的价格比一台普通数控机床大约高30 100 为降低加工成本 需要将CAD AM技术一体化集成应用 使新产品的开发 设计与制造周期大大缩短 通过这一途径 新产品的开发制造全周期甚至可以缩短40 高速切削加工可以突破传统切削加工的禁区 例如切削薄壁机身可降低民航机的自重与耗油量 3 2 2高速加工的应用1 基于高速加工的模具制造系统近年来 计算机技术 自动化技术 网络通信技术的高速发展 给现代制造技术准备了技术条件和奠定了物质基础 现代模具制造能够利用CAD CAE CAPP CAM技术和数控加工技术有效地对整个设计制造过程进行预测评估 迅速获得样品 有利于争取订单 赢得客户 同时节省大量的模具试制材料的费用 减少模具返修率 缩短生产周期 大大降低了模具成本 高速切削技术的发展给模具业注入了新的生机 模具制造现代化正成为国际模具业发展的一种趋势 国内模具业也正从传统模具制造模式向着现代模具制造模式过渡 基于高速加工的模具制造系统如图3 5所示 2 高速加工在模具制造中的应用正是由于高速切削加工具有高效率 高精度 可直接硬切削淬硬钢 具有良好的经济效益等优点 特别适合于模具加工 在工业发达国家已经得到十分广泛的应用 被誉为 第三代制模技术 表3 2列出了高速切削加工与传统模具加工工艺的比较 1 在模具制造行业 高速加工主要应用在以下几个方面 各类模具钢 包括淬硬钢 的直接加工 特别是半精加工和精加工 铜电极 石墨电极的高速加工 产品样件的高速加工 2 高速加工技术在模具行业的应用优势 体现在以下几个方面 省去电极准备和加工的时间 不存在刀具的中间硬化的问题 省去了EDM加工 人工修模和修配过程 对于高速切削加工来说 只要改变CAD和CAM两个步骤就可以随时更改模具的设计和制造 而不像传统上必须同时更新电极和EDM加工参数才能更改模具的设计和制造 用高速切削加工 模具表面的组织结构没有改变 避免了人工修模产生的表面几何变形 4 模具高速加工的工艺要求高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工艺要求 而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程 故应用于高速加工的数控自动编程系统CAM系统必须能够满足相应的特殊要求 3 3电火花铣削加工3 3 1电火花铣削加工技术的提出电火花铣削加工机床高速旋转的主轴带动棒状或管状电极转动 同时采用多轴联动 进行电火花成形加工 由于这种电火花加工方法的电极运动轨迹类似铣削加工 故称其为电火花铣削加工也称电火花创成加工技术 电火花铣削加工技术 是一种替代传统的用成型电极加工腔体的新技术 它是由高速旋转的简单的管状电极做三维或二维轮廓加工 像数控铣一样 因此不再需要制造复杂的成型电极 这显然是电火花成形加工领域的重大发展 国外已使用这种技术的机床在模具加工中应用 预计这一技术将得到发展 3 3 2电火花铣削加工的原理电火花铣削加工技术是在一定介质中 利用两个电极之间产生脉冲火花放电时的电蚀效应来达到蚀除被加工工件材料的加工技术 电火花加工设备一般由脉冲电源 放电间隙调节系统 机床床身和工作液及其循环系统组成 脉冲电源为电火花加工提供放电能量 放电间隙调节系统的作用是使电极与工件间维持适当的间隙距离 防止发生短路和拉弧烧伤等异常情况发生 机床的作用是给加工过程提供支撑 并使电极与工件的相对运动保持一定的精度 工作液有助于脉冲放电 并起冷却作用及间隙消电离 其循环过滤系统保证蚀除产物的有效排出 以防止工作液中的导电微粒过多减少绝缘强度 导致脉冲放电转变为破坏电弧放电 使加工无法正常进行 3 3 3影响电火花铣削加工的因素对电火花铣削加工加工速度有重要影响的因素是 峰值电流 脉冲宽度 占空比 放电面积和进给速度 在这些因素中 峰值电流对加工速度的影响最大 其次是脉冲宽度 我们知道 提高加工速度的途径在于增加单个脉冲能量 而单个脉冲能量主要靠加大脉冲峰值电流和增加脉冲宽度 加工电流又常用电流密度来衡量 电流密度是粗加工中选择加工规准的重要依据 它反映了加工中电极单位放电面积上承载的电流 粗加工的作用是去除大部分加工余量 一般都希望获得尽可能高的工件材料蚀除率和尽可能小的工具电极损耗率 因此可采用较大的加工电流 在选择电规准时应保证加工电流等于或稍低于最大允许电流 在加工材料一定的情况下 最大允许电流由电极的有效放电面积决定 加工速度随放电面积的增大而增大 因此 为保证较大的加工速度 应适当增大放电面积 这是因为 当放电面积很小时 加工间隙内会发生频繁的短路和电弧放电现象 工具的回退次数会增多 工件蚀除速度很低 分析认为 放电面积过小 在单位面积上脉冲放电过于集中 致使电蚀产物排除不畅 影响了加工稳定性 同时工作液分解产生的气体在加工区域来不及排出 造成在气体中放电的现象 这两方面的原因造成了加工速度的降低 3 3 4电火花铣削加工系统的设计 1 电火花铣削加工系统的结构组成传统的电火花成型加工需要制备成型电极 准备时间长 费用大 加工过程缺乏柔性 对于精度要求不高的难加工材料 可以采用电火花铣削加工 为了进行初步实验 本文采用普通的钻床改制成高效电火花铣削加工系统的原理样机 可以节约设备费用 同样也能得到较为理想的加工效果 它包括机床本体 工作液循环过滤系统 脉冲电源及其它电气系统组成 该系统分为机械和电气两大部分 机械部分主要由机床本体和工作液循环过滤系统两大部分组成 电气部分以数字计算机作为核心控制系统 2 电火花铣削加工过程的CAD CAM技术 在传统的电火花加工中 由于是依靠复杂的成形电 极形状来 复制 出工件的形状 电极的移动路径十分简单 主要是沿轴向的单向运动 最多再加上小范围的平动 因此CAD CAM技术似乎没有用 武之地 而对于电火花铣削加工来说 工件的形状是依靠简单电极 棒状或管状 沿十定的轨迹运动包络出来的 这一过程和数控铣削的性质相同 利用CAD CAM技术编制优良的电极运动轨迹程序是必不可少的 与数控铣削程序的G指令格式不一样 电火花铣削加工的指令必须反映电脉冲的参数 通常称为C指令 编制C指令程序的好坏直接影响到加工效率 加工稳定性和加工精度 然而真正成熟的加工程序决不可忽略工艺问题 如前所述 电火花铣削的电极补偿技术尚不成熟 因此 到目前为止 对C指令的编制和优化仍处于研究阶段 3 4模具精密加工技术3 4 1精密 超精密加工按我国目前的加工水平 一般加工 精密加工和超精密加工可划分如下 1 一般加工一般指加工精度在10 m左右 相当于在IT5 7级精度 表面粗糙度见值在0 2 0 8 m的加工方法 如车 铣 刨 磨 铰等 适用于汽车 拖拉机制造等工业 2 精密加工一般指加工精度在10 0 1 m 相当于IT5级精度和IT5级以上精度 表面粗糙度Ra值在0 1 m以下的加工方法 如金刚车 金刚镗 研磨 珩磨 超精研 砂带磨 镜面磨削和冷压加工等 用于精密机床 精密测量仪器等制造业中的关键零件加工 如精密丝杠 精密齿轮 精密蜗轮 精密导轨 精密滚动轴承和气动轴承等 在当前的制造工业中占有极重要的地位 3 超精密加工超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为0 1 0 01 m数量级 表面粗糙度Rz值为0 001 m数量级的加工方法 加工中所使用设备的分辨率和重复精度应为0 01 m数量级 目前 超精密加工的精度正从微米工艺向纳米工艺提高 微米工艺是指精度为1 10 2 m的微米 亚微米级工艺 而纳米 nm 工艺是指精度为10 2 10 3 m的纳米级工艺 1 m 103nm 3 4 2精密 超精密加工的工艺特点3 4 3精密 超精密加工方法3 4 4模具精密加工技术应用3 5精密测量一 单位介绍 常用的单位有公制 mm 和英制 inch 二种 1 公制 1mm Millimeter毫米 100 条 1000m 二 测量概念1 精密测量是建立在空间坐标系的观念上 基本元素为点 线 圆三种 2 在坐标系中 元素之