第三章模具制造的其它方法

第三章模具制造的其它方法

a.型腔的冷挤压加工

b.超塑成形工艺(gōngyì)

c.铸造制模技术

b.合成树脂模具的制造

学习(xuéxí)新内容第一页，共48页。第一节型腔的冷挤压加工

冷挤压加工是在常温条件(tiáojiàn)下，将淬硬的工艺凸模压人模坯，使坯料产生塑性变形，以获得与工艺凸模工作表面形状相同的内成形表面。型腔冷挤压工艺具有以下特点：

1）可以加工形状复杂的型腔，尤其适合于加工某些难于进行切削加工的形状复杂的型腔。

2）挤压过程简单迅速，生产率高；一个工艺凸模可以多次使用。对于多型腔凹模来用这种方法，生产效率的提高更明显。

3）加工精度高（可达IT7或更高），表面粗糙度小（Ra＝0.16μm左右）。

4）冷挤压的型腔、材料纤维未被切断，金属组织更为紧密，型腔强度高。第二页，共48页。一、冷挤压方式

1.闭式冷挤压

封闭式冷挤压是将坯料(pīliào)放在冷挤压模套内进行挤压加工。

2.开式冷挤压

敞开式冷挤压在挤压型腔毛坯外面不加模套。图3－l闭式冷挤压

1－模套２－导向(dǎoxiànɡ)套３－工艺凸模４－模坯５－垫板图3－2敞开式冷挤压开式冷挤压示意图1－工艺(gōngyì)凸模2－模坯３－导套第三页，共48页。

二、冷挤压的工艺准备

1．冷挤压设备的选择

型腔冷挤压所需的力，与冷挤压方式、模坯材料及其性能、挤压时的润滑(rùnhuá)情况等许多因素有关，一般采用下列公式计算:

F＝pA

式中F--挤压力，单位为N。

A--型腔投影面积，单位为mm2；

p--单位挤压力，单位为MPa，见表3－1。

表3－1坯料抗拉强度(kànɡlāqiánɡdù)与单位挤压力的关系第四页，共48页。

2．工艺凸模和模套设计

（1）工艺凸模

工艺凸模在工作时要承受极大的挤压力(yālì)，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，凸模材料还应有良好的切削加工性。热处理硬度应达到61---64HRC。表3－2工艺凸模材料(cáiliào)的选用第五页，共48页。三个部分组成(zǔchénɡ)：

1）工作部分

L1段。这部分的尺寸应和型腔设计尺寸一致，其精度比型腔精度高一级；表面粗糙度Ra＝0.32---0.08μm。一般将工作部分长度取为型腔深度的1.l---1.3倍。

2）导向部分

L2段。用来和导向套的内孔配合，以保证工艺凸模和工作台面垂直，在挤压过程中可防止凸模偏斜，保证正压入。一般取D＝1.5d；L2＞（1---1.5）D。外径D与导圈配合为H8／h7，表面粗糙Ra＝1.25μm。

3）过渡部分

过渡部分是工艺凸模工作端和导向端的连接部分，为减少工艺凸模的应力集中，防止挤压时断裂，过渡部分应采用较大半径的圆弧平滑过渡，一般R≥5mm。图3－3工艺(gōngyì)凸模第六页，共48页。图3－4螺钉(luódīng)脱模

１－脱模螺钉(luódīng)

２－垫圈

3－脱模套

4－工艺凸模

5－模坯第七页，共48页。图3－5单层模套（2）模套在封闭式冷挤压时，将型腔毛坯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）单层模套图3－5所示为单层模套。实验证明，对于单层楼套，比值r2/r1越大则模套强度越大。但当r2/r1＞4以后，既使再增加模套的壁厚，强度的增大(zēnɡdà)已不明显，所以实际应用中常取r2＝４r1。单层模套和内模套的材料一般选用45钢、40Cr等材料制造，热处理硬度43---48HRC。外层模套材料为Q235或45钢。

第八页，共48页。图3－6双单层模套

1－内模套2－外模套2）双层模套由实践和理论(lǐlùn)计算证明，双层模套的强度约为单层模套的1.5倍。各层模套尺寸分别为：r3＝（3.5---4）r１；r２＝（１.７---１.８）r１。内模套与坯料接触部分的表面粗糙度Ra=1.25---0.16μm。

第九页，共48页。3．模坯准备

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），提高材料的塑性、降低强度以减小挤压时的变形抗力。

在决定模坯的形状尺寸时，应同时考虑模具的设计尺寸要求和工艺要求，模坯的厚度尺寸与型腔的深度，以及模坯的端面积与型腔在端面上投影面积之间的比值要足够大，以防止在冷挤压时模坯产生翘曲或开裂。

封闭式冷挤压坯料的外形轮廓，一般为圆柱体或圆锥体，其尺寸按以下经验公式确定(quèdìng)D＝（2---2.5）d

h＝（2.5---3）h1

式中D--坯料直径，单位为mm；

d--型腔直径，单位为mm；

h--坯料高度，单位为mm；

h1--型腔深度，单位为mm。第十页，共48页。图3－7模坯尺寸(chǐcun)

a）无减荷穴模坯b）有减荷穴模坯有时为了减小挤压力，可在模坯底部加工出减荷穴，如图3－7b所示。减荷穴的直径d1＝（0.6---0.7）d，减荷穴处切除的金属体积约为型腔体积的60％。但当型腔底面需要同时(tóngshí)挤出图案或文字时，坯料不能设置减荷穴。相反应将模坯须面作成球面，如图3－8a所示，或在模坯底面垫一块和图案大小一致的垫块，如图3一8b所示。以使图案文字清晰。

图3一8有图案(túàn)或文字的模坯第十一页，共48页。三、冷挤压(jǐyā)时的润滑

在冷挤压(jǐyā)过程中，工艺凸模与坯料通常要承受2000---3500MPa的单位挤压(jǐyā)力。最简便的润滑方法是将经过去袖清洗的工艺凸模与坯料，在硫酸铜饱和溶液中浸渍3---4s，并涂以凡上林或机油稀释的二硫化钼润滑剂。

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，而将坯料进行除油清洗后，放人磷酸盐溶液中进行浸渍，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（其耐热能力可达600℃）、高压，具有多孔性组织，能储存润滑剂。挤压(jǐyā)时再用机油稀释的二硫化用作润滑，涂于工艺凸模和模坯表面，就可以保证高压下坯料与工艺凸模隔开，防止在挤压(jǐyā)过程中产生凸模和坯料粘附的现象。第十二页，共48页。第二节超塑成形工艺

某些金属材料在一定条件下具有特别(tèbié)好的塑性，其延伸率可达100％---2000％，这种现象叫做超塑性。凡伸长率超过100％的材料均称为超塑性材料。

具有超塑性的材料有很多种，用于制造模具的如T8A、T12A、Cr12MoV、9siCr、ZnA122等。

一、起塑性合金ZnA122的性能

这种材料为锌基中含铝（WAI＝22％），在275C以上时是单相的α固溶体，冷却时分解成两相，即α（AI）＋β（Zn）的层状共析组织（也称为珠光体）。如在单相固溶体时（通常加热到360℃）快速冷却，可以得到5μm以下的粒状两相组织。在获得5μm以下的超细晶粒后，当变形温度处于250C时，其延伸率S可达1000％以上，即进入超塑性状态。在这种状态下将工艺凸模压入（挤压速度在0.01---0.1mm／min）合金材料内部，能使合金产生任意的塑性变形，其成形压力远小于一般冷挤压时所需的压力。经超塑性成形后，再对合金进行强化处理获得两相层状共析组织，其强度σb可达400---430MPa。第十三页，共48页。表3－3ZnA122的主要(zhǔyào)成分和性能图3－9ZnA122的超塑性(sùxìng)处理工艺图3－10ZnA122的强化(qiánghuà)处理工艺第十四页，共48页。

二、超塑性成形工艺

用ZnA122制造塑料(sùliào)模型腔的工艺过程如下：

第十五页，共48页。1.坯料准备

由于以ZnA122为型腔材料的凹模大都做成组合结构。型腔的坯料尺寸可按体积不变原理计算。2．工艺凸模

工艺凸模可以采用中碳钢、低碳钢、工具钢、HPb59－l等材料制造，工艺凸模一般可不进行热处理。在确定工艺凸模的尺寸时，要考虑模具材料及塑料制件(zhìjiàn)的收缩率，其计算公式如下：

d＝D［1－αl1·t1＋αl2（t1一t2）＋αl3·t2］

式中d--工艺凸模的尺寸，单位为mm；

D--塑料制件(zhìjiàn)尺寸，单位为mm；

αl1--凸模的线（膨）胀系数，单位为℃-1；

αl2--ZnA122的线（膨）胀系数，单位为℃-1；

αl3--塑料的线（膨）胀系数，单位为℃-1；

t1--挤压温度，单位为℃；

t2--塑料注射温度，单位为℃。

αl2可在0.003---0.006的范围内选取，αl1、αl3可按照工艺凸模及塑料类别从有关手册查得。第十六页，共48页。3．护套

ZnA122在超塑性状态，屈服极限低、伸长率高，工艺凸模压人毛坯时，金属因受力会发生自由的塑性流动而影响成形精度。由于防护套的作用，变形金属的塑性流动方向与工艺凸模的压入方向相反，使变形金属与凸模表面紧密贴合，从而提高了型腔的成形精度。

防护套的内部(nèibù)尺寸由型腔的外部形状尺寸决定，可比坯料尺寸大0.1---0.2mm，内壁粗糙度Ra<0.63μm，并加工成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，壁厚不小于25mm，护套高度应略高于模坯高度。护套的热处理硬度为42HRC以上。图3－11防护套(hùtào)

1－护套(hùtào)2－坯料第十七页，共48页。4.挤压设备及挤压力的计算

对ZnA122的挤压，可以在液压机上进行，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，以便将ZnA122加热到250℃后保持恒温，并以一定的压力实现超塑性成形。挤压力与挤压速度、型腔复杂程度等因素有关。可采用下列经验公式进行计算：

F＝pAη

式中F--挤压力，单位为N；

p--单位挤压力，单位为Mpa，一般在20---100Mpa；

A--型腔的投影面积，单位为mm2；

η＝η1η2η3--修正系数(xìshù)。

η1根据型腔的形状复杂程度在l---1.2的范围内选取；

η2根据型腔的尺寸大小在1---1.3的范围内选取；η3根据挤压速度在1---1.6的范围内选取。第十八页，共48页。5.润滑

润滑剂应能耐高温，常用的有295硅脂、201甲基硅油、硬脂酸锌等。但使用时其用量不能过多(ɡuòduō)，并应涂抹均匀，否则在润滑剂堆积部位不能被ZnA122充满，影响型腔精度。图3－12a是用ZnA122注射(zhùshè)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3－12b所示。第十九页，共48页。图3－12尼龙齿轮的型腔加工过程

a）尼龙齿轮b）型腔加工过程

1－工艺凸模2－模坯3－护套4－电阻式加热(jiārè)圈5－固定板第二十页，共48页。第三节铸造制模技术

一、锌合金模具的制造

用锌合金材料制造工作零件的模具称为锌合金模具。锌合金可以用于制造冲裁、弯曲、成形(chénɡxínɡ)、拉深、注塑、吹塑、陶瓷等模具的工作零件，一般采用铸造方法进行制造。

1．模具用锌合金的性能

制造模具的锌合金以锌为基体，由锌、铜、铝、镁等元素组成，其物理力学性能受合金中各元素质量分数的影响。表3－4锌合金模具(mújù)材料的化学成分第二十一页，共48页。表3－5锌合金模具材料(cáiliào)的性能锌是一种质软、在常温下呈脆性的金属。加入铜，可以提高合金的强度、硬度、耐磨性，但是对合金的塑性和流动性有一定影响。加入铝，可以明显地提高合金的强度、冲击韧性、抑制脆性化合物锌化铁的产生，提高合金的流动性，细化晶粒。

表3－5所列锌合金的熔点为380℃，浇注温度为420--450℃，这一温度比锡、铋低熔点合金高，所以也称中熔点合金。这种合金有良好的流动性，可以铸出形状复杂的立体曲面和花纹。熔化时对热源无特殊要求，浇铸简单(jiǎndān)，不需要专用设备。第二十二页，共48页。图3－13锌合金冲裁凹模的铸造(zhùzào)

1－模架2－凸模3－锌合金凹模

4－模框5－漏料孔芯6－干砂2.锌合金模具制造工艺

（1）砂型铸造法

（2）金属型铸造法

（3）石膏型铸造法

图3－13是锌合金凹模的浇铸示意图。凸模采用高硬度的金属材料制作(zhìzuò)，刃口锋利。凹模采用锌合金材料。第二十三页，共48页。1）熔化合金合金在熔化过程中要不断吸收气体，温度越高吸收越多，因此为了避免在合金凝固时不能完全拆出所吸收的气体，待合金完全熔化之后，需加入干燥的氯化锌或氯化铵进行除气精炼处理，以防合金模具出现气孔。其用量为合金重量的0.1％---0.3％。除气剂必须干燥，以免发生(fāshēng)爆溅。精炼时可在合金表面覆盖一层木炭粉。合金的熔化温度应控制在450---500℃。

2）预热在浇注前必须预热凸模，以保证浇注质量。预热温度同浇注方式和浇注合金的用量有关。通常预热温度控制在150～200℃最佳。

3）浇注合金的浇注温度应控制在420～450℃。第二十四页，共48页。图3－14可调式模框

a）可调式模框

b）“Г”形钢板(gāngbǎn)

c）“U”形卡子图3－15厚模框第二十五页，共48页。图3－16所示为鼓风机叶片冲模。采用(cǎiyòng)金属型铸造。其工艺过程为：第二十六页，共48页。图3－16金属型铸造

a）鼓风机叶片b）、c）铸型制作d）、e）浇注(jiāozhù)法铸造

1－砂箱2－模型3－型砂4－模框5－压铁6－锌合金第二十七页，共48页。1）制作样件对某些样件还要考虑合金的冷却收缩对尺寸的影响。图3－16a所示鼓风机叶片的样件可以用板料经手工敲制后拼接而成。

为了便于(biànyú)分模和取出样件，样件上的垂直表面应光滑平整，不允许有凹陷，最好有一定的拔模斜度。

2）铸型制作

3）浇注合金考虑到合金冷凝时的收缩，故浇注合金的厚度应为所需厚度的2---3倍。当开始冷凝时要用喷灯在上面及周围加热使其均匀冷凝固化。完成图3－16d的浇铸后取出样件，将其放人图3－16e的模框内，浇铸，即可制成鼓风机叶片冲压模的工作零件。

最后应进行落砂、清理和修整即得模具的成品零件。第二十八页，共48页。②样件制模法：这是直接用样件为铸型，铸造模具的方法。这种方法简便易行，应用广泛，但型面尺寸精度低。样件是用板料制成的与冲压件形状、尺寸一致(yīzhì)的薄壁零件。其制作方法有手工敲制法和冲压件改制法。手工敲制法，是用金属（钢、铝、铜等）板料手工敲制而成，这种样件尺寸雕较低，形状不能太复杂，对饭金工的技术水平要求较高。用冲压件进行改制，只需按照工艺要求增加一些补充部分（一般是凸缘）即可，制作简单，样件精度高。图3-43所示的是利用冲压件改制样件的制模过程。图4-43利用冲压件改制(gǎizhì)样件制模a)冲压件b)改制(gǎizhì)后的样件c)利用样件浇注第二十九页，共48页。图4-44利用(lìyòng)样件制作凸模铸型第三十页，共48页。(3)石膏型铸造利用样件翻制石膏铸型，浇注锌合金凸模或凹模的方法称为石膏型铸造。石膏铸型制作工艺简单，并具有良好的复制性能，因此这种方法可用于制作花纹细致、轮廓清晰、形状复杂、表面精度与尺寸精度较高的模具。但由于石膏是一种导热性差、吸湿性强、强度低、脆性高的材料，一般只适用于生产小型成形模、塑料模等模具。①配制原料：石膏铸型用石膏为熟石膏粉(水解凝固快)与少量石英、水泥的混合物。②混浆：先按一定的比例在容器内加定量的水，将烘干的石膏粉均匀地撒在清水中，使之慢慢自然沉积。待气泡停止放出，用木棒均匀地搅拌成糊状石膏浆。③喷涂脱模剂：在石膏浆浇注之前(zhīqián)，应在模型表面及模框内壁涂上脱模剂。常用的脱模剂有甲皂溶液、硬脂酸溶液、变压器油等。④浇注、脱模、烘干：待石膏浆制成后，应立即浇注入已放置好样件的模框内成形。从混浆到浇注的速度要快，应小于10min。第三十一页，共48页。表3－6铍青铜模具(mújù)材料的化学成分二、铍铜合金模具

铍铜合金也称铍青铜（工业上把除锌以外的其它元素的铜合金称为青铜）。铍青铜是一种由0.5％---3％的铍和钴、硅组成(zǔchénɡ)的铜基会金。铍青铜模具材料的化学成分见表3－6。经过热处理后可获得较好的综合力学性能，除具有高的强度及硬度（高于中碳钢）、弹性、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性外，还具有高的导电性、导热性、无磁性等特性。第三十二页，共48页。铍铜合金主要用来制造塑料模。铍铜合金模具具有以下特点：

1）导热性好；

2）可缩短模具制造时间；

3）热处理后强度均匀；

4）耐腐蚀；

5）铸造(zhùzào)性好，可铸成复杂形状的模具；

6）模型精度要求高；

7）材料价格高；

8）需要用压力铸造(zhùzào)技术。

铍铜合金适于制作模具需要量大、切削加工困难、形状复杂的精密塑料成形模具。图3－17是用金属(jīnshǔ)模型浇铸被铜合金的示意图。第三十三页，共48页。图3－17铍铜合金示意图

1－加压装置(zhuāngzhì)2－铍铜合金凹模3－铸造模框

4－脱模螺钉5－垫板6－母模第三十四页，共48页。三、陶瓷型铸造

陶瓷型是用质地较纯、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精度（IT8---IT10），表面粗糙度可达10---1.25μm。所以这种铸造方法亦称陶瓷型精密铸造。

目前(mùqián)陶瓷型铸造已成为铸造大型厚壁精密铸件的重要方法。在模具制造中常用于铸造形状特别复杂、图案花纹精致的模具，如塑料模、橡胶模、玻璃模、锻模、压铸模和冲模等。用这种工艺生产的模具，其使用寿命往往接近或超过机械加工生产的模具。由于陶瓷型铸造的精度和表面粗糙度还不能完全满足模具的设计要求，因此对要求较高的模具可与其它工艺结合起来应用。第三十五页，共48页。1．陶瓷层材料

制陶瓷型所用的造型材料包括耐火材料、粘结剂、催化剂、脱模剂、透气剂等。

（1）耐火材料可用作陶瓷型耐火材料的有：刚玉粉、铝钒土、碳化硅及锆砂（ZrSiO4）等。

（2）粘结剂陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙酯水解液。它不能起粘结剂的作用，只有水解后成为硅酸溶胶才能用作粘结剂。

（3）催化剂通常用氢氧化钙(qīnɡyǎnɡhuàɡài)和氧化镁（化学纯）作催化剂,结胶时间为3---5min。

（4）脱模剂常用的脱模剂有上光蜡、变压器油、机油、有机硅油及凡士林等。

（5）透气剂陶瓷型经喷烧后，表面能形成无数显微裂纹，在一定程度上增进了铸件的透气性，但与砂型比较，它的透气性还是很差，故需往陶瓷浆料中加入透气剂以改善陶瓷型的透气性能。生产中常用的透气剂是双氧水。第三十六页，共48页。2.工艺过程及特点

（l）工艺过程

只有小型陶瓷型才全部采用陶瓷浆料灌制。对于大型陶瓷型，如果也全部采用陶瓷浆造型则成本太高。为了节约陶瓷浆料、降低成本，常采用带底套的陶瓷型，即与液体金属直接接触的面层用陶瓷材料灌注(guànzhù)，而其余部分采用砂底套（或金属底套）代替陶瓷材料。图3－18所示是采用水玻璃砂底套的陶瓷(táocí)型造型工艺：第三十七页，共48页。图4-46陶瓷型铸造

a)粗模b)精模c)砂套造型d)灌浆(guàng〃jiāng)e)起模f)喷烧

1－砂箱2－粗模3－水玻璃砂4－排气孔及灌浆(guàng〃jiāng)孔芯

5－垫板6－陶瓷灌浆(guàng〃jiāng)7－精模第三十八页，共48页。表3－7耐火材料与水解(shuǐjiě)液的配比图3－19合箱

a）待浇铸(jiāozhù)的陶瓷型b）铸件第三十九页，共48页。

（2）陶瓷型铸造的特点

(1)生产周期短、成本低由于陶瓷型铸造工艺简单，所需的投资少，加工精度高，机械加工工作量少，因此，陶瓷型铸造可以大大缩短模具的生产周期，模具的生产成本降低。

(2)节省材料可以直接利用报废的模具重新熔炼(rónɡliàn)铸造。同时，还可节约大量的镍、铬、钼等重要合金材料。

(3)模具性能好陶瓷铸型采用粒度细小的耐火材料，灌浆表面光滑，铸件表面粗糙度小；陶瓷浆料的热稳定性高，高温下变形小，模具尺寸精度较高。陶瓷型铸造模具寿命比机械加工模具的使用寿命长25％～500％。

由于陶瓷所用的耐火材料的效稳定性高，所以能铸造高熔点难于机械加工的精密零件。但硅酸乙酯、刚玉等原材料价格昂贵，灌浆后产生的局部缺陷难以修复，铸造生产环节多等特点，限制了陶瓷型铸造模具的发展。第四十页，共48页。第四节合成树脂模具的制造

用合成树脂制造的模具与金属模具相比，其强度和耐用度虽然(suīrán)较差，但制模时间短，使用方便，制造和修理容易，在新产品试制或制件批量较小的情况下，为了降低制造成本，缩短制模周期，可采用合成树脂制作薄钢板、铝板的弯曲、拉深模具以及中小型塑料注射模具等。用合成树脂制作模具有以下两种方法：湿式叠层法浇注法第四十一页，共48页。一、制造模具的树脂

1．聚酯树脂

这种树脂可在常温常压下进行硬化，有以下特点：机械强度高；成形方法容易；化学性能稳定。2．酚醛树脂

酚醛树脂本身很脆，必须加入各种填料后方能获得所要求的性能，这种树脂的原材料丰富，价格低廉。

3．环氧树脂

环氧树脂是热固性树脂中收缩(shōusuō)性最小的一种，若加人填料后其收缩(shōusuō)率更小（约为0.1％），具有高的机械强度，在常温下能耐一般酸、碱、盐和有机溶剂等化学药品的侵蚀，但其制品抗冲击性能低、质脆，需要加人适量的填充剂、稀释剂、增韧剂等来改善其性能。4．塑料钢

塑料钢是铁粉和塑料的混合物，其质量分数分别为80％和20％，加人特殊固化剂，不要加压、加热，经2h左右即可固化成金属一样的制品。另外也能像粘土一样自由造型。塑料钢可作拉深模，其缺点是价格昂贵。

第四十二页，共48页