模具数字化制造技术课件

3.6 模具数字化制造技术模具数字化制造技术3.6.1模具的高速切削加工技术3.6.2大面积电子束的模具精加工技术3.6.3基于逆向工程的模具AD/CAM/DNC技术3.6.4快速模具制造技术及其应用3.6.5模具设计和加工技术的发展方向3.6.1模具的高速切削加工技术（1）高速切削加工技术的特点加）高速切削加工技术的特点加（2）工模具的高速切削机床）工模具的高速切削机床（3）高速切削模具的刀具技术）高速切削模具的刀具技术（4）高速切削模具的工艺技术）高速切削模具的工艺技术（1）高速切削加工技术的特点 高速切削加工模具是利用机床的高转速和高进给速度高速切削加工模具是利用机床的高转速和高进给速度,以以切削方式完成模具的多个生产工序。高速切削加工模具的优切削方式完成模具的多个生产工序。高速切削加工模具的优越性主要表现在以下几个方面：越性主要表现在以下几个方面：高速切削粗加工和半精加工高速切削粗加工和半精加工,大大提高金属切除率。大大提高金属切除率。采用高速切削机床、刀具和工艺采用高速切削机床、刀具和工艺,可加工淬硬材料。对可加工淬硬材料。对于小型模具于小型模具,在材料热处理后在材料热处理后,粗、精加工可以在一次装夹中粗、精加工可以在一次装夹中完成完成;对于大型模具对于大型模具,在热处理前粗加工和半精加工在热处理前粗加工和半精加工,热处理热处理淬硬后精加工。淬硬后精加工。高速高精度硬切削代替光整加工高速高精度硬切削代替光整加工,减少大量耗时的手工减少大量耗时的手工修磨修磨,比电火花加工提高效率比电火花加工提高效率50%。（2）工模具的高速切削机床）工模具的高速切削机床(1)要求机床主轴功率大、转速高要求机床主轴功率大、转速高,满足粗、精加工。精加工满足粗、精加工。精加工模具要用小直径刀具模具要用小直径刀具,主轴转速达到主轴转速达到1500020000rmp以上。主轴转速在以上。主轴转速在10000rpm以下以下 的机床可以进行粗加工的机床可以进行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生产中同时满足粗、精加和半精加工。如果需要在大型模具生产中同时满足粗、精加工工,则所选机床最好具有两种转速的主轴则所选机床最好具有两种转速的主轴,或两种规格的电主或两种规格的电主轴。轴。(2)机床快速进给对快速空行程要求不太高。但要具有比机床快速进给对快速空行程要求不太高。但要具有比较高的加工进给速度较高的加工进给速度(3060m/min)和高加减速度。和高加减速度。(3)具有良好的高速、高精度控制系统具有良好的高速、高精度控制系统,并具有高精度插补、并具有高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。(4)选用与高速机床配套的选用与高速机床配套的CAD/CAM软件软件,特别是用于高特别是用于高速切削模具的软件。速切削模具的软件。（3）高速切削模具的刀具技术）高速切削模具的刀具技术 高速切削加工需配备适宜的刀具。硬质合金涂层高速切削加工需配备适宜的刀具。硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具的应用使得刀具同时兼具高刀具、聚晶增强陶瓷刀具的应用使得刀具同时兼具高硬度的刃部和高韧性的基体成为可能硬度的刃部和高韧性的基体成为可能,促进了高速加工促进了高速加工的发展。聚晶立方氮化硼的发展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度可达刀片的硬度可达35004500HV,聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)硬度可达硬度可达600010000HV。近年来。近年来,德国德国SCS、日本三菱、日本三菱(神钢神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司先后推出各自的高速切削刀具具公司先后推出各自的高速切削刀具,不仅有高速切削不仅有高速切削普通结构钢的刀具普通结构钢的刀具,还有直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀还有直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具具等超硬刀具,尤其是涂层刀具在淬硬钢的半精加工和尤其是涂层刀具在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。精加工中发挥着巨大作用。一般来说一般来说,要求刀具以及刀夹的加速度达到要求刀具以及刀夹的加速度达到3g以以上时上时,刀具的径向跳动要小于刀具的径向跳动要小于0.015mm,而刀的而刀的长度不大于刀具直径的长度不大于刀具直径的4倍。据倍。据SANDVIK公司的公司的实际统计实际统计,在使用碳氮化钛在使用碳氮化钛(TICN)涂层的整体硬质涂层的整体硬质合金立铣刀合金立铣刀(58HRC)进行高速铣削时进行高速铣削时,粗加工刀具线粗加工刀具线速度约为速度约为100m/min,而精加工和超精加工时而精加工和超精加工时,线线速度超过了速度超过了280m/min。据国内高速精加工模具。据国内高速精加工模具的经验的经验,采用小直径球头铣刀进行模具精加工时采用小直径球头铣刀进行模具精加工时,线线速度超过了速度超过了400m/min。这对刀具材料。这对刀具材料(包括硬包括硬度、韧性、红硬性度、韧性、红硬性)、刀具形状、刀具形状(包括排屑性能、表包括排屑性能、表面精度、动平衡性等面精度、动平衡性等)以及刀具寿命都有很高的要以及刀具寿命都有很高的要求。因此求。因此,在高速硬切削精加工模具时在高速硬切削精加工模具时,不仅要选择不仅要选择高速度的机床高速度的机床,而且必须合理选用刀具和切削工艺。而且必须合理选用刀具和切削工艺。在高速加工模具时在高速加工模具时,要重点注意以下几个方面要重点注意以下几个方面:根据不同的加工对象根据不同的加工对象,合理选择硬质合金涂层刀具、合理选择硬质合金涂层刀具、CBN和和金刚石烧结层刀具。金刚石烧结层刀具。采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工,通常精加工刀具通常精加工刀具直径直径10mm。根据被加工材料以及硬度。根据被加工材料以及硬度,所选择的刀具直径所选择的刀具直径也不同。在刀具材料的选用方面也不同。在刀具材料的选用方面,TiAIN超细晶粒硬质合金涂层超细晶粒硬质合金涂层刀具润滑条件好刀具润滑条件好,在切削模具钢时在切削模具钢时,具有比具有比TiCN硬质合金涂层硬质合金涂层刀具更好的抗磨损性能。刀具更好的抗磨损性能。选择合适的刀具参数选择合适的刀具参数,如负前角等。高速加工刀具要求比普如负前角等。高速加工刀具要求比普通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力更强。通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力更强。采取多种方法提高刀具寿命采取多种方法提高刀具寿命,如合适的进给量、进刀方式、如合适的进给量、进刀方式、润滑方式等润滑方式等,以降低刀具成本。以降低刀具成本。采用高速刀柄。目前应用最多的是采用高速刀柄。目前应用最多的是HSK刀柄和热压装夹刀刀柄和热压装夹刀具具,同时应注意刀具装夹后主轴系同时应注意刀具装夹后主轴系 统的整体动平衡。统的整体动平衡。（4）高速切削模具的工艺技术）高速切削模具的工艺技术 高速加工模具工艺处理应该遵循以下原则高速加工模具工艺处理应该遵循以下原则:采用小直径刀具精加工时采用小直径刀具精加工时,切削速度随着材料硬度的增切削速度随着材料硬度的增加而降低。加而降低。保持相对平稳的进给量和进给速度保持相对平稳的进给量和进给速度,切削载荷连续切削载荷连续,减减少突变少突变,缓进缓退。避免直接垂直向下进刀而导致崩刃缓进缓退。避免直接垂直向下进刀而导致崩刃:斜斜线轨迹进刀的铣削力逐渐加大线轨迹进刀的铣削力逐渐加大,对刀具和主轴的冲击小对刀具和主轴的冲击小,可可明显减少崩刃明显减少崩刃;螺旋式轨迹进刀切入螺旋式轨迹进刀切入,更适合型腔模具的高更适合型腔模具的高速加工。速加工。小进给量、小刀纹切削。通常进给量小于铣刀直径小进给量、小刀纹切削。通常进给量小于铣刀直径10%,进给宽度小于铣刀直径进给宽度小于铣刀直径40%。保留均匀精加工余量。保留均匀精加工余量。保持单刃切削。保持单刃切削。内拐角以圆弧过渡螺旋线进给切削 直线斜向进给切入 螺旋线进给切入 螺旋线进给加工平面 高速铣削加工孔在等平面上加工轮廓以螺旋线或摆线路径进给加工槽大面积电子束的模具精加工技术（1）电子束镜面加工装置的规格）电子束镜面加工装置的规格（2）加工特性）加工特性（1）电子束镜面加工装置的规格（2)加工特性照射前后表面粗糙度的比较电子束的去除量 不同加工面对电子束照射表面层的影响盐水喷雾试验电子束镜面加工装置表面精加工特性1.电子束照射能降低表面粗糙度值。电子束照射能降低表面粗糙度值。2.电子束照射只是在最表面层上进行均电子束照射只是在最表面层上进行均 匀地予以匀地予以去除。去除。3.电子束照射能使表面生成非晶化层。电子束照射能使表面生成非晶化层。4.电子束照射能大幅度提高耐蚀性。电子束照射能大幅度提高耐蚀性。5.电子束照射能增强防水性。电子束照射能增强防水性。6.电子束照射能在模具精加工中实现新的、高效率电子束照射能在模具精加工中实现新的、高效率无需手工抛光工序。无需手工抛光工序。3.6.3 基于逆向工程的模具CAD/CAM/DNC技术 数字化CAD/CAM/DNC逆向工程一般可分为5个阶段:(1)零件原型的数字化,通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面点的三维坐标值。(2)从测量数据中提取零件原型的几何特征,按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。(3)零件原型CAD模型的重建,将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合,并通过各表面片的求交与拼接获取零件原型表面的CAD模型。(4)重建CAD模型的检验与修正,采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求,对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的设计要求。(5)在建立模具全数字化三维模型的基础上,实现模具型腔的数控加工。基于逆向工程的CAD/CAM/DNC一体化环境 应用流程 在模具在模具CAD/CAM/DNC一体化集成环境的支持下一体化集成环境的支持下,进行复杂模具进行复杂模具计算机辅助设计与数控加工计算机辅助设计与数控加工(CAD/CAM/DNC)的基本流程如下的基本流程如下:(1)根据加工模具的结构形状及设计要求根据加工模具的结构形状及设计要求,利用利用Pro/E软件的三维造软件的三维造型型(实体和曲面实体和曲面)设计建立完整、准确的模具三维实体设计建立完整、准确的模具三维实体(曲面曲面)模型。模型。(2)在模具三维主模型的基础上在模具三维主模型的基础上,利用利用MasterCAM软件的加工模块软件的加工模块拟定模具加工工艺拟定模具加工工艺(粗、精加工粗、精加工),选择相应的加工参数及有关选选择相应的加工参数及有关选项。项。(3)生成模具数控加工的刀位文件。生成模具数控加工的刀位文件。(4)利用利用MasterCAM软件进行数控加工的实体加工仿真模拟软件进行数控加工的实体加工仿真模拟,检查检查刀位文件的合理性及有效性刀位文件的合理性及有效性,以代替实际试切过程。以代替实际试切过程。(5)根据具体加工机床进行刀位文件的后处理根据具体加工机床进行刀位文件的后处理,生成该机床的数控加生成该机床的数控加工指令工指令(加工代码加工代码)。(6)将模具的数控加工代码将模具的数控加工代码,采用采用DNC方式方式,控制数控机床控制数控机床(加工中心加工中心)的在线加工。的在线加工。应用流程电话机外壳特征曲线电话机外壳造型 型腔板和型芯 模具型腔的实体加工仿真模拟3.6.4快速模具制造技术及其应用(1)树脂模具树脂模具(2)低熔点合金模具低熔点合金模具(3)硅橡胶模具硅橡胶模具(4)其他快速制模技术其他快速制模技术(1)树脂模具在航空及汽车工业中，应用环氧树脂及聚氨酯系列制作模具与钢模相比有很多突出优点：只需很少设备及几分之一的时间；重量轻，而且具有非常好的机械及热学性能、很好的尺寸稳定性、高强度和高耐腐蚀性。制作树脂模具的基本方法拉延模凹模压边圈凸模汽车覆盖件树脂模具（2）低熔点合金模具用于快速制模的材料有铋锡合金、锌基合金。用低熔点合金材料快速制作轿车大型覆盖件模具的优点有：1）设计制作时间短，铸后型腔一般无须再机械加工和钳工研磨，对于大面积凹面、曲面的修整较为方便，模具的工作部分无须热处理，因而制作周期只有钢模的1/7；2）成本低只有钢模的1/10，失效后可重新熔化再制，是一种绿色材料；3）具有抗粘结性和自润滑性能，因而用于覆盖件的冲压成形时不会损伤制件；4）其不仅可用于成形、拉伸和弯曲模，还可采用在适当部位镶钢的方法，制成冲裁模和切边模。金属薄板成形件低熔点合金上模架上模架加热管低熔点合金模制作方法之一1 首先在金属薄板成形件上，适量 地钻2.5 3mm的工艺孔，用于液态金属流入；2 用加热管加热低熔点合金，经2 小时，温度上升至150合金充 分熔化；3 启动压机，使上模架与金属薄板 成形件一起缓慢下降压入液态金 属中，低熔点合金从工艺孔流入 金属薄板成形件，充满后停止加 热，让金属冷却；4 3小时后，温度下降到65 以 下时，启动压机拔出凸模。对 凸凹模稍加修整，一套低熔点 合金模即制作完成。新车型的快速小批量生产解决方案新车型的快速小批量生产解决方案计算机三维设计成形加工成形原型件用低熔点合金或树脂制作凸凹模制作模具小批量生产(3)硅橡胶模具在新产品开发过程中，利用在新产品开发过程中，利用LOM技术加工原技术加工原型件，通过真空注塑机制造硅橡胶模具，型件，通过真空注塑机制造硅橡胶模具，可用于试制少量新产品。其过程如下：可用于试制少量新产品。其过程如下：LOM原型经过表面处理，可作为硅橡胶模具原型经过表面处理，可作为硅橡胶模具的母样，在真空注型机中制成硅橡胶软模。的母样，在真空注型机中制成硅橡胶软模。用硅橡胶软模，在真空注型机中可以浇注用硅橡胶软模，在真空注型机中可以浇注出高分子材料制件，供新产品试制使用。出高分子材料制件，供新产品试制使用。汽车灯具LOM原型件、硅橡胶软模及高分子材料制件 图8HZ型真空注型设备（4）其他快速制模技术 A.采用薄材叠层制件与转移涂料技术制作铸件和铸造用金属模具 薄材叠层制件可代替木模直接用于砂型铸造。模具原型（左）和铸件（右）电机薄材叠层铸造模型 薄材叠层模型及经转移涂料法铸造的金属铸造模具薄材叠层模型及经转移涂料法铸造的金属铸造模具 B.用薄材叠层方法制作铸造用汽化模 薄材叠层原型件、汽化模模具及金属零件 C.制造石蜡件的蜡模 压制石蜡原型的模具 3.6.5模具设计和加工技术的发展方向模具设计技术的发展方向模具设计资料库和知识库系统；模具工程规划及方案设计；模具材料和标准件的合理选用；模具刚性、强度、流道及冷却通路的设计；塑料模具成形过程的各种模拟分析；冲压模金属成形过程的模拟、起皱及破裂分析、应力应变和回弹分析等；压铸模压铸件成形流动模拟、热传导及凝固分析等；锻模锻件成形过程模拟及金属流动和填充分析等；提高设计和分析软件的快速性、智能化和集成化水平，并强化它们的功能，以适应模具的不断发展。模具加工技术的发展方向高速铣削技术的进一步发展及其推广应用；高速铣削技术的进一步发展及其推广应用；电火花加工技术的不断发展；电火花加工技术的不断发展；快速原型制造和快速制模技术将得到更快更好的发展；快速原型制造和快速制模技术将得到更快更好的发展；超精加工、微细加工和复合加工技术；超精加工、微细加工和复合加工技术；先进表面处理技术将进一步受到重视；先进表面处理技术将进一步受到重视；模具研磨抛光将向复合化、自动化、智能化方向发展；模具研磨抛光将向复合化、自动化、智能化方向发展；模具自动加工系统的研制和发展；模具自动加工系统的研制和发展；模具模具CAM/DNC技术及软件的发展和推广应用。技术及软件的发展和推广应用。模具制造综合技术的发展方向模具模具CAD/CAE/CAM一体化技术；一体化技术；精密测量、高速扫描以及数字化系统将在逆向工程精密测量、高速扫描以及数字化系统将在逆向工程和并行工程中发挥更大的作用；和并行工程中发挥更大的作用；模具标准化程度将不断提高；模具标准化程度将不断提高；虚拟技术将得到发展；虚拟技术将得到发展；管理技术将迅速发展。管理技术将迅速发展。