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第五章模具光整加工與模具快速第一頁,共四十四頁,2022年,8月28日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極薄的材料層,以降低表面粗糙度,增加表面光澤和強(qiáng)化其表面為主要目的而進(jìn)行的研磨和拋光加工(簡稱研拋)。。5.1.1光整加工概述1.光整加工的特點(diǎn)第二頁,共四十四頁,2022年,8月28日
①
光整加工的加工余量小,主要用來改善表面質(zhì)量,少量用于提高加工精度(如尺寸精度、形狀精度)的加工,但不能用于提高位置精度的加工。②
光整加工是用細(xì)粒度的磨料對工件表面進(jìn)行微量切削和擠壓的過程,表面加工均勻,切削力和切削熱很小,可獲得很高的表面質(zhì)量。③
光整加工屬于微量加工,不能糾正較大的表面缺陷,其加工前要進(jìn)行精加工。
第三頁,共四十四頁,2022年,8月28日
①
手工研拋。②
擠壓研磨。③
電化學(xué)研拋。④
磁力研拋。⑤
超聲波研拋。⑥
玻璃珠噴射研拋。
2.光整加工的方法第四頁,共四十四頁,2022年,8月28日
研磨時(shí),在模具工作表面嵌入或涂覆磨料,并添加研磨液與輔助填料,在研具工作表面與工件被加工表面間施加一定壓力,使之接觸并作復(fù)雜的相對運(yùn)動,通過磨料顆粒的微切削作用和研磨液的物理化學(xué)作用,從工件被加工表面切除一層極薄的材料,以獲得尺寸精度高,表面粗糙度值低的工件.
5.1.2研磨加工1.研磨的原理第五頁,共四十四頁,2022年,8月28日
研磨塑性材料時(shí),研具與工件之間的磨粒起滑動、滾動切削作用?;瑒忧邢鲿r(shí),磨料顆粒固定在研具上,靠磨粒在工件上的移動進(jìn)行切削;滾動切削時(shí),磨料顆?;境首杂蔂顟B(tài),在研具和磨料之間滾動,靠滾動進(jìn)行切削。
第六頁,共四十四頁,2022年,8月28日研磨脆性材料時(shí),除上述作用外,在壓力p作用下,磨粒顆粒還會使加工表面產(chǎn)生裂紋,隨著磨料顆粒運(yùn)動,裂紋不斷擴(kuò)大、交錯(cuò),以致形成碎片,最后成為切屑脫離工件。第七頁,共四十四頁,2022年,8月28日
①尺寸精度高。②形狀精度高。③表面粗糙度值低。④表面耐磨性好。⑤耐疲勞強(qiáng)度提高。⑥研磨存在一些缺點(diǎn)。勞動強(qiáng)度大,研磨時(shí)間長,效率較低;不能提高各表面間的位置精度;研磨劑易飛濺,容易污染環(huán)境,使臨近的機(jī)械設(shè)備受到腐蝕。2.研磨的特點(diǎn)第八頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)按研磨操作方式劃分①手工研磨。②機(jī)械研磨。(2)按磨料狀態(tài)劃分①濕研。
②干研。③半干研。3.研磨加工方法的分類及應(yīng)用第九頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)磨料常用的磨料有金剛石、氮化硼、剛玉、碳化硅、碳化硼、氧化鐵、氧化鉻等。(2)研磨液常用的研磨液有煤油、10
#
和20
#
機(jī)油、工業(yè)用甘油、動物油等。(3)研磨輔料常用的研磨輔料有硬脂酸、油酸、脂肪酸、蜂蠟、工業(yè)甘油等。4.研磨劑第十頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)手工研具常用的手工研具有研磨砂紙、研磨平板、外圓研磨環(huán)、內(nèi)圓研磨芯棒等,(2)普通油石普通油石一般用于粗研。。(3)電動拋光機(jī)5.研具第十一頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)研磨運(yùn)動軌跡(2)研磨壓力(3)研磨速度(4)研磨余量(5)研磨時(shí)間6.研磨工藝參數(shù)第十二頁,共四十四頁,2022年,8月28日拋光除了可采用研磨工具和拋光機(jī)外,還有一些專用手工拋光工具,如平面拋光器、球面拋光器、自由曲面拋光器等。此外,還有配合拋光機(jī)使用的各種拋光磨頭、拋光刷、毛氈或尼龍夾持器等。
5.1.3拋光加工1.拋光工具第十三頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)“橘子皮”問題拋光時(shí)壓力過大、拋光時(shí)間過長時(shí)易出現(xiàn)這種情況,在拋光表面出現(xiàn)橘子皮狀紋路,拋光工件材質(zhì)較軟時(shí)易出現(xiàn)。主要原因拋光表面壓力過大,導(dǎo)致表面產(chǎn)生微小的塑性變形。解決方法是對工件表面進(jìn)行硬化處理或采用較軟質(zhì)拋光工具。2.影響拋光質(zhì)量因素第十四頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(2)“針孔狀”問題由于工件材料內(nèi)含有雜質(zhì),拋光時(shí)這些雜質(zhì)從金屬組織中脫離出來,形成針狀小坑。解決方法是避免用含氧化物拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光,控制好拋光時(shí)間,換用優(yōu)質(zhì)鋼材。第十五頁,共四十四頁,2022年,8月28日
①拋光過程中更換磨料粒度時(shí),應(yīng)清洗干凈,不能把上一道拋光工序的磨料帶到下一道拋光工序。②每個(gè)拋光工具只能用同一粒度的研磨膏。③根據(jù)拋光工具硬度和研磨膏粒度選擇適當(dāng)?shù)膾伖鈮毫Γチ狭6仍郊?xì),則拋光壓力應(yīng)越低。④先拋光工件的角部、凸臺、邊緣及較難拋光部位,最終拋光方向應(yīng)與模具開啟方向一致。對于尖銳的邊緣和角,宜采用較硬的拋光工具。3.拋光工藝第十六頁,共四十四頁,2022年,8月28日
又稱“電解拋光”,是利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽極溶解現(xiàn)象,使工件表面溶解形成光滑表面的一種拋光方法,其原理如圖5-5所示。電化學(xué)拋光后表面粗糙度一般可達(dá)Ra
=
0.1m,還可改善工件表面的物理性能,但不適用于形狀和尺寸加工。5.1.4其他光整加工1.電化學(xué)拋光第十七頁,共四十四頁,2022年,8月28日其特點(diǎn)如下。①
電解拋光不受工件材質(zhì)和性能的限制,硬質(zhì)合金、粉末冶金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱鋼等都可進(jìn)行拋光。②
電解拋光后,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蝕性能,不產(chǎn)生新的變質(zhì)層及表面殘余應(yīng)力。第十八頁,共四十四頁,2022年,8月28日
③
拋光效率高,如拋光余量為0.10~0.15mm時(shí),電解拋光時(shí)間為10~15min,是手工拋光效率的幾倍。④
工藝簡單,操作容易,設(shè)備簡單,投資小。
第十九頁,共四十四頁,2022年,8月28日電解磨削拋光是將金屬的電化學(xué)陽極溶解作用和機(jī)械磨削作用相結(jié)合的一種磨削工藝。它是靠金屬的溶解(占95%~98%)和機(jī)械磨削(占2%~5%)的綜合作用來實(shí)現(xiàn)加工的,其加工原理如圖5-6所示。
2.電解磨削拋光第二十頁,共四十四頁,2022年,8月28日電解磨削拋光特點(diǎn)如下。①
加工范圍廣,生產(chǎn)效率高。②
加工精度高,表面質(zhì)量好。③砂輪磨損量小。④電解磨削拋光裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,工作電壓低,電解液無毒,適于拋光尺寸要求不太嚴(yán)格的塑料模、壓鑄模、橡膠模等。第二十一頁,共四十四頁,2022年,8月28日
⑤
電解磨削拋光的局限性。拋光后質(zhì)量不高,且殘留氧化膜,所以拋光后仍需手工拋光處理;電解磨削拋光模具刃口時(shí),不易磨得非常鋒利。
第二十二頁,共四十四頁,2022年,8月28日超聲波拋光是利用超聲波能傳遞高能量的特性,通過產(chǎn)生超聲振動的裝置,帶動工具端面作超聲頻振動,迫使工具和工件間的磨料懸浮液撞擊被加工部位而實(shí)現(xiàn)加工的一種方法。超聲波拋光適合于脆硬材料的拋光,其基本原理如圖5-7所示。3.超聲波拋光第二十三頁,共四十四頁,2022年,8月28日超聲波拋光有如下特點(diǎn)。①
超聲波拋光適用于加工各種硬脆材料,特別是不導(dǎo)電的非金屬材料,如玻璃、陶瓷、石英、金剛石等。②
超聲波拋光設(shè)備簡單,使用和維修方便,可用比工件軟的材料做成形狀復(fù)雜的拋光工具,且加工時(shí)工具和工件間不需作復(fù)雜的相對運(yùn)動即可對復(fù)雜型面、型腔進(jìn)行拋光。第二十四頁,共四十四頁,2022年,8月28日
③
對材料的作用力和熱影響力小,不會產(chǎn)生變形、燒傷和變質(zhì)層,可以拋光薄壁、薄片、窄縫及低剛度零件,加工精度可達(dá)0.01~0.02mm,表面粗糙度Ra值可達(dá)0.63~0.08m。
第二十五頁,共四十四頁,2022年,8月28日又稱磨料流動加工,是利用一種將磨料和黏度大的有機(jī)高分子介質(zhì)混合組成的油泥狀研磨拋光劑,在壓力作用下通過被加工表面,由磨料的刮削作用去除被加工表面的微觀不平材料的工藝方法。擠壓研磨拋光原理如圖5-8所示。4.?dāng)D壓研磨拋光第二十六頁,共四十四頁,2022年,8月28日擠壓研磨拋光具有如下特點(diǎn)。①
使用范圍廣。由于研磨拋光劑是一種半流體狀的黏性物質(zhì),可以通過任何復(fù)雜的被加工表面。同時(shí)加工材料范圍廣,金屬材料、陶瓷及硬塑料等都可加工。
第二十七頁,共四十四頁,2022年,8月28日
②
加工質(zhì)量好。這是由于刮削均勻性好,可去除前工序中形成的表面變質(zhì)層和微觀不平等缺陷,而不破壞工件原始形狀精度。一般擠壓研磨拋光的尺寸精度可達(dá)0.01~0.0025mm,表面粗糙度Ra值可達(dá)0.04~0.025m。③
加工效率高。擠壓研磨拋光時(shí)間短,一般只需幾分鐘至十幾分鐘,是手工研磨效率的10倍以上,而且可以實(shí)現(xiàn)多件同時(shí)拋光。
第二十八頁,共四十四頁,2022年,8月28日5.2模具快速成形技術(shù)
快速成形基本原理是首先利用計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品零件進(jìn)行三維造型,然后進(jìn)行平面分層處理,再由計(jì)算機(jī)控制成形裝置從零件基層開始,按每層信息控制成形頭逐層選擇性成形和固化材料,得到與計(jì)算機(jī)三維造形相對應(yīng)的三維實(shí)體,再進(jìn)行后處理,得到所需制造的零件。
5.2.1模具快速成形技術(shù)的原理和特點(diǎn)1.快速成形的原理第二十九頁,共四十四頁,2022年,8月28日
①成形材料范圍廣。目前,樹脂、塑料、紙、石蠟、金屬材料、陶瓷及復(fù)合材料都已在快速成形技術(shù)中得到應(yīng)用。②可進(jìn)行自由制造。RP采用將三維形體轉(zhuǎn)化為二維平面分層的制造原理,不受幾何形狀限制,能直接制造任意形狀復(fù)雜的制件,并能制造復(fù)合材料的制件。③加工效率高。2.快速成形的特點(diǎn)第三十頁,共四十四頁,2022年,8月28日
目前,快速成形技術(shù)已有幾十種,根據(jù)成形方式大致可分為兩類:一類是基于激光或其他光源的成形技術(shù),如立體平板印刷(SLA)、疊層實(shí)體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等;另一類是基于噴射的成形技術(shù),如熔融沉積成形(FDM)、三維印刷等。5.2.2快速成形工藝的種類第三十一頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)成形原理首先采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建零件的CAD三維立體模型,通過計(jì)算機(jī)軟件對模型進(jìn)行平面分層,提取每一層截面的形狀信息。然后由激光發(fā)生器1發(fā)出激光束2,按照截面的形狀數(shù)據(jù),從基層形狀開始逐點(diǎn)掃描,如圖5-9所示。當(dāng)激光束照射到液態(tài)光敏樹脂6時(shí),被照射的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生固化反應(yīng),即可形成一層薄薄的固化層,即零件的截面形狀。1.立體平板印刷第三十二頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(2)立體平板印刷特點(diǎn)①
立體平板印刷的優(yōu)點(diǎn)。制件尺寸精度高,尺寸誤差可控制在0.1mm以內(nèi);表面質(zhì)量好,尤其是上表面非常光滑,可直接制造塑料件;SLA系統(tǒng)穩(wěn)定性好,可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中空、精細(xì)制件。②
立體平板印刷的局限性。成形時(shí)需要對整個(gè)二維截面輪廓進(jìn)行掃描固化,成形效率低,設(shè)備昂貴;制作材料必須是光敏樹脂,運(yùn)行費(fèi)用很高,且光敏樹脂性能不如工業(yè)塑料,較脆,易斷裂,不便于機(jī)械加工。第三十三頁,共四十四頁,2022年,8月28日2.疊層實(shí)體制造
(1)成形原理疊層實(shí)體制造加工原理如圖5-11所示,首先在供料滾筒6的作用下,底面涂有熱熔膠和添加劑的膠紙帶5在工作臺7上自右向左移動預(yù)定的距離,同時(shí)工作臺運(yùn)動到Z向預(yù)定位置,再通過熱壓輥4滾動來加熱加壓,使這層紙帶通過熱熔膠和下層粘接到一起,激光束在控制系統(tǒng)作用下根據(jù)從構(gòu)建的制件CAD三維模型中提取想對應(yīng)層的二維截面輪廓信息切割出二維截面輪廓線,同時(shí)為了成形后能夠除去廢料,將無輪廓區(qū)域切割成小方形網(wǎng)格,完成此層的制作。第三十四頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(2)疊層實(shí)體制造特點(diǎn)①疊層實(shí)體制造的優(yōu)點(diǎn)。與SLA相比設(shè)備加工低廉,需要的激光器功率小,使用壽命長,造型材料便宜,因而總的成本低,且不污染環(huán)境;LOM方法只需切割輪廓截面,成形速度快,且無需設(shè)計(jì)支撐,制造時(shí)間短。②疊層實(shí)體制造的局限性??晒㎜OM制造材料種類少,目前具有商業(yè)用途的只有紙,其他材料尚在研制中。第三十五頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(1)選擇性激光燒結(jié)原理SLS工作原理如圖5-13所示,先將充有氬氣的工作室升溫,并使溫度低于粉末熔點(diǎn)。成形時(shí),送料筒上升,鋪粉滾筒6滾動,在工作臺7上鋪上一層粉末材料1,激光束根據(jù)計(jì)算機(jī)從構(gòu)建的制件三維CAD模型中提取二維截面輪廓信息對粉末進(jìn)行逐點(diǎn)掃描,使粉末熔化相互黏結(jié)形成一層截面輪廓,未照射的粉末作為原型支撐。一層成形后,工作臺下降一個(gè)截面層厚度,再鋪上一層粉末,進(jìn)行下一層成形。3.選擇性激光燒結(jié)第三十六頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(2)選擇性激光燒結(jié)特點(diǎn)①選擇性激光燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)。成形材料種類多,如塑料、金屬、陶瓷等都可作SLS材料;成形工藝簡單,可直接制造形狀復(fù)雜的型腔,尺寸精度可達(dá)0.1mm,無方向差別,余料去除方便。②選擇性激光燒結(jié)的局限性。預(yù)熱和冷卻時(shí)間長,成形效率低;SLS制件表面一般是多孔性的,表面粗糙度受粉末顆粒及激光焦點(diǎn)大小的限制,后處理工藝較復(fù)雜。第三十七頁,共四十四頁,2022年,8月28日4.熔融沉積成形(1)熔融沉積成形原理成形原理如圖5-14所示,加熱噴頭4在控制系統(tǒng)作用下根據(jù)從構(gòu)建的制件三維CAD模型中提取二維截面輪廓信息作XY平面運(yùn)動。同時(shí),纏繞在絲輥1上的絲狀FDM材料由原材料存儲及送絲機(jī)構(gòu)送至加熱噴頭4中,并在加熱噴頭中加熱至熔融態(tài),然后通過噴頭的微細(xì)噴嘴有選擇地涂覆在工作臺上,冷卻后形成截面輪廓,一層成形完成后,噴頭上升一截面層高度,再進(jìn)行下一層的涂覆,如此循環(huán),直至整個(gè)原型制造完畢。第三十八頁,共四十四頁,2022年,8月28日
(2)熔融沉積成形特點(diǎn)①熔融沉積成形優(yōu)點(diǎn)。成形材料種類多,常用的材料有石蠟、尼龍、ABS和低熔點(diǎn)金屬等材料。這些材料在成形過程中,無化學(xué)變化,原型成形后變形小,使用壽命長;可以成型瓶狀或中空零件,原型支撐容易去除。②熔融沉積成形的局限性。成形制件的精度較低,表面有明顯條紋,且沿成形軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱;不適合制造大尺寸制件和形狀復(fù)雜制件。第三十九頁,共四十四頁,2022年,8月28日5.2.3模具快速成形加工的方法
將快速成形技術(shù)應(yīng)用到模具制造中稱為快速模具制造(RapidTooling,RT)。RT具有制模周期短、成本低的特點(diǎn),特別適合于產(chǎn)品試制與小批
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