第五章模具光整加工與模具快速

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

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和20

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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