模具制造的现代化

模具制造的现代化随着模具制造的技能化逐步向科学化发展，原来依靠主模型和绘制图形制造汽车覆盖件模具的传统方法也逐步由CAD/CAM终端将由数字描述的汽车覆盖件形状转为加工轨迹的方法所取代。

用电话线路遥控加工过程则又将模具制造科学化的水平推向一个新高度。

回顾以前，在加工用具有于冲制汽车外覆件的钢制模具时，必须绘制详尽的蓝图和具有按照冲件精确尺寸制造的主模型。

可以说，模型是设计和制迼模具的母型。

在用铸造方法制造模具时，首先必须置备木模或汽车零件的样件。

按照一定比例制成的模型称之为"靠模"，常被用作仿形加工中的母型，或作为显示铣床加工轨迹的辅助模型。

作形铣床上的靠模指沿靠模轮廓形状移动，铣刀则按照靠模指的移动对模具材料进行铣削加工，仿出所需的模具型腔。

现在的加工方法则发生了根本的变化。

由客户所提供的CAD数据生成铣刀的切削加工轨迹，自动加工出汽车覆盖件的冲压模具和进行塑料板材模压成形的型腔模具。

虽然用这种新工艺能比以往加工方法更精确地加工出模具的两对合面，但对于压形还要进行试模，并对试样进行测量。

通常由CAD数据正确地加工出模具的主要型腔表面，然后由防止磨损垫块和其它零件与主要型腔面相配合。

现在可将这种新技术的特征归纳为以下几个方面。

虽然不再使用主模型和靠模，但加工精度反而有了提高。

例如，加工公差很严和主要型腔面磨削后需用手工拋光的模具时，用CAD数据加工比用主模型和靠模的效果好。

其主要差别是对尺寸控制从根本上得到了改善。

用传统方法加工成形塑料件的型腔模具时，其加工公差将随每天温度不同而发生变化。

用于塑料板材模压成形的模具虽然加工精度也很好，但对塑料板材的热压成形不像冲压金属板材那样有回弹，所以由CAD数据精确控制加工以后，一般不需要试模。

对于这种模具只要经过常规的客户验证即可，一般不再需要递交制件。

这主要是因为用CAD数据加工以对加工结果进行检验，对模具的型腔面还可以进行数学分析，从而保证了制造过程能极严格地按照原始设计数据实施。

正是由于排除了模具制造过程中的手工操作，改善了模具精度和加工周期方面的竞争力。

为此应用CAD数据进行模具加工技术在大多数模具制造厂中得到了推广。

现在由许多工厂的经验可证实，应用这种技术之后，虽然按CAM生成的刀具轨迹时间增加了14%，但用于拋光的时间却减少了33%，总加工时间缩短了16.5%，模具的品质提高了12%。

现在，各种CAD/CAM软件可以帮助工程师进行模具设计和生成CNC铣床的刀具轨迹。

该系统还可以在屏幕上显示3维彩色模型供设计模具和进行分析之用。

还可以提供用于改进铸造品质的有限元分析和模具的热性能分析。

实际上，任何客户的数据库都可以直接被用于输入，或者通过转换以后输入。

用于配合CAD/CAM系统进行检验的三坐标测量机也与原来适合于传统工加工模具的可移动式三坐标测量机不同。

现在所用的三坐标测量机都带有自动化测量系统。

这种三坐标测量机在3250X2090X1370mm的测度空间中的任何一点的定位精度为0.015mm。

可测量冲模或塑料模的零件质量为40吨。

为了使测量机保持其最高的测量精度，应将它放在与外界环境隔绝的独立机房中，室温应保持20℃。

为了防止振动对测量带来不良影响，应将测量机安装在由气垫支承的质量为100吨的混凝土底座上。

在加工时，三坐标测量机不仅可作为一种最终检验模具品质的工具，也应该作为一种对加工过程进行检测的工具。

即在加工过程中对各道工序加工后进行中途检验。

例如对加工后模具的主要型腔面进行检验。

特别是在拋光之前应对加工面作全面的检验，以便确定如何更精确地达到加工面所需的几何形状。

在对模具进行检验时，需以较密的流线通过零件的各处。

每一副模具需检验两次。

一次在冲压加工之前，另一次在冲压加工以后。

应用理论计算厚度对上、下模型腔的对合状况进行测量，以掌握实现CAD设计数据精度的实际状况。

用于对塑料板材进行模压成形的模具，与冲压金属板材的模具不同，它没有材料回弹的问题。

所以加工这种模具时不需要去调整模具的对合状况，而是眼于塑件需使用表面的状况。

即以使用表面的表面精度和形状精度为重点。

应用上述系统的网络通常小型计算器和个人计算器终端所组成。

一种有效管理系统（EffectiveManagementSystem－EMS）软件可对加工过程进行跟踪管理。

如掌握加工进度，零件流转状况，外购件的采购状况，收货状况和加工品质等。

这种管理系统还包括材料清单、计划和控制，库存物品管理，标准铸件，材料履历，总生产时间表，所需材料计划，订货和销售历史，到货数量，操作人员履历，对车间的控制状况，计划时间，品质评估，标准加工路线，所需生产能力计划，劳动力成本，外购计划及到货状况，请购单，外购件历史和可交付数量等。

应用这种软件则可以选择适当的外购物品时机和节省劳动力。

使所有加工状况信息完全进库存管理，从而生成完善的材料清单。

然后按照加工路线进行有条不紊地加工。

该系统还逐日提供操作人员加工工时和机床运转时间的数据，以及停工待料的时间。

这样不仅可以减少机床空耗的时间，还可以计算出实际生产成本，从而达到降低生产成本的目的。

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。

本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线1.低碳钢及低碳合金钢制模具例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。

对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。

对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点（一）渗碳钢塑料模的热处理特点1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。

渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。

若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。

渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。

渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。

应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。

一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。

高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。

由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。

（四）时效硬化钢塑料模的热处理1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。

首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。

第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。

如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。

装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。

三、塑料模的表面处理为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。

镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。

镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。

含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。