第五章模具工作零件的其他成形方法.pptx

机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS模具制造工艺学模具制造工艺学高等高等职业教育职业教育机电类机电类规划教材规划教材机械工业出版社机械工业出版社精品精品教材教材第第2版版主编主编李云程李云程参参编编窦君英窦君英主审主审王化培王化培机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第五章模具工作零件的其他成形方法 随着模具制造技术的发展和模具新材料的出现,对于凸模、凹模等模具工作零件,除采用切削加工和特种加工等方法进行加工外,还可以采用挤压成形、铸造等方法进行加工。这些加工方法各有其特点和适用范围,在应用时可根据模具材料、模具结构特点和生产条件等因素选择。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 模具工作零件可用挤压方法成形,常用的有冷挤压成形和热挤压成形。一、冷挤压成形 冷挤压成形是在常温条件下,将淬硬的工艺凸模压入模坯,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。冷挤压方法适于加工以有色金属、低碳钢、中碳钢、部分有一定塑性的工具钢为材料的塑料模型腔、压铸模型腔、锻模型腔和粉末冶金压模的型腔。视频机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 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。多型腔凹模采用这种方法时,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=0.16m左右)。4)冷挤压型腔的材料纤维未被切断,金属组织更为紧密,型腔强度高。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 1.冷挤压方式 型腔的冷挤压加工分为封闭式冷挤压和敞开式冷挤压。(1)封闭式冷挤压封闭式冷挤压是将坯料放在冷挤压模套内进行挤压加工,如图5-1所示。在将工艺凸模压入坯料的过程中,由于坯料的变形受到模套的限制,金属只能朝着工艺凸模压入的相反方向产生塑性流动,迫使变形金属与工艺凸模紧密贴合,提高了型腔的成形精度。由于金属的塑性变形受到限制,所以需要的挤压力较大。对于精度要求较高、深度较大、坯料体积较小的型腔宜采用这种挤压方式加工。由于封闭式冷挤压是将工艺凸模和坯料约束在导向套与模套内进行挤压,除使工艺凸模获得良好的导向外,还能防止凸模断裂或坯料崩裂飞出。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 (2)敞开式冷挤压敞开式冷挤压在挤压型腔毛坯外面不加模套,如图5-2所示。这种方式在挤压前的工艺准备比封闭式冷挤压的简单。被挤压金属的塑性流动不但沿工艺凸模的轴线方向,也沿半径方向(图5-2中箭头所示)流动。因此,敞开式冷挤压只宜在模坯的端面积与型腔在模坯端面上的投影面积之比较大、模坯厚度和型腔深度之比较大的情况下采用。否则,坯料将向外胀大或产生很大翘曲,使型腔的精度降低甚至使坯料开裂报废。所以,敞开式冷挤压只在加工要求不高的浅型腔时采用。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 由于型腔冷挤压所需的工作运动简单、行程短、挤压工具和坯料体积小、单位挤压力大、挤压速度低,所以冷挤压一般选用结构不太复杂的小型专用油压机作为挤压设备。要求油压机刚性好、活塞运动时导向准确;工作平稳,能方便观察挤压情况和反映挤入深度;有安全防护装置(防止工艺凸模断裂或坯料崩裂时飞出)。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 (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,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。表5-2列出了根据型腔要求选用工艺凸模材料及所能承受的单位挤压力。其热处理硬度应达到6164HRC。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 工艺凸模的结构如图5-3所示。它由以下3部分组成:工作部分(图5-3中的L1段)。工作时这部分要挤入型腔坯料中,因此,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=0.320.08m。一般将工作部分长度取为型腔深度的1.11.3倍,端部圆角半径r不应小于0.2mm。为了便于脱模,在可能情况下将工作部分作出150的拔模斜度。图5-3工艺凸模机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 导向部分(图5-3中的L2段)。导向部分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,保证正确压入。一般取D=1.5d;L2(11.5)D。外径D与导向套配合为H8/h7,表面粗糙度Ra=1.25m。端部的螺孔是为了便于将工艺凸模从型腔中脱出而设计的。脱模情况如图5-4所示。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R5mm。图5-4螺钉脱模1脱模螺钉2垫圈3脱模套4工艺凸模5模坯机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 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:单层模套(图5-5)实验证明,对于单层模套,比值r2/r1越大则模套强度越大;但当r2/r14以后,即使再增加模套的壁厚,强度的增大也不明显,所以实际应用中常取r2=4r1。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 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4348HRC。外层模套材料为Q235或45钢。(3)模坯准备冷挤压加工时,模坯材料的性能、组织以及模坯的形状、尺寸和表面粗糙度等对型腔的加工质量都有直接影响。为了便于进行冷挤压加工,模坯材料应具有低的硬度和高的塑性,型腔成形后其热处理变形应尽可能小。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。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 3.冷挤压时的润滑 在冷挤压过程中,工艺凸模与坯料通常要承受20003500MPa的单位挤压力。为了提高型腔的表面质量和便于脱模,以及减小工艺凸模和模坯之间的摩擦力,从而减少工艺凸模破坏的可能性,应当在凸模与坯料之间施以必要的润滑。为保证良好润滑,防止在高压下润滑剂被挤出润滑区,最简便的润滑方法是将经过去油清洗的工艺凸模与坯料在硫酸铜饱和溶液中浸渍34s,并涂以凡士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,放入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。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 其厚度一般为515m,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。挤压时再用机油稀释的二硫化钼作润滑,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,防止在挤压过程中产生凸模和坯料粘附的现象。在涂润滑剂时,要避免润滑剂在文字或花纹内堆积,影响文字、图形的清晰。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 二、热挤压成形 将毛坯加热到锻造温度,用预先准备好的工艺凸模压入毛坯而挤压出型腔的制模方法称为热挤压法或热反印法。热挤压制模方法简单、周期短、成本低,所成形的模具内部纤维连续、组织致密,因此耐磨性好、强度高、寿命长;但由于热挤压温度高,型腔尺寸不易掌握,且表面容易出现氧化,故常用于尺寸精度要求不高的锻模制造。其制模工艺过程如图5-9所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 1.工艺凸模 热挤压成形可采用锻件做工艺凸模。由于未考虑冷缩量,作出的锻模只能加工形状、尺寸精度要求较低的锻件,如起重吊钩、吊环螺钉等产品。零件较复杂而精度要求较高时,必须事先加工好工艺凸模。工艺凸模材料可用T7、T8或5CrMnMo等。所有尺寸应按锻件尺寸放出锻件本身及型腔的收缩量,一般取1.5%2.0%,并作出拔模斜度。在高度方向应加放515mm的加工余量,以便加工分型面。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 2.热挤压工艺 图5-10所示为热挤压法制造吊钩锻模的示意图。以锻件成品作工艺凸模,先用砂轮打磨表面并涂以润滑剂;按要求加工出锻模上、下模坯,经充分加热保温后,去掉氧化皮,入在锤砧上;将工艺凸模置于上、下模坯之间,施加压力锻出型腔。3.后续加工 热挤压成形的模坯,经退火、机械加工(刨分型面、铣飞边槽等)、淬火及磨光等工序制成模具。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 三、超塑成形 模具型腔超塑成形是近十多年来发展起来的一种制模技术,除了用锌基和铝基合金超塑性成形塑料模具外,钢基型腔超塑成形也取得了进展。1.超塑成形原理和应用 目前实用的超塑成形技术多是在组织结构上经过处理的金属材料,这种材料具有晶粒直径在5m以下的稳定超细晶粒,它在一定的温度和变形速度下,具有很小的变形抗力和远远超过普通金属材料的塑性超塑性,其伸长率可达100%2000%。凡伸长率超过100%的材料均称为超塑性材料。利用工艺凸模慢慢挤压具有超塑性的模具坯料,并保持一定的温度就可在较小的压力下获得与凸模工作表面吻合很好的型腔,这就是模具型腔超塑成形的基本原理。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 用超塑成形制造型腔,是以超塑性金属为型腔坯料,在超塑性状态下将工艺凸模压入坯料内部,以实现成形加工的一种工艺方法。采用这种方法制造型腔,由于材料变形抗力低,不会因大的塑性变形而断裂,也不硬化,对获得形状复杂的型腔十分有利,与型腔冷挤压相比,可大大降低挤压力。此外,模具从设计到加工都得到简化。锌铝合金ZnAl22、ZnAl27、ZnAl14等均具有优异的超塑性能。ZnAl22是制作塑料模具的材料。利用超塑成形制造型腔对缩短制造周期、提高塑料制品质量、降低产品成本、加速新产品的研制都有突出的技术、经济效益。近年来,国内将超塑性挤压技术应用于模具钢获得成功,Cr12MoV、3Cr2W8V等钢的锻模型腔用超塑性挤压方法可一次压成,经济效益十分显著。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 2.超塑性合金ZnAl22的性能 超塑性合金ZnAl22的成分和性能见表5-3。这种材料为锌基中含铝(wAl=22%),在275以上时是单相的固溶体,冷却时分解成两相,即(Al)+(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350)快速冷却,可以得到5m以下的粒状两相组织。在获得5m以下的超细晶粒后,当变形温度处于250时,其伸长率可达1000%以上,即进入超塑性状态。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 在这种状态下将工艺凸模压入(挤压速度在0.010.1mm/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b可达400430MPa。超塑合金ZnAl22的超塑性和强化处理工艺如图5-11和图5-12所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 与常用的各种钢料相比,ZnAl22的耐热性能和承压能力比较差,所以多用于制造塑料注射成形模具。为增强模具的承载能力,常在超塑性合金外围用钢制型框加固。在注射成形模具温度较高的浇口部位采用钢制镶件结构来弥补合金熔点较低的缺点。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 3.超塑性成形工艺用ZnAl22制造塑料模型腔的工艺过程如下:(1)坯料准备以ZnAl22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(即模坯成形前后的体积不变),根据型腔的结构尺寸进行计算。在计算时应考虑适当的切削加工余量(压制成形后的多余材料用切削加工方法去除)。坯料与工艺凸模接触的表面,其表面粗糙度Ra0.63m。一般ZnAl22合金在出厂时均已经过超塑性处理,因此只需选择适当类型的原材料,切削加工成型腔坯料后即可进行挤压。若材料规格不能满足要求,可将材料经等温锻造成所需形状,在特殊情况下还可用浇铸的方法来获得大规格的坯料,但是,经重新锻造或浇注的ZnAl22已不具有超塑性能,必须进行超塑性处理。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 (3)护套ZnAl22在超塑性状态屈服强度低、伸长率高,工艺凸模压入毛坯时,金属因受力会发生自由的塑性流动而影响成形精度。因此,应按图5-13所示使型腔的成形过程在防护套内进行。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。防护套的内部尺寸由型腔的外部形状尺寸决定,可比坯料尺寸大0.10.2mm,内壁表面粗糙度Ra0.63m,并加工成150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。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 (5)润滑合理的润滑可以减小ZnAl22流动时与工艺凸模之间的摩擦阻力,降低单位挤压力,同时可以防止金属粘附,易于脱模,以获得理想的型腔尺寸和表面粗糙度。所用润滑剂应能耐高温,常用的有295硅脂、201甲基硅油、硬脂酸锌等。使用时其用量不能过多,并应涂抹均匀,否则在润滑剂堆积部位不能被ZnAl22充满,影响型腔精度。图5-14a所示为用ZnAl22注射模制作的尼龙齿轮。制造尼龙齿轮注射模型腔的加工过程如图5-14b所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节挤 压 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 一、锌合金模具 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、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。大量实践证明,用铸造方法代替机械加工方法(特别是对形状复杂的立体曲面的加工)制造模具零件,可以缩短模具制造周期,简化模具结构,降低模具成本。这种制模技术对新产品试制、老产品改型、中小批量、多品种产品的生产具有显著的经济效益。但锌合金的抗压强度不高,所能承受的工作温度低,这也使它的应用受到一定的局限。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 1.模具用锌合金的性能 用于制造模具的材料必须具有一定的强度、硬度和耐磨性,同时还必须满足制造工艺方面的要求(如流动性、偏析、高温状态下形成裂纹的倾向等)。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。因此,使用时必须对各元素的质量分数进行适当选择。表5-4是两种用作模具材料的化学成分。表5-5列出了锌合金模具材料的性能。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 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、冲击韧度、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;但是过量的铝将使合金的耐磨性变差。加入微量镁可以有效地抑制晶间腐蚀,同时还可以细化晶粒,提高合金的强度和硬度。铅、镉、铁、锡等元素混入合金中为有害杂质,其质量分数如果超过了允许限量,会因时效作用引起膨胀崩裂和严重的晶间腐蚀使合金的力学性能下降。表5-5所列锌合金的熔点为380时,浇注温度为420450,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,浇注简单,不需要专用设备。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 2.锌合金模具制造工艺 锌合金模具的铸造方法按模具用途和要求以及工厂设备条件不同大致分为以下几种:(1)砂型铸造法砂型铸造锌合金模具与普通铸造方法相似,不同之处是它采用敞开式铸型。(2)金属型铸造法金属型铸造法是直接用金属制件或用加工好的凸模(或凹模)作为铸型铸造模具的方法。在某些情况下也可用容易加工的金属材料制作一个样件作铸型。(3)石膏型铸造法利用样件(或制件)翻制出石膏型,用石膏型浇注锌合金凸模或凹模。石膏型适于铸造有精细花纹或图案的型腔模。铸件的表面粗糙度主要取决于铸型的表面粗糙度或铸型材料的粒度,粒度越细,铸件表面的Ra值越小、越美观。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 图5-15所示为锌合金冲裁凹模的铸造。凸模采用高硬度的金属材料制作,刃口锋利。凹模采用锌合金材料。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 在铸造之前应作好下列准备工作:按设计要求加工好凸模,经检验合格后将凸模固定在上模座上;在下模座上安放型框(应保证凸模位于型框中部),正对凸模安放漏料孔芯;在型框外侧四周填上湿沙并压实,防止合金熔液泄漏;将型框内杂物清理干净后,按以下工艺顺序完成凹模的浇注和装配调试工作:这种浇注方法称为模内浇注法,适用于合金用量在20kg以下的冷冲模的浇注。浇注合金用量在20kg以上的模具,冷凝时所散发的热量较大,为了防止模架受热变形,可以在模架外的平板上单独将凹模(或凸模)浇出后再安装到模架上去,这种方法称为模外浇注法。模内浇注法与模外浇注法没有本质上的区别,主要区别在于浇注时是否使用模架,后者用平板代替模架的下模座。这两种方法适用于浇注形状简单、冲裁各种不同板料厚度的冲裁模具。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 1)熔化合金。可采用坩锅或薄钢板焊成的熔锅,将锌合金砸成碎块,放在锅中用箱式电炉、焦碳炉等加热熔化(熔化容器、搅拌、除渣等与合金接触的工具都必须涂刷一层膨润土或氧化锌,以防止合金与铁合金工具直接接触)。因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析出所吸收的气体,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450500,温度过高时锌容易与铁起作用形成锌化铁(脆性化合物),导致合金性能下降,使镁烧损严重,吸气过多,流动性变差。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 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150200最佳。可以采用氧-乙炔焰、喷灯直接对凸模进行预热,或者将凸模浸放在合金熔液中预热。对于形状复杂的凸模预热,温度要稍高些,以防止因温度过低出现浇不满和过大的铸造圆角,增加凹模上平面机械加工的工作量,还可以防止出现凹模竖壁高度过小,使模具报废的现象。采用氧-乙炔焰预热时火焰温度不宜过高,特别是凸模的细小、尖角部位温度不宜过高。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 3)浇注。合金的浇注温度应控制在420450。浇注时应将浮渣清除干净,搅拌合金,防止合金产生偏析和叠层等缺陷。考虑到合金冷凝时的收缩,凹模的浇注厚度要增加约10mm,以补偿合金冷凝时产生的收缩。浇注锌合金凹模的型框可采用24mm厚的钢板焊接而成,其长、宽、高尺寸根据凹模的设计尺寸确定;也可用1.52mm厚的钢板作成4个“”形件,用“U”形卡子固定,组成型框,如图5-16所示。这种型框的尺寸大小可以根据凹模尺寸作相应的调整,使用方便、制作简单、通用性好,可反复使用。也可根据凹模外形尺寸的大小和模具结构,单独加工一个钢制厚型框,并预先在该型框上加工出紧固螺钉孔、销孔和预留孔,如图5-17所示。将此型框安装在模架上,在预留孔内浇注合金,冷却后只对凹模的上平面进行适当加工。这种型框的优点是合金用量少,但型框加工比较复杂,主要用于小型冲裁模。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 锌合金凹模的漏料孔可采用机械加工方法获得,也可在浇注时使用漏料孔芯浇出。漏料孔芯可用耐火砖或红砖磨制而成(此法简单、易行,但铸造后表面粗糙),也可用型砂制造(此法制作过程复杂,但形状准确,表面平整光滑)。砂芯在合金冷却收缩时,对收缩的阻力较小,可以降低收缩产生的内应力,防止合金凹模收缩胀裂。此外,还可采用铁芯或用1.52mm的钢板弯制成漏料孔芯框架,内填干沙做漏料孔芯,后者主要用于模外浇注法铸造中型模具。图5-18所示为鼓风机叶片冲模。采用金属型铸造。其工艺过程为:机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 1)制作样件。样件的形状及尺寸精度、表面质量等直接影响锌合金模具的精度和表面质量,所以样件是制模的关键。样件厚度应和制件厚度一致,当用手工敲制样件时,对某些样件还要考虑合金的冷却收缩对尺寸的影响。图5-18a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。但这样制得的样件,形状及尺寸精度都比较低,对钣金工的技术水平要求比较高。比较简单的办法是用原有的制件制成样件。视频机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 样件必须有足够的刚度和强度,以防止在存放或浇注时产生变形而影响模具精度。如果样件刚度不足,可采用加固圈和局部焊接加强筋的办法来提高刚度。为了便于分模和取出样件,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。制作铸型可按以下顺序进行:将样件置于型砂内并找正。把样件下部的型砂撞紧撞实,清除分型面上的型砂,撒上分型砂,如图5-18b所示。将另一砂箱置于砂箱1上制成铸型,如图5-18c所示。将上、下砂箱打开,把预先按尺寸制造的铁板型框放上,并压上防止型框移位的压铁,如图5-18d、e所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 3)浇注合金。考虑到合金冷凝时的收缩,浇注合金的厚度应为所需厚度的23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5-18d所示的浇注后取出样件,将其放入图5-18e所示的型框内浇注,即可制成鼓风机叶片冲压模的工作零件。最后进行落砂、清理和修整,即得模具的成品零件。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 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他元素的铜合金称为青铜)。铍青铜是一种由质量分数为0.5%3%的铍和钴、硅组成的铜基合金。铍青铜模具材料的化学成分见表5-6。铍青铜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。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 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)铸造性好,可铸成复杂形状的模具。6)模样精度要求高。7)材料价格高。8)需要用压力铸造技术。根据上述特点,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型模具。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 图5-19所示为铍铜合金铸造示意图。其工艺过程如下:铸造模具的精度取决于铸型的加工精度,所以对铸型尺寸、形状及表面粗糙度要求都比较高。模样设计时要考虑拔模斜度、收缩量、加工余量等因素。由于合金熔点较高,一般在880左右,所以模样材料宜选用耐热模具钢(3Cr2W8V),热处理硬度为4247HRC。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 三、陶瓷型铸造 陶瓷型铸造是在砂型铸造的基础上发展起来的一种铸造工艺。陶瓷型是用质地较纯、热稳定性较高的耐火材料制作而成的,用这种铸型铸造出来的铸件具有较高的尺寸精度(IT8IT10),表面粗糙度可达101.25m。所以,这种铸造方法也称陶瓷型精密铸造。目前,陶瓷型铸造已成为铸造大型厚壁精密铸件的重要方法。在模具制造中陶瓷型铸造常用于铸造形状特别复杂、图案花纹精致的模具,如塑料模、橡胶膜、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。但是,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他工艺结合起来应用。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 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)耐火材料陶瓷型所用耐火材料要求杂质少、熔点高、高温热膨胀系数小。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。硅酸乙酯的分子式为(C2H5O)4Si,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。所以,可将溶质硅酸乙酯和水在溶剂酒精中通过盐酸的催化作用发生水解反应,得到硅酸溶液(即硅酸乙酯水解液),以用作陶瓷型的粘结剂。为了防止陶瓷型在喷烧及焙烧阶段产生大的裂纹,水解时往往还要加入质量分数为0.5%左右的醋酸或甘油。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 (3)催化剂硅酸乙酯水解液的pH值通常在0.20.26之间,其稳定性较好,当与耐火粉料混合成浆料后,并不能在短时间内结胶。为了使陶瓷浆能在要求的时间内结胶,必须加入催化剂。所用的催化剂有氢氧化钙、氧化镁、氢氧化钠以及氧化钙等。通常用氢氧化钙和氧化镁作催化剂,加入方法简单、易于控制。其中氢氧化钙的作用较强烈,氧化镁则较缓慢。加入量随铸型大小而定。对大型铸件,氢氧化钙的加入量为每100mL硅酸乙酯水解液约0.35g,其结胶时间为810min,中小型铸件用量为0.45g,结胶时间为35min。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 (4)脱模剂硅酸乙酯水解液对模型的附着性能很强,因此在造型时为了防止粘模、影响型腔表面质量,需用脱模剂使模型与陶瓷型容易分离。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。上光蜡与机油同时使用效果更佳,使用时应先将模型表面擦干净,用软布蘸上光蜡,在模型表面涂成均匀薄层,然后用干燥软布擦至均净光亮,再用布蘸上少许机油涂擦均匀,即可进行灌浆。(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。双氧水加入后会迅速分解放出氧气,形成微细的气泡,使陶瓷型的透气性提高。双氧水的加入量为耐火粉质量的0.2%0.3%,其用量不可过多,否则,会使陶瓷型产生裂纹、变形及气孔等缺陷。使用双氧水时应注意安全,不可接触皮肤,以防灼伤。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 2.工艺过程及特点(1)工艺过程因为陶瓷型所用的材料一般为刚玉粉、硅酸乙酯等,这些材料都比较贵,所以只有小型陶瓷型才全部采用陶瓷浆料灌制。如果大型陶瓷型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,而其余部分采用砂底套(或金属底套)代替陶瓷材料。因浆料中所用耐火材料的粒度很细、透气性很差,而采用砂套可使这一情况得到改善,使铸件的尺寸精度提高、表面粗糙度减小。带砂底套陶瓷型铸造的工艺过程如下:机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 图5-20所示为采用水玻璃砂底套的陶瓷型的造型过程。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 1)母模制作。用来制造陶瓷型的模样称为母模。因母模的表面粗糙度对铸件的表面粗糙度有直接影响,故母模的表面粗糙度应比铸件的表面粗糙度小(一般铸件要求Ra=102.5m,母模表面要求Ra=2.50.63m)。制造带砂底套的陶瓷型需要粗、精两个母模,如图5-20a所示。A是用于制造砂底套用的粗母模,B是用于浇注陶瓷浆料的精母模。粗母模轮廓尺寸应比精母模尺寸均匀增大或缩小,两者间相应尺寸之差就决定了陶瓷层的厚度(一般为10mm左右)。为简单起见,也可在精母模与陶瓷浆接触的表面贴一层橡皮泥或粘土后作为粗母模使用。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 2)砂套造型。如图5-20b所示,将粗母模置于平板上,外面套上砂箱,在母模上面竖两根圆棒后填水玻璃砂,击实后起模,并在砂套上打小气孔,吹注二氧化碳使其硬化,即得到所需的水玻璃砂底套。砂底套顶面的两孔,一个作浇注陶瓷液的浇注系统,另一个是浇注时的侧冒口。3)浇注和喷烧。为了获得陶瓷层,在精母模外套上砂底套,使两者间的间隙均匀,将预先搅拌均匀的陶瓷材料从浇注系统注入,充满间隙,如图5-20c所示。待陶瓷浆液结胶、硬化后起模,点火喷烧,并吹压缩空气助燃,使陶瓷型内残存的水分和少量的有机物质去除,并使陶瓷层强度增加,如图5-20d所示。火焰熄灭后移入高温炉中焙烧,带水玻璃砂底套的陶瓷型焙烧温度为300600,升温速度约100300/h,保温13h左右。出炉温度应在250以下,以免产生裂纹。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 对不同的耐火材料与硅酸乙酯水解液的配比可按表5-7选择。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 最后将陶瓷型按图5-21a合箱,经浇注、冷却、清理即得到所需要的铸件,如图5-21b所示。(2)陶瓷型铸造的特点1)铸件尺寸精度高,表面粗糙度小。由于陶瓷型采用热稳定性高、粒度细的耐火材料,灌浆层表面光滑,故能铸出表面粗糙度较小的铸件。其表面粗糙度可达Ra=101.25m。由于陶瓷型在高温下变形较小,故铸件尺寸精度也高,可达IT8IT10。2)投资少、生产准备周期短。陶瓷型铸造的生产准备工作比较简易,不需复杂设备,一般铸造车间只要添置一些原材料及简单的辅助设备,很快即可投入生产。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第二节铸 造 成 形 3)可铸造大型精密铸件。熔模铸造虽也能铸出精密铸件,但由于自身工艺的限制,浇注的铸件一般比较小,最大铸件只有几十公斤,而陶瓷型铸件最大可达十几吨。此外,由于陶瓷所用的耐火材料的热稳定性高,所以能铸造高熔点、难于机械加工的精密零件。但是硅酸乙酯、刚玉粉等原材料价格较贵,铸件精度还不能完全满足模具要求。