工模具PVD涂层技术www.tool-tool.com

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作者：河源龙记涂层部

--回忆龙记的日子
1. 摘要
2. 真空涂层技术的发展
真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于 该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000ºC)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。
到了上世纪七十年代末，开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术，为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展，究其原因，是 因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于 PVD 技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外， PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。
与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、 模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些，都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。
另一方面，由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。
3. PVD 涂层的基本概念及其特点
PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式，意思 是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。
较为成熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单，容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作，其引弧的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，断开，使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑，在蒸发源表面上连续形成熔池，使金属蒸发后，沉积在基体上而得到薄膜层的，与磁控溅射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金属离子离化率高，薄膜与基体之间结合力强的优点。此外，多 弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做 TiN 涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是，在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3μm 时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。而且，薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。
可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能 地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到 最终稳定的表面涂层颜色的新方法。
大约在八十年代中后期，出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机，应用效果很好，使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利用铜坩埚加热融化被镀金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切 削以及模具应用多样性的要求。
目前，一些发达国家(如德国 CemeCon、英国 ART-TEER、 瑞士 Platit)在传统的磁控溅射原理基础上，用非平衡磁场代替原先的平衡磁场、50KHz 的中频电源代替原来的直流电源、脉冲电源取代以往的直流偏压，采用辅助阳极技术等，使磁控溅射技术逐步成熟，已大批量应用在工模涂层上，现在已稳定生产的涂层主要有 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN，我国广东、江苏、贵州、株洲等地也已陆续引进此种设备，大有星火燎原之势。
4. 现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅 射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电 源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。
4.1 真空室
涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求，而且工模形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须采用 单室涂层机。
4.2 真空获得部分
在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求，其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa，涂层工艺结束后真空度甚至可达 0.06mPa 以上，因此合 理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。
就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。
4.3 真空测量部分
真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。
4.4 电源供给部分
靶电源主要有直流电源(如 MDX)、中频电源(如美国 AE公司生产的 PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流电源(如 MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的 PINACAL+)、或射频电源(RF)。
4.5 工艺气体输入系统
工艺气体，如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀，然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况，这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。而且，各涂层机之间会互相干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。
4.6 机械传动部分 刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时，小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。
在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自转。当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了，但是齿轮可承载量必须大大增强。
4.7 加热及测温部分
做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器，用热电偶测控温度。但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍一种简便易行的表面温度计法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转，直到最高温度。降温的时候，弹簧收缩，指针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不动，开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。
4.8 离子蒸发及溅射源
多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面，两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁，通过前后 移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。
磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，
4.9 水冷系统
因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，需要充分冷却；而且，工模涂层中的许多种涂层，加热温度为 400~500ºC，因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要 ， 所以冷却水最好采用18~20ºC 左右的冷水机供水。
为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前 10 分钟左右，水冷系统应有能力切换到供 热水状态，热水温度约为 40~45ºC。
5. 工模具PVD 的工作步骤
工模具 PVD 基本工艺流程可简述为：IQC→前处理→PVD→FQC，分别介绍如后。
5.1 IQC
IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量 ，检查图纸与实物是否相符外，还须仔细检查工件表面，特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口，在体式显微镜下观察，更方便发现问题；另外，IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等，这些东西如果因漏检而混入镀膜程序，则将在真空室内严重放气，轻者造成整批产品脱涂层，重者使原本 OK 的产品报废，后果不堪设想。
5.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)
前处理的目的是净化或粗化工件表面。 净化就是要去除各种表面玷污物，制备洁净表面。通常使用各种净化剂，借助机械、物理或化学的方法进行净化。
粗化与光蚀相反，其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂 层或涂料装饰的结构强度。
我们现在已有的前处理主要方法为：高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。
5.2.1 高温蒸洗
目前，PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达 145?C，气压在 3~5 巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔，孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质，用 常规清洗的方法难以除去。此时，高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。
5.2.2 清洗
各厂工模涂层前清洗程序大致如下：
1.超声波除蜡→2.过水→3. 超声波除油→4.过水→5. 超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥
具体实施时，与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金，不容易生锈。此外，装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此，装饰涂层对纯水的水质要求极高，甚至要达到 15MΩ 以上。要保证清洗的高质量，可以通过反复清洗，并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是，工模的清洗就不同，尤其是一些热做模具钢，如果像装饰涂层那样去清洗，就会锈得一塌糊涂。
由于工模涂层的原始表面状态，除了一些高标准的镜面模具以外，一般较装饰涂层要粗糙，因而，对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高，这就允许我们采取快速过水，用干燥、无油的压缩空气吹干，然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具，一般均为136 等不锈钢，可以借用装饰涂层的清洗法。
总而言之，工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同，因工模涂层前的表面状态的不同而不同，且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序，供参考：
不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407 有一种自动清洗机型号为 CR288，产自德国。该机一次最大 清洗量为 80KG，主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸，里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外，该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤，可以使水分尽快挥发掉。
自动清洗机内存十种工艺，均由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。
5.2.3 喷砂
喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面，从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件，喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。
喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距：30~70mm; 倾角 30~70?C; 装夹台旋转速度 10~30；往返次数 3~9 次；喷砂气压：1.8~3.5 巴等。具体操作时，根据工件表面脏污程度，工件硬度，工件表面几何形状等因素，选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠，适合喷一些硬度介中的材料，如油钢、模具等；在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝，硬度较高，适合喷一些硬度高的材料，如硬质合金材料。对于工模涂层而言，喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度过大，则工件表面太粗糙；如果磨料粒度太小，又会降低打击力度，甚至嵌在工件表面，清洗难以去除，从而使 工件涂层附着力降低。为此，欧洲一些国家，对工模涂层前喷砂 所用磨料粒度做过仔细研究，严格到必须保证 85%以上的晶粒度在中 A、B 两点范围内才能使用。相比之下，我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识，我们也很少有做这方面的检验。
5.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)
5.4 FQC
FQC 的英文全拼为：“Function Quality Control”，意思是功能 质 量 控 制 ， 它有别与一般意义上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主 要有外观检查、层深检查和附着力检查。
由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的，因而我们在镀膜时，每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候，大多数情况下，实际上是对随批试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致，所以这样检测出的结果，与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差，只能做参考使用。当然，必要的时候，我们也可以通过制作模拟件，达到准确测量的目的。
5.4.1 外观检查
对于开门取件后的产品，应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒，还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。
5.4.2 层深检查
层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为 10mm 的钢球与测试表面滚磨，然后在显微镜下测量磨痕的有关数据，带入公式中，即可方便算出层深。
这种层深检查法的特点是：方便适用，误差稍大。但这种误 差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。
附着力的检查方法有很多，各个厂根据自己产品的特点，都制定了相应的检测方法。其中，比较权威的方法有两种，一种是在洛氏硬度计上，以圆锥型金刚石压头做压痕试验，在显微镜下观察，以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高，不但严格要求中心点在圆的中心，而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是，目前，我国还没有它的国家或行业标准；另一种方法是划痕法，我国有些涂层发起较早的科研部门，也是采用的该方法，有专门的国家行业标准可供查询。
6. 工装夹具的处理
7. 涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术)
8. 检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)
9. 涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)
10.涂层刀具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用
涂层对刀具的优化非常大，由于高速切削加工比传统切削 加工所产生的温度要高，应用涂层，可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如，氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数，改善光洁度及排屑情况。(end)

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净形成形技术（Net Shape Forming Technology）www.tool-tool.com

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1 前言
金属塑性成形产业为能促进产业升级，提升竞争能力并积极介入潜力雄厚之电子、计算机产业，板材冲锻复合成形之制程技术、模具设计与制造技术及自动化生产技术之研发与应用，实为一重要课题；另基于降低生产成本、减轻产品重量、简化零件设计与制造及提升产品附加价值等目的，金属塑性成形领域正积极朝向高精度净形成形技术发展。
2 何谓净形成形（Net Shape Forming）
净形成形之定义如下：
(1) 相对于传统塑性成形（Plastic Forming），可得较小之后续机械加工，即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。
(2) 成形零件局部重要位置不须后续机械加工，即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。
(3) 在符合零件之尺寸及公差范围内，锻件可不须后续机械加工之成形制程。
3 塑性加工制品高精度化之因素
金属塑性加工现正朝着三大目标发展：
1. 制品精密化（净形零件开发）
2. 制程合理化（以最小投资成本及生产成本为制程整合与应用之原则）
3. 自动化、省力化
日本塑性加工学界大师工藤英明教授于其所发表之“精密锻造的现状与未来“中提到了塑性加工高精度化之因素（如图一所示）。由图一中可知，为能满足 21世纪工业竞争之趋势与潮流：省能源、省资源、高效率化；价值观多样化；制品轻细小化等需求，并进而提升塑性加工业界之国际竞争能力，塑性加工制品不得不结合自动化生产与组装并提升其制品之精度。

图（一）塑性加工制品高精度化之因素

塑性加工制品精度提升之需求，可由下列几项因素反映之：
1. 减少后续加工
2. 零件形状一体化、复杂化
3. 流线切断极小化
4. 高附加价值化
5. 表面平滑化
6. 细密加工化
4 板材流动控制成形法（Flow Control Forming），简称FCF
1. 板材流动控制成形法（FCF）简介
(1) 近来，于塑性成形领域，制造净形零件（不须后绩加工），以降低生产制造成本之需求日益殷切，于板金成形制程中有效的加入冷间锻造制程为一极有效的方法，因此FCF制程因应而生。此专有名词，其实质之制程为板金成形与冷间锻造之合技术。（如图二所示）

图（二）冲锻加工技术系统概念图

(2) FCF制程是对材料的塑性流动进行精确控制，其可提升产品精度，于零件不同部位获得不同之尺寸、厚度要求，补偿了板金成形之缺点，以加工出高附加价值的复杂形状制品，这种加工方法将开创塑性 加工新领域，预期此将取代部份成形＋切削、粉末冶金与压铸等技术，并扩大塑性加工的使用范围。
(3) FCF制程因采用板材下料的方式，故于生产技术中，大都采用板金成形之生产方式。
微小形零件一采用连续冲模自动化生产。
1. 小型零件一采用连续冲模自动化生产。
2. 中、小型零件形状较杂，应用工序较少者-采用胚料传送自动化生产。
3. 中、小型零件形状较复杂，应用工序较少者-采用复合模具，实施人工生产或结合机械手（robot）之自动化生产。
(4) FCF制程工件成形应力较冷间锻造制程者小，如图（三）所示。

图（三）FCF制程工件成形应力比较图

(5) 图（四）所示为板材冲锻成形制程所包含之冷间锻造与板金冲压基本工序。

图（3-1）板材冲锻成形制程

2 应用FCF制开发之产品例（Helical cup）Helical cup冲锻件如图（四）、图（五）所示。

图（四）应用冲锻复合技术开发之耳机轭

图（五）应用冲锻复合技术开发之零件

(1) Helical cup应用传统冷间锻造制程，如图（六）所示。

图（六） Helical cup传统冷间锻造

(2) Helical cup应用FCF制程，如图（七）所示。

图（七）Helical cup之FCF制程

3 板材流动控制成形（冲锻成形）之优劣点
因板材冲锻成形制程采冲床加工方式（生产速度高）且为净形零件制造制程，除必要之螺纹加工外，无后续机械加工，故其制造成本远低于他种零件制造制程，经实绩印证，其可取代下列制程技术所生产之产品。
1. 脱腊铸造法
2. 压铸＋切削加工
3. 冲压加工＋切削加工
4. 切削＋研磨
5. 嵌合、焊接之组合零件
（一）板材冲锻成形制程之优点
1. 产品之高精度安定化
2. 产品开发时程大幅缩短
3. 整体加工成本大幅减低
4. 产品强度增加（流线未被切削破坏、加工硬化等）
5. 因强度增加，产品可小型化、轻量化
6. 因采冲床加工，产品可大批量稳定供应
（二）板材冲锻成形制程之缺点
1. 与冲压加工比较，模具局部位置承受极高之集中负荷，模具刚度之要求与设计为重要之课题。
2. 若应用冷锻连续冲模制程开发微小或小型净形另件，因加工工序多，需求较宽台面之冲床，且因连续模具有局部位置承受极高之集中负荷，故压床不能单纯采用一般之冲庄冲床或冷锻冲床；须选用高精度，高刚性且滑块运动特性特别要求之成形设备。
3. 模具精度要求高故模具制作费用极高，非为一般之冲压模具与冷锻模具所能比拟，故适合大批量之零件生产。
5 摆辗锻造（Orbital Forging）
5-1摆辗锻造之基本原理及类型
摆辗锻造是1960年代始出现的一种压力加工制程，相关之研究及开发工作主要集中于英国、波兰、西德、日本及中国大陆等国，近年在欧洲（德国、波兰、瑞士）、中国大陆及日本等国已经成功的应用于汽机车、机床、电器、刀具及五金等产业零件之生产。由于此一制程具备省力（为传统压床锻造成形负荷的1/5~1/20）、精度高、无震动、噪音小与设备投资少的优点，因此可以预期在环保法规愈趋严格的末来，本制程必将得到愈来愈广泛的应用。
摆辗锻造为一项新的加工技术、加工时因模具与工件是呈局部接触的方式，故其所需的锻造负荷较传统制程为小，因而锻造加工机的出力和模具受力同样减低，但因摆辗锻造在成形机构与成形原理均和传统锻造方式有别，所以必须考虑到不同的制程参数。
（一）基本原理
摆辗锻造之基本原理如图（八）（a）所示，其上模之中心线0’0相对于下模中心线Z0倾斜了一个小角度γ，因此在成形时作用力仅作用于工件表面之局部区域如图（八）（b）所示，利用上模之回转，逐次压缩材料使之成形，由于每一瞬间材料与模具之接触面积很小，因此可大为节省所需之成形压力。
摆辗锻造由于具备以冷锻方式将形状复杂零件锻造成近净形（或净形）锻件之能力，故拥有极大的市场潜力，而且摆辗锻造能以传统锻造制程的1/5~1/15的成形负荷即能锻制出相同尺寸的产品，因此在锻机的投资成本上要经济许多；另外，由于特殊成形方式及成形负荷的降低，自然也没有一般传统锻造制程恼人的噪音及振动问题，对工作环境的改善及工作效率的提升亦有极大的帮助。

图（八）摆辗锻造示意图

（二）运动类型
摆辗锻机中上下模的基本运动形式有三种：
1. 回转（Rotation）：模具绕自轴旋转。
2. 平移（Feeding）：模具沿一个固定方向移动，一般称为进给。
3. 摆辗（Rocking）：模具相对于另一轴回转，而使得模具摇摆晃动。
由上下模运动模式的不同组合，摆辗锻机可分为三种机型，如图（九）。

图（九）摆辗锻造的三种运动型式

5-2 摆辗锻造之制程参数
摆辗锻造之重要制程参数包括：摆辗角度(γ)、摆头转速(n)、每转进给量(s)、摆头与工件接触时间(t)，其在制程中所扮演之角色及影响如下所述：
(1) 摆动角度（γ）
γ角的大小直接影响到摆头与工件之间的面积接触率（λ=摆头与工件接触面投影面积／工件表面投影面积），此乃因摆头为一圆锥体其圆锥顶角一般取 180-2γ°，γ角愈大则圆锥顶角愈小，摆头与工件之间的面积接触率（λ）愈小。而面积接触率（λ）的大小又会影响工件成形所需负荷例如当λ=1/n时，即摆头与工件之间的接触面积为整体投影面积的1/n倍，则变形力可以减力到原本的1/n，摆辗锻造就是在此一观念上所发展出来的塑性加工制程。
(2) 摆头转速(n)
摆头转速直接影响设备电机功率，转速太高不但电机功率成正比增加，且会使机架受力恶化。摆头转速亦影响摆头之每转进给量(s)，因此也直接影响到轴向压力与锻件品质（参考(3)之说明）。摆头转速一般们于30~300rpm之间。
(3)每转进给量(s)
每转进给量(s)乃指摆头每转（摇摆）一圈相对于下模的进给量，其由两项参数所决定，即滑块进给速度(v)与摆头转速(n)，S=v/n，当s较小时就会产生“蘑菇效应”现象，工件锻不透。一般S的选择以使λ=0.2~0.23为宜，目前常用摆辗锻造设备的S=0.2~2mm／转。
(4)摆头与工件接触时间(t)
摆头与工件接触时间(t)对工件品质有直接影响，t之设定通常以工件达到其设定高度之后，摆头在工作表面能多辗压1~2圈，以达到表面精整的效果。
5-3摆辗锻造制程之特点及设备

摆辗锻造制程之特点

在国内摆辗锻造是一种新的加工方法，目前仅有金属工业研究中心有摆辗锻造机。

(图十) 金属中心PXW-200A型 (200吨)摆辗锻机外观(波兰制)

5-4 摆辗锻造之产品

(图十一) 过用摆辗锻造制程所锻制之产品(棘轮、排档齿轮、端面凸轮等)

6 锻造模具技术
6-1 净形锻造(Net Shape Forging)
所谓净形锻造就是：
(1)相对于传统模锻制程，可得较小之后续机械加工量之锻造制程。
(2)锻件局部重要位置不需后续机械加工即可符合零件之尺寸及公差要求之锻造制程。
(3)在符合零件之尺寸及公差范团内，锻件可不需后续机械加工。
传统的锻造制程，胚料经由剪切或锯断控制下料重量，通过加热炉之加热，达到锻造制程所需之温度，藉由送料机构或人员操作，在锻造机械，如落钟锻机或机械压床的成形下，完成锻造工程，再进行剪缘及后续之加工。在这些过程中，下料重量的多寡，加热能量的消耗，锻造工程道次，锻材步留率的高低，锻品之要求精度，模具制作的费用，操作机台及人员之投资，以及后续加工量的多少、难易等等，都会影响最终产品的制造成本及其价值。因此，为了降低制作成本、提高产品价值及竞争力，制程设计者纷纷朝向精密净形锻造或省能源锻造的方向前进，以期达到下述目标：
1. 节省下料重量、提高材料步留率。
2. 结合热处理制程，降低能源成本。
3. 寻求合理预成形，减少工程道次及模具、设备、人工成本费用。
4. 提高产品精度，降低机械加工成本。
6-2 高精度锻造品之决定因素
欲获得高精度锻造品之决定因素如图（十二）

图（十二）高精度锻造品之决定因素

6-3 锻造模具之加工技术
决定高精度化锻造品之决定因素如图（十二）所示，现依据锻造模具之加工流程图及其相关技术整理成图（十三）及图（十四）

图（十三）流程图

图（十四）相关技术整理

6-4 锻造模具加工技术之发展趋势
(1)高速铣削
传统铣削加工如要使锻模加工面达到精加工程度，必须增加加工时间
（因Feed Pitch必须比较小）；而像日本等先进国家已发展高速铣削加工机，利用高速铣削加工机，可藉进刀速度（高达10m/min）及心轴rpm（高达 10,000rpm以上）之提高以补偿加工时间，并达到精加工程度，生产效率可提高10倍以上，目前日本亦正朝向心轴转速提高为20,000rpm以上之高速铣削加工机之开发、应用，表（一）为高速铣削加工机之特性。
(2)电化学加工（ECM）
电化学加工（Electro-Chemical Machining）是利用在电解液中的电化学溶解将工件加工成形。加工时工件接电源的正极，工具（电极）接电源的负极，工具（电极）向工件缓慢进给，使二极之间保持在约0.1~0.5mm间隙，被加工件金属在电化学作用下以离子状态进入电解液，形成氢氧化物，而此间隙中的氢氧化物被高速流动之电解液冲走，以确保电化学反应能持续不断的进行，直到加工结束。
目前ECM技术之主要应用于难切削材料和复杂模面、模穴、异型孔和薄壁零件的加工，还可用于表面拋光、去毛边、刻印、磨削、研磨、车削等，其生产效率约为放电加工（EDM）之5~10倍，在某些情况下，甚至可比传统铣削加工还高，表（二）为其优、缺点。
(3)自动研磨拋光
锻造模具模穴之曲面研磨拋光，传统上均以人工操作，此技术人员必须具有高度的技术及丰富的经验，目前此类人员不易养成，先进国家已投入开发利用机器人进行模具曲面之自动拋光，目前已有商业产品，但功能仍待加强，设备成本亦太高。
(4)CAD/CAE/CAM系统整合快速模型制作技术（RP）及快速造模技术（RT）
目前先进国家锻造模具之设计、加工制作均朝向运用CAD/CAE/CAM系统整合为主要发展趋势，但此技术所依赖之人才养成为其主要重点，针对此点日本等先进国家已投入专家系统（Expert System）之开发（如汽车连杆专家系统等），但其困难度颇高，仍停留于研发阶段，尚无商业化软件完成。
快速模型制作技术（Rapid Proto typing, RP）为逆向工程技术之一，其可将产品复制以供外形参考，模具设计或产品功能设计等多项之修正，参酌依据；尤其在产品（如锻件）并无确切之尺寸资料时、或欲检查产品设计变更后之外观情形时，此技术确实为一大利器；目前依不同制程，其复制品之材质大致有硬化树脂、粉末状热塑性材料、线状热塑性材料、薄片材料（如纸等）。快速模具制作技术(Rapid Tooling ,RT)为利用快速成形技术(RP)所得到之雏形(Prototype)，翻制成硅胶模，脱腊模等模具，以便复制原形。
RT技术的发展可以分为两方面：
(1)直接造模法：如DTM(Rapid Tool)、EOS(DMLS)、EOS(DCP)、3D system(AIM)、3DP、LOM………等
(2)间接造模法（利用RP件翻制模具）：如Silicon Rubber、Mold、Epoxy-Aluminum Mold(MRM)、Plaster molding、Metal spraying、3D Keltool、Wax为molding pattern 再cast…..等。

表（一）高速铣削加工机之特性

表（二）电化学加工之优、缺点

Reference：
(1) 金属工业 32卷5期87年9月
净形加工成形制程 吴春甫
(2) 锻造 第七卷第一期87年3月
(a) 近净形复合锻造及先进冲锻复合成形技术 日本考察心得
吴春甫、郑炳国、丘先拿
(b) 锻造模具技术现况与趋势（一）
王俊杰、蔡盛祺、林文树
(3) 锻造 第七卷第二期87年7月锻造模具技术现况与趋势（二）王俊杰、蔡盛祺、林文树
(4) 锻造 第七卷 第四期 87年11月
(a) 机车曲柄轴近净形锻造技术开发 郑炳国、黄广渺
(b) 机车变速齿轮摆辗锻造制程研发 苏子可
(c) 从计算机仿真看摆辗锻造之特性 李荣显、谢宗鑫、何益彰、周金龙、苏子可
(5) 锻造技术手册 中华民国锻造协会出版
(6) 新版精密工作便览 精密工学会编(end)

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基于PDM的覆盖件模具实例库研究www.tool-tool.com

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作者：孙家坤 李兆前 黄传真 高琦 杨超英

1、引言
为了保证企业具有持续的创新能力和经济效益,如何创造、积累和使用知识已经成为当前企业成功的关键因素。企业的发展逐渐从依靠资本积累转向依赖于知识积累和更新,在产品开发领域,已有知识的有效利用是企业产品创新以及保持相对竞争优势的源泉。
有效地利用覆盖件模具开发过程中的经验知识,能够极大地提高模具开发的效率,但是如何获取这些知识,特别是经验知识是一项十分困难的事情。传统知识管理根据知识本身的内容进行分类, 分别存放于各子知识库中, 忽略了不同内容的知识之间可能存在的内在联系。因此,寻找一种较为理想的设计经验知识的计算机表达方法是很有意义的。使设计者能方便、灵活地进行模具开发,并且模具开发经验可随着时间、环境和领城的变化得到不断的更新和补充。实例本身包含了大量的设计经验知识,通过实例不仅可以充分利用隐含在实例中的设计经验,而且也更符合人类的设计思维习惯和工程实际。在对覆盖件模具开发时, 通过对覆盖件及其模具进行特定的描述, 然后从实例库中能够提取与之相似的成功实例, 根据实例中的模具遇到的问题及其解决方案,来对相关问题进行预测并消除潜在的问题,提高模具开发的效率。
2、基于特征的覆盖件模具实例描述
在覆盖件模具产品开发环境中, 特征不仅包括几何/ 拓扑信息, 而且包括一些非几何的属性信息,如尺寸公差、粗糙度、材料等,它还包括与产品开发过程有关的信息,如设计意图、设计版本等,以及关于功能、性能及约束条件等的信息。但到目前为止,对特征定义和分类的研究还没有形成一个统一的标准, 这是因为特征的定义和分类受到特征研究应用背景的制约,不同类型的产品生产流程有所不同,抽象和提取的属性也就各不相同。模具产品开发过程中的特征建模究竟应当包含哪些特征,各说不一。根据流程及模具开发的特点,对产品(模具)开发过程中所涉及到的特征进行了总结和划分, 覆盖件模具基本分为:冲裁、拉延、修边、翻边、弯曲等几大类以及由这几个大类组合出多种类型的模具。并结合覆盖件模具开发的实际过程, 确定影响模具的典型特征因素为:模具尺寸、覆盖件形状、覆盖件类型、模具类型、覆盖件精度、模具材料、自动装置、覆盖件料厚等18 个特征。因此,覆盖件模具实例可以通过下面的四元式来描述。
DieCASE={P,D,Q,O}
式中:P－－有限非空集,为覆盖件的特征集合,包括覆盖件大类(轿车、货车等)、覆盖件小类(车门、发动机罩等)、材料、形状、精度等,还包括覆盖件的数字模型,P={P1,P2……Pm},
D－－非空有限集,为模具的特征信息,包括模具大类如冲压、整形,模具小类如落料、修边等、模具材料等以及模具的数字模型,D={d1，d2，……dm}
Q－－相关问题集合,即在模具开发过程中遇到的相关问题及其解决方案,该集合至少包括产品及其模具的设计说明文档,为非空有限集合,Q={q1，q2，……qm}；
O－－非空有限集,是与销售、报价相关的特征信息,O={O1,O2……Om}。
其中P、D特征集作为实例的索引集。
3 、实例信息在PDM 中的组织
在PDM系统Teamcenter环境下, 用于描述一个产品的全部数据(如图档、分析报告、测试报告、工艺文档等)被捆绑到一起(在Teamcenter 中称之为Item),从而形成该产品的完整信息模型。覆盖件及其模具特征信息可以分为三部分:属性信息、数模和问题描述及其解决方法文档。
(1)属性信息:即特征集合P和D所涉及的信息如覆盖件类型、模具类型等。对于属性信息的名称、类型信息,通过对item 的名字可以实现。而其他属性信息如覆盖件类型、材料名称等则可通过定制form 的方式显示,首先在Teamcenter 中创建相关的值列表,配置form 类型所需pom_class类,然后创建新的MasterForm 类, 该form类继承于MasterForm 类,将定制信息写入,其代码实现如下：

结果如图1所示。

(2)覆盖件及模具的数字模型:即实例描述特征集P和D中的数字模型信息,包括三维数模、二维图纸等。数字模型作为item下的数据集(dataset)导入数据库。
(3)相关问题描述:即实例描述特征集中o中的特征,一般为word文档,包括问题类型、问题描述及解决方案等。与数字模型类似,以数据集的形式依附于item。
结合Teamcenter 的信息组织模式,将实例特征信息进行了合理的安排, 符合企业内产品开发人员的习惯。
4 基于相似度的覆盖件模具实例检索
4.1 相似度的计算
通过对两个模具在许多方面进行比较来判断一个模具与已有模具的相似程度。相似程度的比较就是两个模具在多少、哪些因素上具有一致性。实例相似度是判别实例间相似性的尺度, 用来查找实例库中与当前模具最相似的实例。在实际求解问题中,实例的属性信息并不都是数值型的, 因而直接利用计算公式计算相似度并不可行, 针对不同的属性域采用不同的相似度计算方法。尺寸相似度计算方法是计算,|l1-l2|/l2=a。

与几何尺寸相关的特征一般通过这种方法确定相似度。而对于枚举类型的特征信息则需要根据专家经验对其两两选项之间进行规定, 如拉深方式的相似度规定如下:其他依此类推, 建立了各个特征不同属性值的相似度表。在相似度量时, 特征属性的重要性通常被称为权重值,一般在实际中很难判断,通常是在经验知识的基础上通过事先假设来处理, 这些权重值的处理方法都无法证明其正确性, 无疑会给产品实例的相似度量增加人为因素, 给计算结果的准确性造成影响,我们采用分级权重[5]的方法实现不同的特征对解决方案的影响值。其中：

(1)车型、制件类型为一级。
(2)制件批量、制件形状复杂度、制件最大长度、制件最大宽度、制件最小圆角、制件高度等为第二级。
(3)定位要求、精度、粗糙度、平整度、制件材料牌号等为第三级。
第一级权重为30,第二级权重为5,第三级权重为1。
每个特征的权重及其权重级别可以根据实际情况在系统设置中进行调整,以适合不同企业、不同部门的实际情况。通过设置权重级别的办法将覆盖件及其模具不同特征对最后方案的影响程度体现出来,增强了实例检索的针对性。
4.2 实例检索
根据设置的特征权重及其级别, 通过检索相应的实例数据库, 并对当前特征属性值与检索到的特征属性值进行相似度检索。其总体相似度的计算式如下：

式中:n－－计算相似度的所有属性数目;
w(i)－－－第i个特征的权重;
e(i)－－－该特征的权重级别;
sim (u,v)－－－当前特征属性与检索到的特征属性的相似度。
检索实例库, 并将检索到的实例及其解决方案按照总体相似度的大小列出来, 对不同的设计指导与评价模块给出相应的实例及解决方案。
5、结论
本文在对覆盖件模具开发特点进行分析的基础上,对覆盖件模具的特征进行了分析,通过一个四元式对覆盖件模具进行了描述,并对特征信息在PDM系统 Teamcenter 中的组织进行了探讨,最后针对不同的属性域采用不同的相似度计算方法, 通过分级权重的方法实现了不同特征对解决方案的影响,实现了实例检索算法。覆盖件模具实例库的建立,可以方便地为后续工作中模具的报价、模具设计、制造等提供指导, 并且为实现模具企业的知识管理奠定了基础。(end)

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

复杂断面冷弯型钢在线切断模具设计www.tool-tool.com

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作者：乔自平 韩静涛 刘靖

摘要：介绍了一种冲压模具技术在复杂断面冷弯型钢生产线上定尺切断技术的应用。围栏桩冷弯型钢是一种端面复杂并且封闭的型材，为了充分发挥生产线的效率、提高产品质量、改善生产环境，采用冲压模具对围栏桩冷弯型钢在线切断，通过分析围栏桩冷弯刑钢的冲压工艺和生产线特点，确定了模具结构及数量、对模具具体设计作了深人分析，从产品展开到模架选择，从确定模具结构到运动过程分析都做了详细探讨，特别阐述了凸模的设计要点。通过实际生产证明这种切断方式具有噪声小、断面质量高和效率高的优点。
1 引言
冷弯型钢的断面结构合理、品种规格多、几何尺寸精确，是一种用途广泛的经济成型钢材，适合大规模工业化生产，在建筑、交通、机械、家电等各行各业得到广泛应用。目前国内生产的冷弯型钢的品种、规格约有2000余种。冷弯型钢辊压线机组通常包括开卷、矫直、带钢切头、成形、定尺切断、检查、收集〔其中有的包括有焊接，还有的包括冲孔模具等)等主要工序。切断装置是冷弯型钢辊压线机组的重要组成部分。国内的辊压线机组切断装置大多采用飞锯切断，型钢断面处有较大的变形和毛刺，定尺长度精度低，锯切时噪声较大，随动行程较大。对于开口型钢的在线切断，可采用剪切机，从而保证了型钢断面质量，实现了快速切断，剪切噪声低、振动也较小并且无毛刺川。可对于复杂封闭截面的型钢生产线，如何保证断面质量并且有效的发挥生产线的生产速度却是一个难点。
图1为冷弯型钢自动化生产线的产品一围栏桩零件图，其截面如图2所示，对围栏桩的在线切断问题，经过反复研究，决定采用在线模具化切断。具体切断系统包括:预冲孔模具、随动小车、复位气缸、机械定位装置、光电感应开关、控制系统、液压缸及切断模。本文主要介绍模具部分。

图1 零件

2 在线切断工艺分析
由图2可以看出，产品的断面不但封闭而且比较复杂，由竖直面、横面和弧面组成封闭截面，材料为1. 25 mm的镀锌钢板。要求切断时不但要保证断面质量而且不能破坏镀锌层，还要满足生产线的速度。这为模具设计带来了很大麻烦。若采用常规切断模具做整体切断，将无法切除，不能满足产品要求，根据零件特点作了深人分析，决定在冷弯成形前预留6.8mm的切断量。因为零件形状很特殊，凸模刃口部分必定为异形，不但要能切断弧面、横面及竖直面而且不能有塌角和刮伤，根据工艺需要，为了防止塌角并保证凸模的强度，决定在零件中间及拐角处要预先冲出工艺孔，并且必须在成形前冲出预冲孔，也就是在冷弯前再加一工序-做预冲孔，因此要设计一套预冲孔模具。即切断该工件需要两套模具:一套预冲孔模具，一套切断模具。

图2 工件截面图

3 预冲孔模具设计
3.1 互预冲孔的位置确定
从预冲孔到切断，中间还有成形工序，这样预冲孔的位置确定就比较复杂。不但要保证切断面的质量，还要尽量选择合适的位置以提高切断模凸模的强度，并且还要保证不影响后序的冷弯成形，再根据冲压工艺的要求，冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，来对孔的位置进行修正，通过电脑反复模拟，设计出预冲工艺孔如图3所示。中间部分的孔是为了保证凸模的中间部分不要过长过尖，并且在冲切工件的顶部时，使形成的切屑容易排开。拐角处的孔是为了保证切断时不会有塌角，同时也不会产生不易排开的料屑。

3.2工件的展开
直接利用Pro/E的展开命令把零件展开而得到展开图。通过展开命令进行展开有Feature Create Sheet Metal Unbend Regular,选择一个展开时的基准面或边(不动面或边)，再选Unbcnd All命令，再点击OK即可。生成如图4所示的展开图。

3. 3 预冲孔模的结构设计及工作过程分析
(1)预冲孔模具结构设计
根据展开图及精度要求，选择对角导柱模架，采用正装方式，凸模在上，凹模在下。预冲孔模具的整体结构如图5所示。为了加工经济方便，以及便于维修更换，凸、凹模均采用镶块式结构，这样可以不用卸下整套模具便能更换镶块。两块凸模4与凸模固定板5定好位后，连同凸模垫板6一起利用螺丝直接固定在上模座7上，两块凹模21对称镶人下模模座1内。为了防止废料粘模，特别在凸模上设计了卸料橡胶22，冲裁下废料后，在橡胶22的弹力作用下使废料与凸、凹模顺利分开。为了剪切省力，将刃口部分做成了1. S0斜度，凸模如图6所示。另外因为是在线自动化生产，板带自动送进，所以采用了固定卸料板，这样卸料板不但起到卸料作用而且也起到导料板的作用，并且固定卸料板具有卸料力大，结构简.单的特点。

(2)预冲孔模具工作过程分析
在工作过程中，板带导人导料板〔在此导料板与卸料板3为同一块板)，生产过程中是自动送料，是由光电开关确定冲裁位置。板带走到适当位置，在液压机作用下上模座带动凸模4下行，凸模开始工作，在凸、凹模共同作用下，冲孔完成。在橡胶22的弹力作用下使废料顺利从漏料孔漏出，凸模上行，一个冲程完成。

4 切断模具设计
4. 1切断模具结构设计
切断过程是在运动中完成，从总体上来说模具的重量要尽量轻，重心要尽量低，以使在切断时灵巧而又不至于倾斜。切断模具结构如图7所示:凸模14是通过销7、小挡板8及凸模固定板3定好位，连同凸模垫板19一起固定在上模座4上。为了制造和使用方便，下模设计比较特殊，它是由夹板A 10, B11、导位板A 12, B13及塞板17组合在一起固定在下模座15上，在此夹板A l0, B 11是所谓的凹模固定板，同时也对凸模起到导向作用;导A和B一起组成凹模，在切断过程中不仅对工件起导向作用同时也起支撑作用，这样大大减少了切断过程中的不良变形，更好的保证断面的质量，
切断模具整体上是由上模和下模两部分组成。因为要保证切断面的质量，则必须保证凸、凹模的间隙大小合适并且分布均匀，可是凸模很薄且长，并且行程也长，这样就要求有好的导向装置，为了减少导柱本身的变形，尽量缩短导柱的长度〔按常规的设计，把导往安装在下模座上，导柱将很长，则比较容易变形)，将导柱装在下模的夹板上(图7)则解决了这一问题。夹板在此有两个作用:对凸模起导向作用，很好的保护凸模，以增加凸模的寿命;分别用来固定导位板A12和导位板B13。

4. 2切断模具工作过程分析
型材一直是在运动中，切断过程也是在运动中完成，切断模具固定在随动小车上。具体模具工作过程是:工件有导位板导人，运行至随动小车，模具随小车一起运动，控制系统根据光电感应开关发出信号，使机械定位装置工作实现机械精确定位，随后液压缸根据控制系统的信号，带动切断上模下行，凸模14开始工作，在切断过程中凸模利用其角度和弧度完全将废料排开，保证与工件贴合，直至完全切断，压力机也到了下死点，所形成的废料分成6段，成卷状，由漏料孔排出。切断过程如图8所示，由①到②切掉上端两侧弧面部分;由②到③切掉竖直面部分并且开始切下端弧面;由③到④将下端弧面切掉。随着压力机回程，凸模脱离工件回到上止点，机械定位装置解除定位，然后随动小车带动切断模具在复位气缸的作用下快速复位，型材继续前移，下一个行程开始。
4. 3切断模具的凸摸设计及凹模部分设计
因为工件的端面形状比较复杂，并且预留切断量只有6. 8 mm,因此，在设计凸模时，对凸模的强度及韧性还有刃口的形状都提出了很高的要求。
4. 3. 1凸模材料选择
凸模失效的形式为断裂、弯扭和磨损，因此，凸模的材料选用抗磨损冷作合金钢Cr12MoV材料，且经多向锻造进行细化晶粒的预处理，然后再淬火，再回火，回火温度达260-280℃，其表面硬度达58-61HRC，以保证有较高的强度与韧性。
4. 3. 2凸模结构设计
由于工件的特殊性，要将整个异形断面分离，也就是不仅要对竖直方向的金属分离而且还要对水平和圆弧方向的金属分离，可是凸模只作上、下往复运动，这样凸模的刃口部分必然要有一定的形状才能使工件不致变形。根据前面冲出预冲孔的位置及大小，再结合工件的形状，进行刃口部分的设计，整个刀刃部分由4段弧组成，左右对称，为了减小冲裁力，在凸模的刃口部分设计了1. 5°的斜度，这样也是对凸模的一种保护。另外，预冲孔的宽度只有6. 8 mm，因此凸模厚度只能小于6. 8 mm，在此设计为6. 0 mm，可要使整个断面分离，切断行程比较长，凸模长度达到256 mm，根据综合分析采用直通式凸模，上端开孔，插入圆销以承受卸料力，这样设计出的凸模及实物照片如图9所示。上端设计有4个孔，目的是为了凸模磨损或损伤后调整凸模的高度，可以再次磨刃口，以增加凸模的使用寿命，节省成本。刃口的不同角度走向及弧度主要有两个作用:(1)保证切屑外翻或内卷，使形成废料能顺利排出，其目的是不影响后面的切断;(2)凸模下行的过程中保证凸模和工件合理地力作用，以较小
的冲压力平稳地切断。
4. 3.3凹模部分设计
下模采用拼块式结构，如图7所示:由夹板A10、夹板B11、导位板A 12、导位板B13和塞板17及下模座15组成，组成切断凹模的主要部件为导位板A12、导位板B13二导位板不仅可以支撑工件，以减少工件在切断过程中的变形，而且便于加工，可以方便的调节切断模的合理问隙因为凸、凹模的间隙大小及分布的均匀性是保证冲裁件质量(指切断面质量、尺寸精度及形状误差)的书要因素，同时间隙对冲裁力、模具寿命的影响也很大。在工作过程中，凹模的受力及磨损也是很大的，为了保证凹模的强度，材料选用与凸模相同，为抗磨损冷作合金钢Cr7 2MoV。
5结论
这两套模具应用于生产后，达到了自动化生产的要求。切断后型钢断面无毛刺、塌角，随动行程短，切断噪声低、振动小，适应高速冷弯型钢机组不停机生产要求，相对于传统的割断或锯断是一个很大的飞跃。对于异型复杂封闭断面冷弯型钢在线切断的模具设计得出结论如下:
(1)对于异形复杂封闭断面冷弯型钢的在线切断完全可以由冲压模具完成，但是预冲工艺孔的选择非常重要，它是能否顺利实现冲切的前提。
(2)关于切断模具中凸模的设计不但要充分考虑凸模的强度和刚度，而且要根据不同截面形状的型钢来确定刃口部分的形状，首先保证切断过程中凸模和工件合理地力作用，同时也要考虑冲切时产生的废料形状及走向，使废料能顺利排出，不影响后续的切断。(end)

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基于SolidWorks的直齿圆柱齿轮精锻模设计www.tool-tool.com

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作者：上官林建 韦乐余

某机械传动直齿圆柱齿轮模数为3,齿数为27，压力角α为200，精度等级为8级，材料为40Cr;原采用切削加工工艺进行生产，具有生产效率低，材料利用率低、切断齿形纤维组织等缺陷。为提高其力学性能，利用模具来生产该齿轮，从而使金属齿形流线得到保留，分布更为合理。
以往只是借助CAD绘图工具来进行锻模设计，设计锻件图、计算下料质量和坯料尺寸等工作还由设计人员查阅相关标准进行近似计算。目前，三维设计已广泛应用到各个领域，它具有设计直观、减少设计错误、便于修改等优点。所以利用SolidWorks三维设计软件来完成该齿轮及其模具的设计。
1 齿轮工艺设计
根据齿轮的使用要求，可有两种成形方案。
两火两锻法 下料-加热(850±10°C)-墩粗-预锻-切飞边-空冷、喷砂清理-加热到(850±10°C)-终锻-精整-机加工圆孔和键槽-检验-入库。
温锻成形冷锻精整法下料-加热至(850±10°C)-墩粗-预锻-料箱内堆冷至室温-清理-磷化皂化-终锻-精整-检验-入库。
对比以上两种工艺，第一种采用两次加热，其氧化与冷却收缩量的波动将影响齿轮精度，齿面粗糙度大，而且增加厂工序和加热设备，生产成本较高;第二种采用温锻成形增大厂终锻压力，但消除厂终锻温度的波动和高温氧化对产品的影响因素，进一步提高厂锻造齿轮的精度，降低厂齿面粗糙度综上分析，决定采用温锻成形冷锻精整工艺。
2 齿轮的参数化设计
由于齿轮形状复杂，首先利用SolidWorks软件的特征建模技术建立设计齿轮的三维模型，也可利用专门的齿轮绘制插件Geartrax来生成所需的齿轮模型;其次进行锻件图的设计，锻件图是确定模锻工艺和设计锻模的依据。以往锻件图的设计是设计人员根据零件图查阅相关标准后再绘制的，利用现在三维设计手段只需要在原齿轮零件尺寸上加上一定的锻造余量，对该齿轮来说，单边余量留1 mm，通过更改相应的设计参数，即可得到齿轮锻件的三维模型，借助质量特性功能，自动得到该齿轮工件和锻件的质量、体积数值(见图1)，减轻手工计算的工作量，同时使计算更为准确，便于精确地下料。

图1 齿轮锻件质量特性

3 齿轮终锻模设计
3.1 凸、凹模设计
终锻型腔是锻件最后成形的型腔，其尺寸、尺寸精度和表面粗糙度由齿轮锻件的需求决定在SolidWorks软件中提供厂模具设计功能，把齿轮锻件模型作为模芯置人实体模型中，利用"型腔"特征去掉实体模型中的模芯部分，得到空心模腔，然后确定分模面，曲面切割实体，得到凸、凹模两个三维零件图，最后确定模块尺寸，完成锻模的结构设计这种设计方法不仅能加快设计进度，而且保证厂设计的精度，对精密成形模具设计尤为重要。
为了改善凹模的承载能力以及获得良好的锻件性能，设计时采用双层组合式凹模，使齿轮凹模具有很高的强度、很强的承载能力。
3.2 装配图设计
目前，SolidWorks软件支持"自上而下"和"自下向上"。两种产品开发设计流程"自上而下"是指先确定产品总体的基本结构，从装配体到零部件的设计方式;"自下向上"是指从单一的零件个体着手，在完成零件设计后进行装配，最后完成整个产品的设计方式我们采用"自上而下"的设计方法，即:先设计齿轮精锻模的装配部分，然后把各个零件按相应的装配关系组成装配图，进行干涉检查，等到装配关系合格，再对每个零件进行详细设计。
由于传统的锻模结构存在锻件填充性差、变形抗力大等缺陷，为改善齿部的充填性能，降低变形抗力，采用浮动凹模代替传统的固定凹模，改善模膛的充填性该模具工作部分主要由凸模、上模、下模和浮动凹模组成，并具有一定的通用性，只要改变浮动凹模的形状和尺寸就可用丁其它型号的圆柱齿轮生产。
3.3 工作过程模拟
SolidWorks软件内嵌集成了COSMOSMotion全功能运动仿真软件，利用该插件建立齿轮精锻模的运动机构模型，动画模拟模具成形加工运动过程，并测量凸模上任何点的速度和加速度以及凹模所受的作用力和力矩，得到运动曲线和约束支反力，保证所设计的齿轮精锻模运行稳定而且可靠在运动仿真时，还对零件进行厂动态干涉检查，对零件的设计进行改进最后还录制厂模具拆装动画，用丁指导操作}一人进行模具的安装、调试和拆卸。
3.4 生成工程图纸
整个设计检查无误，经审核后，最后生成装配体和零件的二维工程图纸。装配图如图2所示。

4 模具工作过程及特点
精锻过程如下:锻造开始前，浮动凹模和浮动模板在弹簧的作用下是浮起的，以便于坯料的安放;锻造开始后，随着压力机滑块下行，上模和预应力圈首先与浮动凹模接触，与浮动凹模一起形成封闭的模腔;滑块继续下行，在凸模的作用下坯料锻造成形，在坯料锻造成型过程中，浮动凹模也随坯料向下运动，这样保证整个锻造过程在封闭的模腔中进行，从而改善模腔下角隅的充填;锻造完成后，压力机滑块上行，用顶料机构推动顶。
根据铸件的工艺特点，模具的浇道设计成如图2所示的米字形结构，对于缓解压铸过程中金属液对型腔的冲击有重要作用。
为提高铸件质量，在金属液充填型腔的过程中，应尽量排出型腔内的气体，以及混有气体与被涂料残余物污染的金属液设置排气槽和溢流槽是其重要的措施之一通常将排气槽开在溢流槽后面，方便排气槽的加工和布置。
排气槽的结构见图4。设计排气排气槽时，槽与溢流槽错开布置，防止金属液过早堵塞排气槽;靠近溢流槽部位的排气槽深度较大，有利于排气及溢流槽的填充;排气道呈曲折形状，有利于防止金属液从排气槽中喷射出来.避免厂热金属液飞溅伤人。

图4 排气槽的结构

4 压铸模的结构设计
模具结构如图5。模架采用45钢;顶杆采用SKD61钢，这种材料具有极好的高温性能，是压铸模的优质顶杆。

5 结束语
该模具按设计要求在天津某模具公司生产完毕后.经生产检验.模具在使用过程中操作方便、安全，工作稳定可靠铸件表面质量优良，其几何尺寸及力学性能均很好地达到了设计要求。(end)

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·铝合金压铸件质量与模具设计的关系www.tool-tool.com

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作者：张卫民

随着科学技术的发展．对压铸件产品的安全性和造型美观的要求不断提高。根据使用的不同，对零件的质量的评价有所不同。具体来说，若零件在力学性能、几何形状、尺寸精度、缩孔、气孔、粗糙度等方面满足使用要求，就是合格品；此零件比图纸要求质量稍差些，但还能勉强使用，该零件就是次品。如果完全不符合使用要求，该零件就是废品。如何生产出高质量的零件，对节约材料、能源和缩短制造工时，提高经济效益都有很大的意义。
1 影响压铸件质量的因素
影响压铸件质量的因素很多。如压铸机类型及质量。压铸件几何结构及技术要求的合理性。模具的结构及操作人员的技术水平等。
1．1 压铸件的设计
设计者应首先充分了解用户的使用要求及工作条件，压铸件的受力情况，然后根据使用要求及工作环境选择适当的材质．了解其材质压铸性能等。在设计时，要特别注意在满足使用要求的前提下尽量使压铸件结构简单。壁厚适当均匀且留有必要的出模斜度，否则会导致压铸件上出现凹坑、气孔、缩松欠铸拉痕、裂纹、变形等缺陷。
压铸件尺寸精度的要求应合理，否则会对模具设计、模具加工、工艺条件的制定和管理造成不必要的麻烦。又会造成大量的不合格产品。
1.2 模具结构、加工精度及模具材料的选择
压铸件是由模具压铸的，无疑模具的设计、加工、模具材料的选择等与产品质量有密切关系。模具结构不合理，无论从工艺上采取何种措施。也很难使产品合格。
此外，模具材料、模具的加工精度、表面粗糙度、加工痕迹、热处理的微小裂口、氮化层厚度以及模具装配不当等都会影响产品的质量及模具寿命。
1．3 铸件材料的收缩率
铸件材料的收缩率一般以平均百分率或以有一定变化范围的百分率形式给出时。通常选用材料的平均收缩率。对于高精度的压铸件。设计模具时选用材料收缩率应特别注意。必要时可以先作试验模具。在试验模具上取得需要的数据之后．再着手设计和制造用于大量生产的模具。要用不同的收缩率来计算压铸件各部位的工作尺寸，基本计算公式为：

1.4 压铸工艺的制定和执行
压铸工艺的制定和执行与模具、压铸设备的质量、操作人员的技术水平有关。在国内现有压铸设备条件下，对压铸工艺参数还难于实现稳定、可靠、精确的控制。实现基本控制压铸工艺是将压铸设备、压铸材料和模具等要素组合并加以运用的过程。对工艺及主要参数不严执行，会使压铸件发生缩松、变形、欠铸、尺寸不合格等。
2 压铸件质量与模具的关系
模具是压铸件的主要工具，因此在设计模具时应尽量注意使模具总体结构及模具零件结构合理，便于制造，便于使用，安全可靠。要使模具在压铸中不变形。金属液在模内流动稳定，能均匀地使铸件冷却，能全自动压铸而无故障。此外，要根据生产批量，材质情况等合理地选用适宜的模具材料。下面从保证压铸件质量方面谈点看法。
2.1 模具结构要合理．模具零件的结构也要合理
从强度的观点来看。把模具零件设计成整体的好，坚固耐用，在使用中不易损坏，不易变形。但是如果压铸件形状复杂，模具零件也复杂，会使模具加工困难，加工的精度不高。若把模具零件做成组合式，则加工大为简化，易获得高的加工精度，进而可获得高质量的压铸件。
2.2 型腔数的决定
决定型腔数，要考虑设备能力，模具加工的难易。生产批量大小，铸件的精度要求等。特别是多型腔模具，由于模具加工难度大，尺寸精度误差大，流道配置不易取得均衡，各型腔铸件性能就不一致。压铸件要求精度高，几何形状复杂时最好一模一腔。小型铸件根据情况而定。
2.3 浇注系统的设计
浇注系统不仅是液体金属充填压铸型的通道．还对熔化液流动速度和压力的传递以及排气条件。压铸型热平稳等因素有调节作用。所以设计浇注系统必须分析铸件的结构特点，技术要求，合金种类及其特性，还要考虑压铸机的类型及特点等。这样才能设计合理的浇注系统。
目前浇道系统没有统一的计算方法，多采用经验而进行设计。试模调整。经验为：
浇道尺寸，基于内浇口截面积而定，即内浇口截面积：浇道截面积=l：3～1：4。内浇口厚度：浇道厚度=1：5～1：8
2.4 排气系统设计
模具应设有足够溢流范围的溢流槽和排气通道，这对保证产品质量很重要。人们常常忽视溢流通道由进来的金属液过早堵死的现象，采用图l所示的结构，能使金属液先流进溢流槽的较深的部位。保证排气孔的最长时间内一直是通的。此外。溢流槽应设有顶料杆．以排除溢流槽中的金属。
2．5 模具温度
压铸模的温度是影响铸件质量的一个重要因素。模温不当不但影响压铸件的内外质量(如铸件产生气孔、缩孔、疏松、粘膜、晶粒粗大等缺陷)。还影响铸件尺寸精度甚至铸件变形，使压铸模出现龟裂，使铸件表面形成难以清除的网状毛刺，影响压铸件的外观质量。以铝合金为例，合金温度在670~710℃浇入铸型。在长期生产实践中总结得出模具最佳温度应控制在浇人铸型温度的40％。铝合金压铸模温度为230～280℃。模具温度在这一范围内有利于获得优质高产铸件。
模具一般都不用气体或电加热．而采用预热冷却装置。这些装置是按照要求用油作介质。对模具进行预热和冷却的。

2．6成型零件尺寸的决定
计算压铸零件尺寸时选用压铸材料的收缩率要符合实际，不然会导致生产的产品不合格。必要时通过试验模具实测之后再计算压铸件的尺寸。对于高精度的产品，甚至要把模具压铸零件材料的热膨胀以及产品压铸后保存，使用环境对产品尺寸精度的影响考虑在内。
2．7分型面位置的决定
分型面的位置会影响到模具加工、排气、产品脱模等。通常分型面会在产品上留下一条痕迹线，影响产品的表面质量及尺寸精度。因此，设计分型面位置时，除考虑到产品脱模、模具加工、排气等问题外。可把分型面位置放在产品表面质量要求不高或尺寸精度不高的地方。
2．8模具不能变形
往往由于模具结构不合理或模具材料选用不当，造成模具在使用中裂口、变形，进而导致产品不合格，为此，在设计模具时必须采取适当的措施来保证产品的质量。通常压铸时．模具内压力为70～100 MPa为使模具不变形错位，型腔要充分厚，安装型芯的板及垫板要充分厚，必要时垫板下可以增加支垫。型芯与型腔要安装可靠．型芯与安装孔侧面粗糙度要合适，粗糙度不能太低，穿通孔型芯应两边固定，以防止产品一边壁厚。一边壁薄。对产品上盲孔的型芯也应从进料口部位、数量及型芯加固上想办法，使型芯受力均衡。对压铸模可对型腔、垫板进行强度校核。对于型腔壁厚进行强度、刚度校核，对于垫板进行刚度校核。除在模具结构上采取某些保证措施之外，还得选用变形小，强度好的模具材料。另外，模具导柱与导套之间存在间隙或导柱、导套在使用过程中离体保存磨损都会影响到产品的质量。特别是尺寸精度高的产品，为了保证产品精度，可在分型面上设置动、定模锥面配合部分或者在型腔周围适当的地方设置2~4个定位杆起定位及增强作用，以防止动、定模错位。这对大型、大批量生产用模更为重要。
推出系统应设置导柱．用以防止推杆等工作不平稳受单侧磨损，保证产品受力均匀，顶出时不使产品变形。
3 压铸模常见故障原因及排除方法
压铸模常见故障原因及排除方法参见表1。

4 结束语
目前模具设计基本上采用类比的方法．依靠经验、直观和试探的方法进行。今后应在生产中积累经验，特别是根据材料的压铸性等特点所得模具设计的经验，输入计算机，再运用到模具设计中来；将模具分类，使其规格化、标准化；用电脑设计，进行自由曲面设计，流动设计，温度确定，强度计算，东南理工大学和东南大学联合开发的"压铸工艺参数及缺陷判断的专家系统"。具有一定的综合优化作用；哈尔滨科学技术大学提出的"压铸模CAD系统"，华中科技大学对压铸模CAD，CAM系统的研究已有十年。取得了较好的效果。用电子计算机进行CAE分析。以提高设计模具的速度。使模具结构更加合理。(end)

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