制作近净形模具的方法技术

一种制造近净形模具的方法，该模具由可焊接材料制造，该方法包括建立一个模具部分（３０，３２）的计算机模型；把该模具部分的该计算机模型分析性地分割成多个模具区域（２２）；形成模具区域切割路径供一切割机器遵循；把该可焊接材料切割成多个模具区域；形成表面形状切割路径供一切割机器遵循；在该模具区域内机械加工表面形状；通过并排放置该模具区域装配该模具区域；形成焊接路径供一电子束焊接机遵循；以及把该模具区域焊接在一起。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模具制作。具体而言，本专利技术涉及制作模具的一种工艺，该工艺单个地机械加工各个模具片断(mold segment)，然后将这些模具片断顺序联接在一起。
技术介绍
检查一下用来生产造型工具，或者模具的各种工艺，将有利于展示本专利技术过程的好处。目前，那些用于车辆、消费品、器械、计算机和消费电子工业的模具制作过程繁琐，涉及无数步骤，从产品设计到实际投产之间的时间过长。以下是需要模具的零件的几个例子·辆零件，比如用片料压模法(SMC)或者片料反应注模法(SRIM)生产的车体或结构板材，以及注模零件，如保险杆外壳、进气歧管、仪表板等等；·消费品，如垃圾桶、洗衣用篮框、水桶、贮存容器、等等；·器械，如真空吸尘器、洗衣机、以及洗碗机；·计算机壳体，如笔记本计算机、桌面计算机、以及服务器。·用于收音机、电视机等的消费电器外壳。这些零件的模具制造成本不一，从简单的、小体积的模具的$40,000，到一个非常大的A级(Class A)汽车的、可生产一百多万件零件的模具的$1,000,000以上。在零件和模具设计完成之后，有两种传统方式开始制作一个大模具。如果要制作模具的零件不是太深，并且主要是平坦的轮廓，该模具可从一个实心工具钢块机械加工而成。如果要制作模具的零件很大，并且有深轮廓，可先把工具钢铸造成一个近净形(near net-shape)，然后再机械加工。在这两种情况下，模具轮廓都是由硬化了的工具钢(一般Rc 30-40)粗加工而成，这是一个缓慢而昂贵的工艺过程，要求用大体积、大功率的机械加工中心，这将花费成千上百万美元。虽然铸件可以比较接近最终模具形状，但准确的铸态表面不确定，所以第一道切割加工必须缓慢，仔细，以避免刀具撞入铸件表面。用实心钢块，可有信心地使用切削加工，但是，必须切削掉大量的模具材料。在这两种情况下，从零件设计到完成表面粗加工，占去很大部分制作时间。从设计一个大的车辆模具到铸造所用的时间占用生产时间的一半，而且粗加工又花费另外20％时间。对可从实心钢块切削出型腔和型芯的注模而言，根据必须切削掉的模料和精加工要求，粗切削加工可占去全部时间的30％-70％。粗加工完成后，精加工开始。对许多大模具而言，由于对刚度、功率、精度之截然不同的要求，粗加工和精加工是在不同的设备上完成的。能够同时有效完成粗，精加工的机器极其昂贵。精加工大模具最常用的方法是用圆头槽铣刀，并用非常小的进刀量。这是一个缓慢的过程，为保证尺寸精度，要求切削道数很高而切削量很小。如此精加工可占去高达30％的从设计到投产的时间。放电加工(EDM)是另一种选择，已经在模具精加工，甚至模具抛光方面获得成功，但是，在用于大模具时，通常并不比机械加工更快。模具生产的下一步骤是钳工，亦即打磨和抛光阶段。即使利用现代方法，这也是非常劳动密集的过程，取决于表面精加工要求和精加工质量，这一过程可占去15-20％的从设计到投产的时间。用放电加工(EDM)精加工的模具一般需要明显较少的钳工劳动量。最后一步是模具装配和机械加工所有的辅助衬套、销子以及其它模具部件。一个困难工艺过程是在模具内深钻冷却或加热通道。因为在大模具中这些通道的长径比可达100以上，钻孔时必须特别仔细地用衬套嵌入件支撑钻杆。这大大地增加了工艺成本。为确保模具在压力下尺寸稳定，并有足够的传热特性，也要求具有适合的精确度，在铸造的模具中，加热或冷却通道有时可以铸造出来，但是必须去除内部毛刺，而且不能确切知道这些通道相对模具表面的位置。对大模具制作，传统的机械加工已经达到其潜在极限。改进这些工艺的困难在于·从铸造的设计到投产的时间十分慢长；·去除硬化钢的速率有限，导致粗加工周期长；·在精加工工序中，为保持尺寸精度，要求进刀速度非常慢； ·为保持圆头槽铣刀切口的质量，要求铣刀轴转速低，进刀慢；·冷却通道局限于直通道，并且难钻。一些较新的工艺正在被采用，这对那些较旧的工艺具有明显改进。先进机械加工和镍壳型(nickel shell tool)是加快大模具生产的两个最成功的方法，然而，多种多样的快速加工技术也已经对小零件市场造成冲击。这些工艺可描述如下自计算机数控技术(CNC)的引入，机械加工领域的一大进步是高速机床(High Velocity Machines，HVM)的诞生。高速机床已经改变了大模具制作的方式。为便于比较，传统的机加工中心(machining center)运转条件为铣刀轴转速为200-6000rpm；进刀速度为1-4m/min。当切割精度要求的高复杂表面时，这些老的计算机数控系统常常限制进刀速度小于1m/min。进一步而言，这些笨重的机械改变方向也慢，一般加速度在0.1g或以下。从一个钢块切削一个大模具的典型过程如下·从该钢块表面切削掉10mm的材料，然后以此被加工过的表面为基准，重新设置加工工具；·用一个100mm的平面铣刀粗加工出一个二维型腔，其近似于最终几何形状；·用一个50mm圆头立铣刀继续粗加工出型腔轮廓，其切口深度达25mm，进刀速度达到2m/min，行程(step over)10mm；·用25、20和10mm立铣刀完成模具腔轮廓的粗加工，进刀速度达3m/min；·把已粗加工的模具移到一台精加工机床上，其具有精度更高的低功率、快速铣刀轴；·用10、6和4mm立铣刀精加工该模具轮廓，其进刀速度一般为3m/min，且行程小到0.2mm，形成0.04-0.01mm之间的尖端高度；以及·打磨并抛光该模具轮廓，根据不同表面要求，花费50-400小时。对高速机床(HVM)而言，其构件和电子系统比从前系统具有高得多的操作能力。一台高速机床的关键构件是其主轴。这些主轴装置依赖于陶瓷、流体动力、或磁性轴承，使其刀具速度远高于传统机床，其运转速度为10,000-60,000rpm。为利用这些高速度，机床必须能够精确保持更加快速的进刀速度。精密的球螺纹杆或线性马达结合较轻的、计算机优化的铸件结构，使其高速运行，同时新一代计算机数控(CNC)增加批量处理速度以确保位置精度。这种高速机床切削材料的速率是传统机床的两倍，并且有更好的精度和表面质量。甚至在如此高的速度下，所有切口具有光洁表面质量。进一步，用更小的立铣刀，其进刀速度可以以3g的加速度从3m/min变至30m/min，，因此，大大地减少精加工时间。除此之外，可用较小的行程量，形成尖端高度低于0.005mm，这样可以急剧减少甚至消除钳工工作量。不幸地是，目前高速机床(HVM)非常大而贵，其价格是传统机床的10倍。尽管这种大、超前的资本要求妨碍多数较小规模工具与模具厂采用这一技术，但是汽车工业已经意识到采用高速机床在生产率和从设计到投产间的时间方面有巨大收益。那些已经投入高速机床的较小工厂可能由于与传统机加工的技术差别碰到困难，但经过一段磨合期之后，他们几乎总是报告节省了大量成本和缩短从设计到投产的时间。镍气相沉积法(NVD)是相对于传统的模具镍壳电铸成型法的另一种可选择的快速制造工艺。镍气相沉积法用镍与一氧化碳之间的化学反应，把镍原子一个一个地沉积在母模(pattern)上。该工艺以0.25mm/hr的速率沉积99.998％的纯镍，其具有钠米级特征分辨率。以此快速，一个壁厚为6mm的镍壳可在24小时内形成。镍气相沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用板材制作近净形零件的方法，包括步骤：把该板材切割成多个区域，每一个区域有一个长度、一个宽度和一个深度；在该多个区域中的至少一个上机械加工一个表面形状，该形状至少部分地进入该深度，并至少部分地跨过该宽度；通过并排放置该些区域 来装配该多个区域；以及把该多个区域固定在一起。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴维H斯图尔特，
申请(专利权)人：戴维H斯图尔特，
类型：发明
国别省市：US[美国]