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Depo系列放电堆焊加工机的应用

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复众所周知,毛刺是橡胶、塑料模制品的一大缺陷。注塑模的分型线(接合面)部位一旦被磨损、划伤,在成形时,橡胶、塑料就会流入到模具分型线的缝隙中去,导致模制品出现毛刺。目前为止,大都是利用堆焊后精加工的方法来修复模具分型线的。以氩弧焊为例:在堆焊过程中因为模具的金属材料被熔化,体积膨胀,待金属冷却后堆焊部位收缩,产生拉伸应力,导致模具变形,甚至会产生裂纹。此外,由于熔敷金属的收缩,会产生指向焊道中心线的拉伸力,造成焊道边缘与模具基体的交界处缺肉(咬边现象)。基于以上问题,人们开始重视起发热量较小的模具修复方法。应用放电堆焊加工机来进行堆焊,对模具的热输入极低。即使是对镶件那样体积、重量较小的零部件,堆焊时温度也不会上升,因此不会产生象一般焊接那样的变形、裂纹、咬边等缺陷。利用放电堆焊加工机修复模具的另外一个特点是,对于那些模制品产生毛刺的注塑模,在注塑机上不用拆卸,即可直接进行堆焊和精加工,因此大大地缩短了修复时间,大幅度地降低了修复费用。放电堆焊加工机的历史放电堆焊加工机在国际上叫做ESD(Electro Spark Deposition),其前身是由旧苏联的专家,应用类似放电加工机(EDM:Electro Discharge Machining)的电路原理,研究开发出来了。其主要用途是使用高硬度的碳化钨等材料对模具表面进行涂层加工,提高耐磨性、耐热性、耐烧粘等性能。当初的加工机涂层厚度最大只能达到30μm左右,因此无法满足堆焊的需要。之后,经过了大量的研究开发,提高了其输出功率,改进了焊枪结构和电极材料的成分。针对以往的前后震动式电极,采用了旋转式电极,并且利用氩气保护来防止熔敷金属的氧化、氮化。这样实现了连续多层堆焊,提高了堆焊层的厚度,从而作为模具堆焊修复加工机推向了市场。对于那些没有模具生产部门的注塑成形厂家,在模制品出现毛刺时,利用以往的焊接方法来修复模具的话,模具会产生变形,甚至热裂。如果没有像放电加工机或铣床那样的切削金属堆焊余肉的设备,只有付高额的修理费来委托模具厂家修复。修复期间,由于机器的停机会造成交货期延迟。相反,利用放电堆焊加工机不产生变形、咬边等缺陷,可以简单地修复模具。金属的堆焊余肉量可以控制到最小限度。不需要特殊的精加工机器,只要用小型打磨器、锉刀、油石等工具进行手工精加工,注塑成形厂家就可以自己对那些模制品出现毛刺的模具的分型线部位简单地进行修复,即省时又经济。放电堆焊加工机的简介 2.1 原理放电堆焊加工机的原理是,利用充电电容、以10-3~10-1秒的周期、10-6~10-5秒的超短时间放电。电极材料与模具接触部位会被加热到8,000~25,000℃,等离子化状态的熔融金属已冶金的方式过渡到工件的表层。图1所示的是[涂层、堆焊层]的示意图以及各种特性。A区是堆积到工件表面的涂层或堆焊层,由于与母材之间产生了合金化作用,向工件内部扩散、熔渗,形成了扩散层B,得到了高强度的结合。 2.2 为什么热输入低如图2所示,放电时间(Pt)与下一次放电间隔时间(It)相比极短,机器有足够的相对停止时间,热量会通过模具基体扩散到外界,因此模具的被加工部位不会有热量的聚集。虽然模具的升温几乎停留在室温,可是由于瞬间熔化的原因,电极尖端的温度可以达到1,000℃左右。 2.3 为什么结合性好利用放电堆焊加工机进行堆焊时,既然热输入低,为什么结合强度还很大呢?这是因为电极瞬间产生金属熔滴,过渡到与母材金属的接触部位,同时,由于等离子弧的高温作用,表层深处形成像生了根一样的强固的扩散层(如图1中的B所示),呈现出高结合性,不会脱落。图3是加工原理图。放电堆焊加工机的特点(1)操作简单,经过短期培训任何人都可以堆焊。(2)加工机可以携带,只要有220V的单相交流电源,在任何地方都可以进行堆焊。(3)大型模具不用拆卸即可对所需部位进行堆焊。(4)对模具的热输入低,不会出现残余应力、变形、裂纹、气孔、咬边等缺陷。(5)不需要对模具预热或保温。(6)由于形成扩散层,结合性好,不会脱落。(7)由于电极旋转,不会产生粘丝现象,操作容易,达到高品质的堆焊。(8)利用氩气等惰性气体保护,可以得到高品质的堆焊层。(9)堆焊余肉可以控制到很小,从而节省了精加工时间。(10)堆焊层即使磨损,在同一部位可以进行多次堆焊。(11)本加工机一机多用,除了堆焊功能以外,还可以进行碳化钨等硬质合金的涂层。(12)不产生噪音、粉尘、废液、强光、异臭。各种堆焊方法的比较 4.1 利用放电堆焊加工机的堆焊照片1是利用放电堆焊加工机(Depo系列)堆焊出的试件照片。试件的材料是SKD61,尺寸是50×80×20mm,从照片的左侧起分别是尖角、棱边、凹陷、针孔的堆焊修复的事例。最上一排是堆焊前的状态,中间一排是堆焊后的状,最下边一排是研磨加工后的状态(白色箭头尖端处)。 4.2 各种堆焊方法的比较表1是放电堆焊加工机(Depo系列)与其他具有代表性的堆焊技术的比较。历史上氩弧焊很早就被应用,直到现在仍是堆焊方法的主流,其次是点焊式堆焊。放电堆焊加工机是1995年开发、上市的。激光堆焊机也是同一时期由德国开发,推向市场的,但是由于价格昂贵,至今也没有得到普及,在日本也仅仅用于外协加工业而已。适用的材料可以堆焊的模具材料有低碳素钢、中碳素钢、工具钢、模具钢、铸铁、铸钢、不锈钢、铝合金、铜合金、镍·铜电铸模以及几乎所有的导电体。放电涂层·堆焊加工机的应用实例6.1 注塑模的堆焊修复(有蚀纹型)照片2是整个凹面都蚀有纹络的注塑模,在分型线处产生了极薄的毛刺缺陷(红色箭头处)。如果利用通常的氩弧焊来堆焊修复,周围的蚀纹会被损坏,堆焊后需要重新加工蚀纹。此外,分型线的棱边处很容易产生咬边,导致出现二次毛刺。相反,利用放电堆焊加工机来进行堆焊修复,模具不熔化,所以不会产生以上问题。 6.2 注塑模的堆焊修复(大型模具)照片3是室内空调机外壳注塑模的堆焊修复实例。此模具总重量约10吨,若要从成形机(锁模力:1500tf)上拆下,再安装上,需要很多的工时。模具的温度需要降低到室温,才能进行堆焊和精加工,然后需要再将修复后的模具装到注塑机上。由于温度的变化,金属收缩或膨胀,模具升温后,会产生微小尺寸差异,由于这个差异很可能再次产生毛刺。相反,利用放电堆焊加工机,模具不必从注塑机上卸下,模具的温度在高温的状态下,在十分确保安全的情况下,能够进入到注塑机内进行堆焊修复。因为模具的温度不降低,修复后可以立即试车,很容易地确认是否仍然出现毛刺。由于在任何角度和方向都可以自如地进行堆焊,堆焊余肉极少,不需要精加工机器,只要有小型打磨器、锉刀、油石等,就可以进行手工精加工。正因如此,可以即省时,又经济,确确实实地消除毛刺的出现。表2是,针对0.1mm×20mm的毛刺,利用放电堆焊法与氩弧焊堆焊法修复模具分型线所需工序、时间和费用的比较。照片4是修复孔内壁由于摩擦产生的薄毛刺部位的现场。这种缺陷用一般的焊接技术很难实现堆焊,并且,需要通过机械加工的方法除去多余的焊肉。利用放电堆焊加工机只要用旋转的电极材料外表面去接触孔的内壁就可以实现堆焊,由于操作简单方便,可以堆焊得很薄。此外,只要用绞刀轻轻地刮削,就可以修复内壁,达到阻止产生毛刺的目的。6.3 橡胶成形模的堆焊修复照片5是汽车橡胶轮胎成形模具的一部分,模具的材料是Al合金,模具的凸起部位被磨损。在这里如果用一般的焊接技术进行堆焊修复的话,由于Al的熔点比较低,况且不出现金属红热现象,瞬间从固态熔融成液态,所以很难控制其堆焊。此外,高温焊接会产生模具收缩、变形等问题。相反,利用放电堆焊加工机,模具的凸起部位不会熔化就可以简单地堆焊修复,由于不产生多余的焊肉,可以大大地缩短精加工时间。6.4 注塑模的涂层的应用放电堆焊加工机不但能够用于堆焊,而且还可以用于注塑模的涂层。通过对模具滑动易损部位进行3~10μm厚、表面光洁度较细的碳化钨等硬质表层的涂层加工,提高其耐磨性、耐擦伤等性能。 6.5 压铸模的涂层 Al压铸·铸造模具的表面与高温高速的熔融Al产生摩擦,会被侵蚀造成熔损。利用放电涂层·堆焊加工机将碳化钨、碳化钛等特殊金属陶瓷电极事先在模具表面涂层,由于电极成分的特征,会增强其高温硬度,形成与熔融Al不易反应(低润湿性)的保护膜来保护模具。这样不但预防了模具的熔损、烧粘、擦伤、热裂等缺陷,延长模具的寿命,而且,还能够增强脱模性、流动性、透气性,结果可以大幅度地减少铸件的次品率(照片6)。放电堆焊加工机系列 7.1 电源主机(Depo系列) Depo系列是由[MicroDepo](照片7)、[SparkDepo](照片8)、[DepoTech](照片9)三种型号的机器组成的。7.2 焊枪由于放电堆焊加工机是驱动电极旋转的,所以配备了专用的焊枪,表4是焊枪的规格·性能的比较表。照片10是各种焊枪。电极根据使用目的不同,配备了不同成分、形状、尺寸的专用电极耗材。(照片11)8.1 涂层用电极含有碳化物、硼化物、氮化物等的烧结体、金属、金属陶瓷以及Mo、Ni、Ti、Ta、Zr、Nb、Pt、Au等几乎所有的导电材料都可以作为涂层用的电极耗材。8.2 堆焊用电极金属成分的重量比在50%以上的涂层电极材料,都可以用作堆焊电极。后序放电堆焊加工机在日本以及国际上取得了多项专利,并取得了UL以及CE标识,最近NASA(美国国家航空航天局)作为特殊用途,引进了此堆焊加工机。放电堆焊加工机的唯一缺点是堆焊速度较慢。的确,一般的堆焊方法速度快,但是容易产生变形、咬边等现象。为了切削多余的焊肉还要配置放电加工机、铣床等大型加工设备,加工周期长。相反,利用放电堆焊加工机可以排除模具的变形、咬边等问题。因为很少产生多余的焊肉,只要用小型打磨器、锉刀、油石等进行手工精加工,不需要昂贵的加工机,缩短了精加工时间,在时间总计上优越于一般的焊接。为了提高堆焊速度,今后将开发改良主机性能,进一步提高操作性,改进焊枪的耐久性等硬件项目。同时,为了满足更多用户的需求,增加电极材料的种类,开发出适应所有模具材料的电极。

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