目    录

一、模具制造中的微细铣削

二、铝挤压模的失效形式及提高寿命的途径

三、车身轻量化制造中的焊接技术

模具制造中的微细铣削

    近几年来，构件的微型化已成为一种发展趋势。在许多技术领域（如航空、汽车、电子、移动通讯、医疗、光学和机械制造等技术领域）愈来愈多地应用微型机械产品。构件的这种微型化发展，对加工技术提出了更高的要求，生产这些尺寸很小、精度较高的零件和模具使机械加工行业面临着新的加工问题。因为这种采用极小刀具进行的微细加工与采用大规格刀具的加工存在着本质的区别。

    为降低制造成本，大批量的微型构件是采用模具来制造的。目前，这种小型模具的加工则是一个强劲增长的领域。由于模具对精度和表面质量的要求极高，而模具的制造又是单件或是小批量生产的产品。要柔性而又经济地生产，这就使得微细铣削工艺被置于一个特别重要的地位。微细铣削同电火花加工和激光加工工艺相比，具有许多优点：

1、能加工淬硬的工具钢；

2、柔性制造复杂的几何表面；

3、可利用现有的CAD/CAM系统；

4、可获得很好的表面质量；

5、比较低的设备投资。

    因此，在微型模具的制造中，采用微细铣削工艺可以利用NC-5轴（或3轴）高速加工中心或微细铣削机床柔性和精密地来制造各种各样的模芯。

    很小直径的铣刀

    微细铣削加工，采用的铣刀直径通常在0.1mm和2mm之间，铣刀设有两个铣削刀刃。考虑到铣刀直径小和刚性差的情况，刀具材料普遍采用超细颗粒（0.2?m～0.5?m）硬质合金，这种合金由WC-Co和粘结材料组成，在烧结时能获得均匀的组织，具有硬度高、韧性好、抗疲劳强度高和耐冲击性能好等优点，故适合于制成特小直径的铣刀，并应用于硬铣加工。

    为减小铣刀刀刃和工件之间的摩擦，提高铣刀的耐磨性和热稳定性，在铣刀上涂有1?m～3?m厚的硬涂层，例如，可采用PVD涂层工艺的TiAlN，TiCN等硬材料涂层或采用CVD涂层工艺的金刚石涂层。为增强微型铣刀的刚性，铣刀采用锥形结构和圆柱刀柄。

    由于微型铣刀直径很小，刚性较差，平面转动惯量随铣刀直径而成立方下降。因此，微细铣削加工时，铣刀只能承受很小的切削力和转距，所以在铣削加工时应采用很小的每齿进给量，视铣刀直径和工件材料的硬度，其值大致为铣刀直径的0.5/100至3/100，过大的进给量会导致刀具的折断。

    在这里应提及的是，对于三轴加工或在铣刀轴没有倾斜的情况下，球头铣刀进行铣削时，由于背吃刀量很小，在铣刀工作直径上的实际切削速度要大大小于铣刀名义直径上的速度。为使微细铣刀加工能达到较佳的切削过程，选择切削速度时，应考虑到铣刀实际的工作直径。例如： 0.5mm的球头铣刀，选择的切削速度为160m/min，（相应的主轴转速为102000r/min）背吃刀量0.05mm。经计算得知该铣刀的工作直径仅为0.3mm，其相应的切削速度也只达到96m/min。如果按160m/min的切削速度来切削，则主轴的转速相应要提高到170000r/min。

(源自：中华机械网)

铝挤压模的失效形式及提高寿命的途径

1铝挤压模的失效形式

    铝挤压模的失效形式，生产中会因模具的冲击破裂、塑性变形、粘附及过早的磨损和热裂、细颈或拉断、压弯等现象出现早期失效，也会由于技术问题、氮化问题等造成模具损坏，同时还会因模具问题而造成压堵、间隙、扩、并口等故障，但挤压模的失效主要表现为磨损、开裂、变形三种正常失效方式。

    （１）磨损失效，铝型材在挤压过程中是通过没有润滑加工的高温高压下的挤压材料碰上模具型腔的开口部分，一面与定径带平面直接接触，一面滑动，从而产生很大的摩擦力，使型腔表面和定径带表面受到磨损而失效。同时模具在摩擦过程中，模具工作表面上粘附了一些坯料金属使得模具的几何形状发生变化而不能使用，也视为磨损失效，其表现形式为刃口钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落、粘模等。

    磨损失效的根本原因是摩擦。模具磨损的具体形式与摩擦过程的速度等诸多因素有关，如模具材料和被加工坯料的化学成分及机械性能、模具和坯料的表面粗糙度等以及挤压过程中的压力、温度、速度等有关系。铝挤压模具的磨损主要是热磨损，热磨损是摩擦时，金属表面因温度升高而软化和模具型腔表面发生互相咬合所造成的，模具型腔表面高温软化后，其耐磨性降低。热磨损过程十分复杂，显然温度是影响热磨损的主要因素，温度愈高，热磨损愈严重。

    （２）开裂失效，在实际生产中裂纹分布在模具的某些部位，它经过一定的服役期，萌生细小的裂纹，并逐渐向纵深扩展，裂纹扩展到一定尺寸后，将严重削弱模具的承载能力而引起断裂，或在原热处理和加工制造模具时已经产生微裂纹，使模具在服役中容易扩展从而发生早期裂纹。失效原因在设计方面主要是模具强度设计及过渡处圆角半径的选择；制造方面主要是材质的预检和加工时表面粗糙度及加损伤方面的注意，以及热处理和表面处理质量的影响。在使用中主要注意模具预热、挤压比及锭坯温度的掌握以及挤压速度和金属变形流动的控制。

    （３）变形失效，变形失效就是模具在使用中出现悬臂偏心、下陷，分流模上模在使用中出现的舌头偏心及下模出现的型腔塌陷、型孔胀大、棱角倒塌等失效形式，主要原因有材料强度不高；或模具材料虽选择正确，但热处理工艺不正确，未充分发挥模具钢的强韧性；或分流模设计不当，使流速不均，造成对舌头的侧向力不均而产生偏心；还有就是分流模虽设计正确，但加工制造水平不高，使进入各分流孔的流速不均，造成侧向力不同而导致偏心。

2提高铝挤压模寿命的主要措施

    影响铝挤压模寿命的因素很多，除了模具的结构设计与强度较核、模具材料、冷热加工与电加工工艺、热处理与表面处理工艺等内在因素的影响外，还有挤压工艺与使用条件、模具维护与修理、挤压产品材料特性与形状、规格以及模具科学故的管理等外在因素有关，同时，影响的因素不是单一的，而是一个复杂多因素的综合性问题。但基于上述失效形式及其原因的分析使得我们在如何提高铝挤压模寿命的时候有了思路和方法，笔者认为要提高模具寿命主要从以下几方面下功夫：

    （１）合理设计模具，模具设计的合理得当，是延长其使用寿命的重要环节。正确设计的模具结构，应保证在正常的使用条件下没有产生冲击破裂和应力集中的可能，因此，在设计模具时应尽量使各部分受力均匀，注意避免尖角、内凹角、壁厚差悬殊、扁宽薄壁截面等，以免产生过大的应力集中，引起热处理变形、开裂和使用过程中脆性破裂或早期热裂。同时标准化设计有利于模具的互换、保管和维修。总的说来，合理的模具结构设计和可靠的强度较核，还有不断革新模具设计理论和方法，采用电子计算机辅助设计等是改进挤压模具设计和提高使用寿命的主要途径。

    （２）模具材料的合理选择，挤压模具是在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，工作条件和环境十分恶劣，因此对模具钢的性能要求相当高，制造模具的材料应具有良好的热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。目前国内常采用模具材料是４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１Ｈ１３钢和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢，但近年来由于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢的韧性低，抗疲劳强度不好，即便采用高温淬火等工艺处理措施也不能满足要求，模具的早期失效比较严重，新型钢种４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１Ｈ１３钢具有良好的淬透性、热强性、耐磨性和塑性，较高的冲击韧性、抗冷热疲劳性，热处理变形小，抗裂纹扩展性好，能改善挤压型材的表面粗糙度，易修模以及良好的高温综合性能和组织中含有较多的Ｃｒ、Ｍｏ元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布等突出特点，因此逐渐取代了Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢，成为挤压模具的首选材料，实践数据也证明：用４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１钢和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢制造同种模具，４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１的寿命比３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ的寿命高３～５倍，已成为标准模具用材。当然模具材料的选择也是一个很复杂的问题，涉及面很广，只有将研制新材料、提高材料本身质量与研究新型热处理工艺和表面强化处理工艺有机结合起来，才是提高寿命的有效途径。

    （３）提高热处理和表面处理质量，挤压模具的使用寿命很大程度上取决于热处理质量，因此，先进的热处理方法和热处理工艺以及强韧化处理和表面强化处理对提高模具使用寿命尤为重要，同时，严格控制热处理和表面强化工艺，防止热处理缺陷，调整淬火与回火工艺参数，增加预处理、稳定化处理和回火次数，注意温控、升温和冷却强度，采用新型淬火介质以及研究强韧化处理、各种表面强化处理等新工艺、新设备，都有利于模具使用寿命的提高。

    （４）提高模具制造中的加工质量，在模具的加工过程中，常见的加工方法有机械加工、线切割加工、放电加工等。机械加工是模具加工过程中不可缺少的重要工序，它不但改变模具的外观尺寸，而且直接影响型材的质量及模具使用寿命；线切割加工模孔是模具加工中广泛使用的工艺方法，它提高了加工效率和加工精度，但也带来了一些特殊问题，如经线切割加工的模具，如不经过回火处理而直接用于生产，易产生掉渣、剥落等现象，将降低模具的使用寿命。因此对线切割后的模具进行充分回火能改善表面拉应力状态，降低残余应力，提高模具使用寿命。应力集中是模具断裂的主要原因，在图纸设计允许的范围内，线切割丝直径越大越好，这不仅有利于提高加工效率，也可大大改善应力的分布状态，防止应力集中的发生；放电加工是由放电时所产生的材料汽化、熔融和加工液蒸发现象的叠加作用所进行的一种电腐蚀加工。带来的问题是由于加热、冷却的热作用和加工液的电化学作用，在加工部位形成变质层产生应变和应力，在加工液为油的情况下，因油的燃烧而分解出的碳原子向被加工面扩散、渗碳，变质层在热应力提高的同时，因脆硬而易产生裂纹，同时构成残余应力而依附在工件上，这将造成疲劳强度降低，加速断裂、应力腐蚀等现象。因此在加工过程中，应尽量防止上述问题的产生，提高加工质量。

    （５）改善工况和改进挤压工艺条件，挤压模的工作条件极差和环境十分恶劣，因此，改进挤压工艺方法和工艺参数，改善工作条件与工作环境对提高模具寿命有利。所以我们在挤压前要认真拟订挤压方案，选择最佳的设备系统与坯料规格，制定最佳的挤压工艺参数（如挤压温度、速度、挤压系数和挤压压力等）和改善挤压时的工作环境（如采用水冷或氮气冷却、充分润滑等），减轻模具的工作负担（如降低挤压力，减少激冷激热和交变载荷等），建立与健全工艺操作规程和安全使用规程。

3结论

    在实际生产和工作过程中，挤压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题，以上介绍的五个方面只是其中的主要部分，模具的合理使用和维护以及科学的管理对延长挤压模具的使用寿命也至关重要。

(源自：中铝网)

车身轻量化制造中的焊接技术

    车身轻量化的发展趋势促使许多轻质高强钢被引入到车身制造业中，新材料的应用一方面降低了汽车自重，另一方面也给连接技术及接头质量检测技术带来了一系列问题。使用新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的稳定焊接过程，提高焊接质量，而无损检测技术很好地解决了质检中的问题。

    随着全球环境和能源危机的日益加剧，节能减排逐渐成为新一代轿车设计和制造中面临的重要问题。大量研究表明：燃油消耗的50%是由汽车的重量引起的，当整车质量减轻10%，汽车的燃油经济性可提高3.8%，CO2排放量减少4.5%。因此，减少汽车自身重量是降低燃油消耗的最有效措施。车身的轻量化技术是现代汽车技术发展的一大主流。

    据一项新近的项目研究表明，使用轻质高强材料可以将车身减重25%。目前，高强钢的使用约占车身总用钢量的30%左右，而这个比例还将进一步扩大。通常来说，把高强度钢板分为普通高强钢（HSS）和超级高强钢（AHSS）。根据国际上对超轻钢汽车的研究，把屈服强度在210～550MPa范围内的钢板称为高强度钢，屈服强度大于550MPa的钢板称为超高强度钢。其中，普通高强度钢主要包括高强度无间隙原子钢（IF）、铝镇静钢（AKDQ)、烘烤硬化钢（BH）和高强度低合金钢（HSLA）；超级高强度钢主要包括双相钢（DP）、相变诱发塑性钢（TRIP）、马氏体钢（MS）等。高强钢中的BH、IF高强钢主要用作车门、引擎罩、挡泥板和悬挂件等；DP和TRIP用作内板、底板和车轮等；马氏体钢（MS）用作保险杠、门梁等。图1为各种先进高强钢的延展性和强度特性对比，由此可见，双相钢具有较高的强度和较好的延伸率，已经成为车身制造中应用前景最广泛的一种新型材料。

图1  各种先进高强钢强度与延展性对比

    双相钢广泛应用在降低车重的同时，也给车身连接装配提出了新的要求。电阻焊作为车身制造中最重要的连接工艺之一，双相钢的点焊质量控制和检测也变得越来越重要。传统的气动焊枪的电极压力由气缸驱动，无法得到精确控制和保证，老式的交变电流焊机焊接电流不平稳，且受网压波动影响较大，已经逐渐无法适应新材料的焊接。近年来，新型伺服焊枪使用伺服电机驱动电极，能够精确控制电极压力。中频逆变直流（MFDC）焊机以其快速的响应速度、平稳的电流控制，得到越来越广泛的重视，为新材料的焊接质量控制提供了良好的解决方案。

双相钢焊接工艺改进

    双相钢由于制备时采用特殊的相变强化处理工艺，从相图上看，其马氏体相变临界曲线偏左，在进行电阻点焊时，熔化后的高温奥氏体在保压过程中，冷却过程曲线会穿越其马氏体相变临界区域，致使焊后熔核中形成不同含量和分布的马氏体，导致熔核区比较脆，焊点十字拉伸强度及低周疲劳性能都不佳。采用常规的气动焊枪和交流焊机进行焊接时，由于无法控制电极压力及电流波动，为了保证焊接质量，通常采用比较大的焊接电流，会造成焊接时产生很大的飞溅。新型伺服焊枪和中频逆变直流焊接电流控制器的引入，使焊接过程中的电极压力和电流控制成为可能。

    上海通用现场的伺服焊枪有C型、X型和P型，以C型枪为例，其结构如图2所示。与传统气动焊枪相比，伺服焊枪使用伺服马达来带动滚珠丝杠（Ball screw）或杆型丝杠（Roller screw）旋转，以驱动电极杆直线上下运动，实现加压和焊接的全过程。由于伺服马达的数字化控制，与传统气动焊枪相比，伺服焊枪有如下特性：

图2   伺服焊枪结构图

    1. 电极运动位置和速度精确可控，一方面可实现与工件的软接触，减少冲击噪音，并延长电极寿命；另一方面，使电极打开幅度可控，机器人运行轨迹可实现最优化，减少不必要的行程。

    2. 整个焊接过程中的电极压力可控，其压力调节速度可达200kgf/cycle(10kgf/ms)，能够很好地避免和抑制飞溅，有效保证和提高焊接质量；在进行管板焊接时，电极压力可调的特性能够减少管的焊接变形，防止裂纹产生。

    3. 采用伺服焊枪电能的消耗成本低于压缩空气的消耗成本，可以达到节能的效果。

    4. 通过伺服电机编码器反馈的动态电极位移信息可间接反映焊点质量，为焊点质量在线监测提供了可能。

    中频逆变直流焊机(MFDC)是将工频(50Hz)交流变换为中频(1 000Hz)直流输出，时间分辨率比工频提高，控制精度也提高，并且输出电流不受次级输出回路变化影响，热效率也较高，输出功率也很大，焊接质量也更好。与传统交流焊机相比，有如下特性：

    1. 焊接质量：工频交流焊机的调节周期较长，对50Hz的电网，焊接时间调节分辨率为20ms。逆变直流点焊机时间调节分辨率可达1ms（1 000Hz逆变频率），控制精度高。逆变焊机反馈控制的响应速度明显加快，输出稳定性好。工频交流焊机由于电流过零的影响，热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，影响更大；逆变直流点焊机输出电流为脉动直流，在回路电感的作用下为连续直流输出，热效率高，焊接热输入稳定。

    2. 焊接速度：工频交流焊机因电流过零的影响，加热时间相对较长。逆变电阻点焊机为直流输出，加热集中，焊接时间缩短。

    3. 节能效果：工频交流点焊机工作在50Hz，变压器损耗大，焊机功率因素低，回路损耗大。逆变焊机变压器工作在较高的频率，损耗很小，直流输出改善功率因素，节能效果明显。

    4. 设备体积与重量：工频交流焊机的变压器铁心较大，同样功率条件下设备较笨重。逆变直流电阻点焊机变压器大大减小，设备较轻巧。

    使用伺服焊枪＋中频逆变直流焊接控制器与传统气动焊枪＋交流焊接控制器，在焊接0.8mm＋0.8mm双相钢DP600时，选用同样焊接参数(304kfg，240ms，9～12kA)的情况下，焊接质量对比如图3a所示，新设备的焊点熔核尺寸比传统设备要大0.2mm左右，而焊点拉剪力要大300kN左右，有效提高了焊点质量。在可焊性方面，如图3b所示，新设备的可焊性比传统设备要高0.4kA，有效改善了双相钢的可焊性。

图3   伺服焊枪＋中频直流Vs气动焊枪＋交流

焊点质量检测工艺改进

    高强钢的焊点由于含有比较多的马氏体，在性能上会表现出一定的脆性。使用传统的凿检法进行焊点质量检测时，会出现从焊点界面撕裂的情形（如图4），这就需要对焊点进行修补，在一定程度上，增加了焊接成本。因此，对于高强钢点焊质量检测而言，适合采用无损检测法。

图4   双相钢的焊点界面撕裂

    高强钢焊点无损检测方法除了在线实时采集焊接过程信号来进行判断之外，还有焊后的离线无损检测方法。其中，最常用的是超声波无损探伤方法（如图5），它是利用超声波在焊点界面反射或穿透点焊熔核时的声波衰减程度和回波间隔来判断焊点质量的好坏。操作者手持探头，配合耦合剂，探头紧贴焊点表面，并与工件表面垂直，根据监视器显示的超声波曲线波形宽度和幅度等变化，来判断焊点质量好坏。

图5   焊点质量超声波无损检测法

    1. 合格焊点：回波序列的波幅相应快速递减。这是因为焊核金属的晶粒较母材粗大，声波穿过时，能量衰减也大。回波的间隔反映焊点的厚度。

    2. 焊核熔深不够：此时显示长的回波序列。原因是声波穿过较少的焊核区域，声能衰减相应减少。

    3. 焊核直径太小：此时在正常的回波信号中间会出现中间波，它是由母材界面引起的反射波，通过它能鉴别焊核直径是否小于声束直径，这就是为什么在选择探头直径时必须考虑焊核直径的缘故。

    4. 虚焊：在正常的回波信号序列后半段，显示中间缺陷波，同时回波序列较长。

    5. 漏焊：声波未能进入第二层板，回波序列显示非常多的底波信号。

    6. 过烧：回波序列显示只有少量回波。此时焊核区域过大，声能衰减非常严重。

    上海通用公司的超声波点焊检测设备使用4.5mm直径高频(20MHz)探头，对高强钢底板的凿检盲区进行超声波检测，配合少量的传统破坏性检测，构成严密的三级检查体系。根据产量和抽检批次，抽取车辆进行超声波探伤，发现缺陷后，对缺陷焊点进行破坏性检测来验证检查结果。其探测的焊点占总数的50%以上，准确率达95%以上，在实际使用中取得了良好的效果。

    综上所述，车身轻量化趋势中应用的高强钢组织跟普通低碳钢不尽相同，传统的焊接设备及检测方法也逐渐无法满足高强钢的焊接要求。以双相钢为例，使用新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的稳定焊接过程，提高焊接质量。在焊点质量检测方法方面，实时的电极压力监测方法和抽样的超声波探伤法都能够很好地解决双相钢质检中的问题，为双相钢的进一步推广应用奠定了基础。

(源自：中华机械网)