模具制造论文范文

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【关键词】绿色制造;模具;先进制造技术

制造业是社会经济向前快速发展的重要支柱产业,制造业在将制造资源转化成产品以及随后产品的使用和废弃后的处理过程中,将会给生态环境带来了不同程度的污染。对于制造业来说,未来所面临解决的重大问题是如何减少资源的消耗和尽可能少地产生环境污染。因而绿色制造(GreenManufacturing)应运而生,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的负影响最小,资源使用效率最高[1-2]。绿色制造主要包括以下几方面内容:一是制造问题,包括产品生命周期全过程;二是环境影响问题;三是资源优化问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉和有机集成。

模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品,是工业生产当中的基础工艺装备。它的生产技术水平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。传统的模具设计过程一般仅仅需要考虑模具产品的基本属性,如模具的功能、质量、成本和寿命等等,而很少、甚至不考虑它的环境属性和对资源、能源造成的浪费。模具工业作为制造业的一个重要组成部分,并且在我国得到迅猛发展,因而在模具行业中提倡绿色制造尤为重要。

1模具的绿色制造

由绿色制造的概念可知,“绿色模具”不仅仅指在使用时对环境的影响小,还应是从制造到报废的整个生命周期内对环境的破坏是最小的。因此,模具的绿色制造设计要求设计者在构思阶段就要优先考虑模具产品的环境属性(模具的可拆卸性、可再次回收性等等),然后再考虑原有应该考虑的模具产品应用的基本属性[3]。总的来说,模具绿色制造的整个生命周期包括绿色设计、绿色制造、绿色包装、绿色维护和绿色回收、再处理等阶段。

1.1模具的绿色设计:模具绿色设计对模具绿色制造有着非常重要的地位,这一步解决的好坏直接影响到最终利用模具加工产品的绿色生产问题。

1.1.1模具材料的选择:模具材料的选择是模具产品设计的第一步。模具材料的“绿色程度”对最终产品的“绿色性能”具有非常重要的影响。因此,绿色模具设计必须建立在绿色模具材料基础上。绿色模具材料应是低能耗、低成本的材料,尤其是少污染的材料;是易加工和加工过程中无污染或少污染的材料;是易回收处理、可重复多次使用或可降解的材料。比如,可选择优质镜面模具钢加工型腔,辅之以良好的抛光手段;直接用不锈钢材料来加工防腐的模具,以替代表面处理的方式。另外除在材料上选用不锈钢来避免使用电镀外,也可采用镍磷镀替代电镀铬,因为镍磷镀在对氯化氢气体的防腐上要优于电镀铬,且前者对环境的危害也要小于后者。

1.1.2延长寿命的模具设计:延长产品寿命是绿色制造的主要手段之一。对于锻造模具,在提高模具寿命方面已有很多的措施,如正确选择分模面位置、选择适当的飞边槽、选择合适吨位的锻造设备、在一副锻模上开设两个终锻模膛分别单独使用等。对于冲压模具,如冲压间隙值的合理选取、尽量压缩凸模工作部分长度、采用弹性卸料板、改进凸(凹)模的结构如采用一模多形、一形两用和拼装式模具来提高模具的利用率。对于注塑模具,如采用随形冷却水道可提高注塑精度和模具使用寿命;将模具型芯由整体结构改为镶拼式结构,可解决模具的变形问题,提高模具寿命。

1.1.3模具的可回收性设计:模具的回收性设计是指在模具产品绿色的设计初期充分考虑产品中所用各种材料的回收、再利用的可能性、回收处理的方法、回收性的技术经济评估以及回收性的结构框架设计等有关一系列问题。这样就可在后续生产中尽可能节约材料,减少浪费。因此,因避免或不要过多使用铜、铅等有害或对环境有重污染的材料;尽可能减少所用材料的种类;避免使用与现有标准循环再回收过程中不相兼容的材料;多使用无需特殊工具的连接件;设计时尽可能允许使用现有的一些可重复利用的零部件等。

1.1.4模具的可拆卸性设计:模具可拆卸性对于模具绿色制造来说是很重要的。当模具在使用过程中部分零部件由于承受过大的摩擦与冲击磨损较大时,只需更换这部分零部件模具仍可使用。此外,有时只要更换凸、凹模即可实现一种新产品的生产。如果模具不具备可拆卸性不仅回造成大量可重复零部件材料的浪费,而且因废弃物处理不好导致严重的环境污染。因而在设计初期就要考虑模具结构易于拆卸,维护方便,这样就便于在后续回收处理中再利用。因此,在模具设计时应尽可能选择通用结构,以便更换;在满足强度要求的前提下,尽量采用可拆卸联接(如螺纹联接),不用焊接、铆接、胶接等;不用或少用过盈配合;采用组合模架。

1.1.5模具设计的标准化、规范化、系列化:无论是锻造、冲压模还是塑料模,都有必要向标准化、规范化、系列化方向发展,模具标准化是组织模具专业化生产的前提,而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、降低成本的关键。模具设计向标准化、规范化、系列化方向发展,便于采用和购买模许多规格的标准模架及其它标准件,而这些模架及标准件又可由专门的厂家、企业通过社会化分工进行生产,从而使有限的资源得到优化配置。另外,模具各结构单元的规范化、标准化,可使生产其的夹具数量大为减少,从而节约资源,并且加快了设计速度,缩短了设计周期,方便加工管理。

1.1.6模具CAD/CAPP/CAM一体化:模具CAD/CAPP/CAM是模具设计走向全盘自动化的重大措施。采用CAD/CAPP/CAM技术,可实现少图纸或无图纸加工和管理,一方面,节约用纸即节约资源和能源;另一方面,模具CAD/CAPP/CAM一体化也为并行工程的实现提供可能,可缩短模具设计与制造周期,提高模具研制的成功率及模具质量。

1.1.7模具的绿色并行工程:绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式,它的核心是并行一体化设计,强调产品设计及其相关过程同时交叉进行,即在设计阶段就要考虑整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有环节和因素,如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。因此,涉及产品整个生命周期的各个部分的小组成员必须协同工作。对于模具设计,不但需要模具设计小组成员之间进行讨论,协调产品的设计任务,而且其他部门如工艺、制造、质量等小组也要参与产品的设计工作,对产品设计方案提出修改意见等,从而使得整个模具设计工作一次成功。

1.1.8其他绿色设计:锻造、冲压车间是机械工厂的高噪声车间之一。大量的锻压设备在生产运转过程中所产生的强烈噪声,危害工人的健康,影响了生产效率,干扰了环境的安宁。因此,在进行模具设计的时候,必须对噪声加以控制和消减。对于锻造设备,如使用排气消声器、用液压模锻锤代替蒸空模锻锤等等。对于冲压设备,消减声源噪声的措施有:用V带传动代替齿轮传动;以摩擦离合器代替刚性离合器;采用铸铁机身以增加压力机的刚性和减震能力;作好飞轮等回转体的动平衡等等。控制噪声传播的途径有在轴承和轴承座之间加弹性衬套;在压力机产生噪声的主要部位加盖隔声罩;采用具有油减震器的无冲击模架等等。对于注塑模具,浇道设计上要注意浇道凝料与塑料制品的体积比率,一般应小于30%。如果达不到,就要考虑进一步优化浇道设计和调整型腔数量,或者采用热流道技术。热流道技术在塑料原料的节约上有突出的优势,在产品价格竞争日益激烈的今天,这一点尤为重要。因此近几年该技术的应用得到快速普及。

1.2模具的绿色制造工艺:在模具绿色制造过程中,采用绿色制造工艺也是实现模具绿色制造的一个重要环节,它是一种既能提高经济效益,又能同时减少环境影响的工艺技术。近来年,随着先进制造技术在模具行业的推广,模具行业也向着绿色制造工艺方向努力。目前,在模具行业中应用的较为典型的先进制造技术有:

1.2.1快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,RP&M)[4-5]:

快速原型制造是一项集计算机、激光、数控及精密传动等技术于一体的先进制造技术,其在原理上突破了传统加工技术采用材料“去除”的原则,而采用材料“逐层堆积”的原理,能根据产品的CAD数据,快速地制造出具有一定结构和功能的原型,甚至产品,由此可有效地加快新产品的开发速度。而以RP&M原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术,进一步发挥了快速成型技术的优越性,可在短期内迅速推出满足用户需求的产品,大幅度降低新产品开发研制的成本和投资风险,缩短了新产品研制和投放市场的周期,在小批量、多品种、改型快的现代模具制造模式下具有强劲的发展势头。

1.2.2虚拟制造技术(VirtualManufacturing)[1]:

虚拟制造是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模,形成一个可运行的虚拟制造环境,以专门的虚拟软件技术为支撑,借助高性能的硬件,在虚拟制造环境中生成数字化产品,实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验,从而缩短模具产品的设计与制造周期,降低开模的开发成本,提高快速响应市场变化的能力。

1.2.3高速切削(HighSpeedMachining,HSM):

高速切削在模具领域的应用主要是加工复杂曲面[6],其中高速铣削(也称为硬铣削,HardMilling,HM)可以把复杂形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、浅腔大曲率半径的模具完全可用高

速铣削来代替电加工;对深腔小曲率半径的模具可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工,而电加工只作为精加工。这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的消耗,这对保护环境的贡献是不言而喻的。同时,极大地缩短了加工周期,提高了加工效率,降低了加工成本。

1.3模具的绿色包装:模具的绿色包装是模具销售过程中涉及到的绿色问题,它着重从保护环境的角度出发,尽可能使模具产品进入销售、使用、废弃的物流过程中,其对环境资源消耗和废弃物产生量最小。模具的绿色包装主要包括三个方面的内容:模具包装材料的选择、模具包装结构和模具包装材料的回收。具体来讲,第一方面就是在模具远程配送过程中,在不影响包装强度的前提下尽可能使用一些常见的木制材料(如合成板),这是由于模具产品不同于其他一些精制产品,它不太注重产品的外包装精美问题,只关心产品的内在保护质量。第二方面就是要合理设计包装箱内部结构,从而简化包装复杂度。即多个零件尽量在一个包装箱中放置。同时,为了避免零件之间在运输过程中互相摩擦造成磨损而影响模具产品表面质量,可在其中多放置一些软性材料来隔离。第三方面就是要在包装箱上注明包装材料的可回收性标志及回收处理方式。如果用户不能处理或难处理的,可注明可寄回原处处理,并给予一定的经济补偿。这样的处理表面上看会使初期的成本可能有所增加,但从长远来考虑,这也是节省成本的好方法。

1.4模具的绿色维护:在模具的使用过程中,由于其特殊性,要经常进行模具的修模工序。因此,同模具绿色制造过程一样,修模过程也需要进行绿色处理。比如,在进行尺寸修模时,尽可能进行人工修护,少用或不用机加工;少用或不用有害溶液对模具进行表面处理,如盐酸或甲醇等;在维护模具表面硬度方面,尽可能减少热处理工序等等。

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1.企业调研。对行业、企业中职毕业生的需求情况及培养目标定位的情况进行广泛的调研，形成《永康市模具专业人才需求及专业课程改革调研报告》。通过全面而深入的调研，了解模具行业企业对模具专业中职毕业生的需求，为模具专业课程改革的展开提供全面而真实的资料。

2.组建模具专业课程改革委员会。由学校分管校长、专业带头人、模具行业专家组成模具专业课程改革委员会。

3.形成课程模式。形成以培养文化素质为目的的“公共课程”，以培养核心技能与专业素质为主要内容的“核心课程”，以强化技能训练的“教学项目”。

(二)选编若干工作项目

我们走访了永康市乃至浙江省模具企业、模具车间、模具个体加工店等单位100多家，发放问卷800份，回收有效问卷550份；调查中职学校10所，发放并回收了中职教师问卷32份。项目组还充分利用了模具行业协会的优势资源，与企业进行座谈交流。调查地区覆盖了浙江省的台州市、宁波市、金华市等部分有代表性的模具生产地区。调研的目的是结合职业资格考核标准和行业、企业岗位标准，将搜集到的企业岗位生产任务，依据职业教育的规律进行拆分、简化、组合等处理，附以对应的生产岗位所需要的工艺图纸、加工程序和工艺卡片等资料，组成若干个作为职业教育和培训的内容单元，即“工作项目”。

(三)确定核心课程与教学项目

在学校“专家咨询委员会”“专业指导委员会”“教学指导委员会”的具体指导下，聘请模具行业专家、省内兄弟学校骨干教师多次研讨，对职业工作任务逐层分解，最终形成模具专业核心技能、核心课程以及与之对应的教学项目。核心技能是依据企业工作任务分析和调研确定的企业岗位能力的重要性排序、中职生学习时间与能力等，按照校内提炼—各校提炼—校内整合—校内再提炼—专业教师、专家商讨提炼的过程进行归纳概括。核心课程强调以学生预期工作岗位所需的核心技能为基础，本着“必需、够用”原则降低基础课的难度，把理论课融入实践，使课程内容更加适应学生特点；教学项目中教学内容包括该项目所需的相关实践性知识、理论知识、拓展性知识及练习。

(四)构建新型课程体系

学校各专业课程开发组，根据职业岗位能力要求，结合职业资格技能标准及学生职业生涯发展需要设置课程和教学环节，结合企业的新设备、新工艺、新技术、新材料的实际情况，依据职业能力形成的规律，构建以岗位需求为依据、以能力为本位、以职业实践为导向、以项目课程为主体的课程体系。新课程体系精简了设计和原理类课程，对与就业岗位(群)能力要求关系不十分紧密而对综合职业能力培养又必须的部分理论课程进行综合化处理，突出“公共基础课+专业核心课程+选修课程”的基本思路。

(五)开发系列教学资源

1.以教学指导方案为依据，以企业实际生产典型产品为实例，组织专业教师参与教材开发。目前，教材已经全部正式出版并投入使用。

2.建立了完善的数字化课程资源库，将所有课程的电子教案、课件、试题、视频、图片以及网络课程、精品课程等，上传到学校网络资源库，供教师备课、上课使用，学生也可进行网络课程学习。

3.建设精品课程及其配套信息化资源库。各专业由专业带头人牵头，依据精品课程标准，从课程内容、师资配备、实训和教学环境建设、教法和教学设计等层面，就每一门课程进行精心研究和实践，直至成为精品课程。同时依托信息化资源库管理平台，形成完善的核心课程与精品课程教学资源库。

(六)形成教学指导方案与教学大纲

模具专业课程标准体现了专业对学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的基本要求，规定了专业课程的性质、目标、设计思路、内容框架，并提出教学和评价方法的建议。它是一个“最低要求”，是绝大多数学生都能达到且必须达到的标准。通过教学项目的实施，引导学生以完成项目任务为主要学习方式，使学生在理论与实践的反复交替中进行专业学习。

二、课程改革保障条件

1.进行顶层设计，采取项目负责制，建立一套高效的工作机制。课程改革需要学校的顶层设计。学校主要领导为总设计师，分管领导为项目负责人，教科研部牵头进行前期策划，各教学部“项目组”承担各个子项目，形成项目管理式的工作机制。

2.专家引领，企业参与，形成一套完整稳定的管理制度。我校成立了由行业企业领导、专家、技术人员以及学校领导、专业带头人、骨干教师组成的“专家咨询委员会”“专业指导委员会”和“教学指导委员会”。从企业调研到人才需求分析，从典型工作项目编制到课程内容选定，从教学计划到教学实践，每一环节都有企业的深度参与，并形成了相对稳定的管理制度，真正体现学校主体、行业指导，企业参与。

3.建设基地，模拟场景，创设一个现代化的实训条件。学校依靠校政企协同共建，先后建立了6个大型现代化的实训车间以及2个工作室，为“教学做合专业课程改革模具专业课改思路20一”的“一体化教学”提供了准企业环境。实训车间、现代化理实一体实验室、生产车间、校外实训基地等为整个新课程体系的实施创造了条件。

三、课程改革成效

(一)教学模式不断改革

本专业形成了“以核心技能培养为专业课程改革主旨、以核心课程开发为专业教材建设主体、以教学项目设计为专业教学改革重点”的浙江省中等职业教育专业课程改革新思路，建构了“核心课程+教学项目”专业课程的新模式。与原有专业课程模式相比，这种模式更具职业性、实用性和指导性，对于提高职业教育的教学效能具有重要的作用。课程设置和课程实施计划相互处在一种动态适应状态，每当出现与教学实际相悖的情况，都会得到及时调整，还可据此协调教学进程与企业生产周期，协调学校教学与企业实习之间的时间或空间关系。经过几上几下的修正协调，形成了更加切合实际的、符合本校教育教学环境条件的课程、课程设置及其实施计划。

(二)工学结合不断深入

1.进行学制改革，把全日制与工学结合起来。第一学年全日制，在校学习理论基础课程；第二学年学生按照本人志愿，进入企业自主选择某一模块带薪开始专业学习(在企业边工作边学习，学校和企业共同参与)。具体安排为第三学期到已经联系好的企业进行带薪顶岗学习，第四学期回到学校进行其他工种的学习。

2.以学校建有的生产车间为依托，将以往教学性技能实训转化为生产性实训，把职前教育和职后教育有机结合起来。按照教学计划，学生在校期间轮批进入生产车间学习，生产真实的企业产品，从而让“工”与“学”无缝对接。这样不但避免了以往教学内容与企业需求脱节的问题，而且可以让学生提前受到企业文化的熏陶。学校制订了完善的考核评价制度，将这一过程与学生的技能考核相结合，对学生在工学结合期间的技能学习给出科学的评价。

3.以进驻学校模具研发中心的锋锋模具厂为平台，把原本在校内实施的专业课程放在工厂的真实环境中进行。由企业技术人员和学校教师结合生产实际由学生根据自身的工作安排，选择白天或晚上参加集中授课，从而解决学生“工有余”而“学不足”的问题，保证专业理论课的授课量。同时通过“工学结合”营造真实的工作环境，校企联合培养学生，既缩短了学校与企业的距离，也实现了学生理论联系实际、逐步成长为适应企业需要的人才的目的。

(三)考核方法不断创新

以职业资格标准为依据，围绕职业能力培养目标，建立课程考核评价体系，改变仅靠理论笔试和以分数为考核标准的评价方法，坚持知识、能力、技能考核并重，以能力和技能考核为主的原则，实行静态考核和动态考评相结合，结果考核与过程考评相结合，加强整个学习过程的管理和考核，建立新的学习成绩评估体系。对学生学习态度、团队精神、操作规范进行考评，重视学习过程中的职业知识、职业能力、职业品质的综合考评。

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20世纪80年代前,很多模具是靠钳工用手打磨出来的;90年代,由于引入了数控加工机床、edm等较先进的设备,大大地提高了模具的生产工艺水平,生产周期及模具的品质也有了很大的缩短和改进。高精度加工己经把工人从繁重的体力劳动中解放出来。另一方面,cad/cam/cae等计算机辅助技术在模具行业也得到了广泛的应用,模具的设计及数控加工水平有了很大的提高,cad/cam/cae软件对于模具技术人员的工作效率和设计的可靠性已经有了很大的提高。目前各模具企业又面临着一个新的课题,如何把企业管理也同样从烦琐的事务中解放出来,让信息化管理为企业的生产效率提升作出贡献。所以模具企业管理的信息化己经成为模具行业发展和进步的必然趋势。

模具生产是单件订单式生产,在管理信息化中有其强烈的特殊性。设计是制造的一部分,工艺设计不充分,设计与工艺信息可直接重复利用价值不大。因此,根据企业生产特点把握全面信息化管理与实用、简化管理的平衡点,是信息化的关键。这就造成很难照搬成熟的管理软件。例如汽车模具企业没有传统意义上的原材料,仓库管理等等。购置的都是部件与部件的半成品,不存在入库出库过程,制造费用的摊销每个企业也是都不一样。又比如成本核算更应该采用项目管理的办法,而不是采用一般加工制造业的办法,什么pdm、erp等软件不经过彻底的改造是完全不适应的。

2现代模具设计的CAD/CAE技术的应用

模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸与尺寸精度、表面质量要求以及其成型工艺条件的变化而变化的,所以每副模具都必须进行创造性的设计。模具设计的内容包括产品零件(常称为制件)成型工艺优化设计与力学计算和尺寸与尺寸精度确定与设计等,因此模具设计常分为制件工艺分析与设计、模具总体方案设计、总体结构设计、施工图设计四个阶段。CAD/CAE,计算机辅助设计和辅助工程,它包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程管理等。应用CAD技术可以设计出产品的大体结构,再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。采用模具CAD/CAE集成技术后,制件一般不需要再进行原型试验,采用几何造型技术,制件的形状能精确、逼真地显示在计算机屏幕上,有限元分析程序可以对其力学性能进行检测。借助于计算机,自动绘图代替了人工绘图,自动检索代替了手册查阅,快速分析代替了手工计算,使模具设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来,集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。在模具投产之前,CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。

当今的概念设计已不仅仅是停留在对外观和结构的设计上,它已经扩展到对模具结构分析的领域。对于运用CAD技术设计出的模具,可运用先进的CAE软件(尤其是有限元软件)对其进行强度、刚度、抗冲击实验模拟、跌落实验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。通过这些分析,可以检验前面的概念性结构设计是否合理,分析出结构不合理的原因和部位,然后再在CAD软件中进行相应的修改。修改后再在CAE中进行各种性能的检测,最终确定满足要求的模具结构。

当今CAD技术的发展使得概念设计思想体现在相应的模块中。概念设计不再只是设计师的思维,系统模块也融合了一般的概念设计理念和方法。目前,世界上大型的CAD/CAE软件系统,如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有关产品早期设计的系统模块,我们称之为工业设计模块或概念设计模块。例如,Pro/ENGINEER就包含一个工业设计模块——ProDesign,用于支持自上而下的投影设计,以及在复杂产品设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器。这些系统模块的应用大大减少了设计师的工作量,节约了工作时间,提高了工作效率,使设计师把更多的精力用在新产品的开发及创新上。

3现代模具制造的CAD/CAE/CAM技术应用

现代经济的飞速发展,推动了我国模具工业的前进。CAD/CAE/CAM技术的日臻完善和在模具制造上的应用,使其在现代模具的制造中发挥越来越重要的作用,CAD/CAE/CAM技术已成为现代模具的制造的必然趋势。

(1)CAD/CAE/CAM计算机辅助设计、模拟与制造一体化,CAD/CAE/CAM一体化集成技术是现代模具制造中最先进、最合理的生产方式。使用计算机辅助设计、辅助工程与制造系统,按设计好的模具零件分别编制该零件的数控加工程序是从设计到制造的一个必然过程。在具有现代模具设计制造能力的工厂内,该过程都是在CAD/CAE/CAM系统内进行的,其加工程序直接由联机电缆输入加工机台,在编制程序时可利用系统中的加工模拟功能进行细致的模拟,将零件,刀具、刀柄、夹具,平台及刀具移动速度、路径等显示出来,以便观察整个模具零件的切削过程和前后的形状,进而检查程序编制的正确性,这对于复杂的多曲面的模具零件尤为重要。

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金刚石膜具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。人造金刚石膜的刀具分为两种类型：金刚石膜涂层刀具，金刚石膜焊接刀具。粘结力较弱是金刚石涂层刀具最突出的问题。粘结力较弱的原因有两个：一是化学气相沉积（CVD）附口过程中，产生很大的热应力；二是基体材料存在着许多降低接头强度的因素。近年来，利用生长基体金属同金刚石膜的热膨胀系数相差较大粘附强度低，在基体上沉积金刚石膜，随着基体的冷却，金刚石膜自动脱落，得到独立的金刚石厚膜。文献采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜，获得独立的金刚石厚膜（0.3-1.3mm）。利用这种膜与刀体材料焊接帘（备切削刀具兼有单晶金刚石刀具和金刚石薄膜涂层刀具的优点，是一种应用前景极为广阔的新型刀具。

1.金刚石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金刚石厚膜的成型

由于金刚石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不导电。所以常见的机械切削、线切割、超声波加工等工艺方法均不适用于金刚石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金刚石车刀的前角以0°为标准，根据需要可在+5°的范围内选取。在强调车刀的耐磨性和尖刀强度的情况下。也可以采用负前角（-20°左右）。负后角一般以5°为标准，根据使用条件可在2.5~10°范围内选取。由前刀面和后刀面构成的锲角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

1-2刀体材料的性能和焊接

作为刀体材料尽管在切削加工中不与被切削体直接接触，但由于基体要对金刚石膜起支撑作用，因此要求其具有较高的刚性，热膨胀系数与金刚石膜相近以及良好的焊接性等。目前常用刀具材料有硬质合金（YG3、YG6、YG8等）、陶瓷（Si3N4、A12O3等）、CBN、高速钢等，硬质合金是最有发展前途且目前研究最多的刀体材料。硬质合金是理想的基本材料，它的硬度高，又因其为烧结体，红硬性更好，室温下硬度一般在HRA83~93之间；500℃以下硬度保持不变。抗压强度最高可达到6000MPa，一般为3400~5600MPa；室温抗弯强度在750~2500MPa之间，弹性模量高，通常为（4~7）×105MPa；室温下刚性较好，无明显塑变，对金刚石膜可起很好的刚性支撑作用。

金刚石厚膜与刀体材料的连接主要有方法两种：金刚石表面金属化钎焊法和活性钎料焊法。前者是利用表面处理技术（如离子束溅射等），在金刚石表面镀覆金属（如Ti、Cr等），使其表面具有金属或类金属的性能。金属化的金刚石膜表面对Ag-Cu基针料具有良好的可焊性，可采用金属间针焊工艺焊接。这种方法需进行金刚石膜表面金属化处理，增加了制备难度。活性钎料焊接法则是在针料中加入适量的能与金刚石膜表面碳原子反应生成碳化物的元素，利用针焊过程中碳化物形成元素对金刚石膜待焊表面的活化作用，使针料润湿金刚石膜实现其钎焊过程。

1-3刀体与基体金属的连接

将得到的金刚石厚膜硬质合金复合刀片连接到基体金属上，其连接方法大致有以下几种：⑴钎焊⑵机械加固⑶树脂粘接剂连接⑷热装压入。其中，钎焊的办法使用最多。钎焊金刚石厚膜/硬质合金复合刀片使用的钎料就强度来说，一般使用铜基针料、银基针料等。但考虑到防止氧化的焊接裂纹以减少金刚石向石墨转化的趋势，尽可能的使用低熔点的钎料为好，主要是使用硬质合金针焊专用的银基针料。为了更好地保护金刚石不向石墨转化，最好也是在真空或惰性气氛条件下针焊。

1-4金刚石厚膜刀具的刃磨

金刚石厚膜刀具的刃磨方法主要有机械磨削（包括金刚石砂轮磨削和金刚石粉研磨）。热金属盘研膳，激光束、离子束加工和等离子体刻蚀等。用金刚石粉研磨效率低，金刚石砂轮磨削效率高，并可采用不同粒度的砂轮进行粗加工，是金刚石厚膜刀具获得较好的表面光洁度。热金属盘研磨是在高温条件下，利用铁族元素与金刚石反应使金刚石石墨化的原理除去金刚石。用此种方法研磨表面粗糙度可达镜面水平。用激光对厚膜表面进行光整加工，加工效率很高但加工表面质量不高，只适合于粗加工和半精加工。

2、活性钎料成分选择

活性钎料钎焊法钎焊金刚石与硬质合金所用的活性钎料，除要考虑钎料对金刚石膜与硬质合金的润湿条件，还必须考虑接头应力和真空加热条件下钎料成分的状态对钎焊过程的影响。

2-1钎料中的基本成分

金刚石膜和硬质合金都是高硬度高钢性的材料，两种材料的线膨胀系数也有一定的差别，两者钎焊界面会产生很大的内应力，可能造成金刚石膜开裂和连接界面分离。因此钎料的成分必须在保证强度的条件下，应具有一定的变形能力。Ag-Cu合金不但有较好的强度及对硬质合金能很好的湿润，同时Ag-Cu面心立方的晶格结构使其固浴体合金具有很好的塑性。所以，Ag-Cu合金是金刚石膜与硬质合金钎焊首选的基体成分。

2-2钎料中的活性成分

金刚石膜与一般金属及其合金之间有很高的界面能，致使金刚石膜不能被一般低溶点合金所浸润，润湿性较差。因此必须在钎料中加入一些强碳化物形成元素作为活性金属，以改善金刚石膜与硬质合金之间的润湿性。但添加强碳化物形成元素也存在一定的局限性，一方面加入过多的碳化物形成元素就有可能使金刚石膜与钎料间形成过厚的脆性化合物层，影响结合性能。另一方面为了控制钎料的熔点必须对钎料中的强碳化物形成元素友谊顶的要求，如Ti、Cr、Zr、V、B、Mo、W等，这些元素的溶点分别为：1672℃、1863℃、1865℃、1929℃、2300℃、2623℃、3387℃。相比较而言，Ti、Cr、Zr、V更适合一些。这些元素少量的加入Ag-Cu基钎料中，一般钎焊温度可控制在850℃左右，工艺性能较好。.

另外，在钎料中胸口少量的IN、SN等低熔点金属能有效地降低钎料的熔点，但过多则会产生脆化性化合物。同时金刚石膜与刀体材料的焊接是在真空状态下进行的，钎料中应避免含有MN、ZN等蒸汽压较高的易发挥元素。

上面分别从钎料的熔点、润湿性、蒸汽压、热膨胀，焊后是否生成脆性化合物等方面考虑了钎料中元素的选择。对活性钎料成分的选择需要综合考虑，钎焊金刚石厚膜所添加的强碳化物形成元素多种多样。目前国内外尚未见到商品金刚石焊料，一般由应用单位自行配制。有下列一些，Cu-10%Ti，Cu-15%Sn-3%Ti，Ag-15%Ti，Cu-30%Ag-5%Ti，Cu-15%Sn-2%Cr，Cu-1%V，Cu-Au，Ag-30%Cu-4%Ti，Ag-26.5%Cu-3%Ti等钎料成分可供选择。

3．结论