制作近净形模具的方法.pdf

制作近净形模具的万法
    【技术领域】

    本发明涉及模具制作。具体而言，本发明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。

    背景技术

    检查一下用来生产造型工具，或者模具的各种工艺，将有利于展示本发明过程的好处。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地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。

    镍气相沉积法从制作母模开始。取决于成型的最终用途，母模可以用各种材料机械加工而成，但一般用不含孔穴的金属制造。对于快速沉积，该母模要加热到175-180℃。在此高温下，模具膨胀必须要考虑，以获得高精度的型壳。尽管锌，不锈钢，铜，黄铜业已成功利用，但最常用的金属母模材料是铸铝或6061铝板。木头、塑料和其它材料适合于较低温度(较慢)的镍气相沉积法。这些母模在沉积前涂上导电涂层。因为镍一次一个原子的沉积，母模上的表面特征可精确复制，所以如果需要，木纹可容易复制。

    母模形成之后，必须在一个清洁房间里仔细清洗，以防止表面缺陷。然后把该母模放进一低压室内沉积。镍蒸气被导入该低压室，并沉积在该母模表面。沉积厚度一般为约4-6mm，而可能的沉积厚度在几分之一毫米到超过35mm。当沉积到所希望的厚度，用非损伤的工艺把壳体从母模上分离，这使得母模可以清洗并再使用。该镍壳体随后被放置于一个模具支撑体中。该壳体本身可被机械加工、抛光、焊接，以及像大多数模具表面一样作一般性处理。

    由于镍气相沉积工艺用一个低压室来沉积，此低压室决定了零件的最大尺寸。可买到非常大的室，而大到1.2m×2.5m的母模是普遍的。壳体精度取决于母模尺寸，但一般可达0.15-0.25mm。当然，公差也取决于壳体置于支撑体后的精加工。像用其它方法制造的镍壳一样，镍气相沉积的壳体也具有优良的性能。它比钢耐久，防锈，并且有优良的尺寸稳定性。另外，该工艺不在壳体内产生残留应力，并且形成均匀的壳体，具有任何所希望的表面构造，如同母模一样。镍壳是可修补的，而且采用镍气相沉积法可以在数天之内制造出多个型壳。

    另一较新的造型工艺采用复合模具结构，结合共形冷却系统(conformalcooling)，以减少循环时间，降低造型成本，并改善注模性能，如热传导性能。该工艺先用三维计算机辅助设计(CAD)法绘制零件和模具嵌入件(moldinsert)的模型，然后计算机数控(CNC)机床加工出一个由易切削材料的母模。该母模涂上导电银涂料以导电，然后电铸上约2mm的镍。在电铸镍壳的同时，设计并制作与零件几何尺寸共形的冷却通道，然后放置于镍壳背面。然后把母模、镍壳和与轮廓相符的冷却系统放入第二个电铸槽，涂以铜涂层。该铜涂层一般为4-6mm厚，并把冷却系统密封起来。

    通常整个镍/铜组件再用专有的具有高压缩强度的复合材料支撑以形成一个型壳。所有三种材料的热膨胀系数(CTE)紧密配合，以防止型壳分层剥离。起模器的孔与销，冷却进口与出口接头，可能需要的织构，以及其它传统特征均可包括在内。型壳随后装配进生产用的标准模具基座。

    该工艺生产出的模具具有合理的硬度，很精确的镍表面，以及高导电率的铜衬底。冷却通道不仅与模具表面形状相符，可以更均匀地冷却，而且设计出比环形冷却通道更大的表面积，具有引发扰动流体的特征，以增加冷却液的热传导率。因为被注塑的材料能够更快更均匀地在模具中冷却，成品件可减少内应力和翘曲。同样，该模塑零件的循环时间比传统模具减少达75％，一般可减少20-30％。每分钟模塑出更多的零件意味着增加了产量而不用购买多余的机器。

    该工艺的一个缺点是该成品模具的寿命不如相应钢模具长。然而，镍壳层可以更换或用电铸、焊接法修补，而且这些模具试验已表明至少可模塑270,000个零件。缺点是修整壳体可能耗费4-5周。同样，该模具最高温度在190-204℃(即375-400°F)之间，并且最大注塑压力在70-100MPa之间。目前，该模具的精确度可与计算机数控机加工的模具相媲美。这些模具在成本上可与标准模具相竞争，而且生产时间为8-10周(多数时间花在冗长的电铸过程中)，但在减少循环时间方面保证了大量的节省。

    还有其它各种各样的新的造型技术，其目标是生产出的模具其从设计到投产的时间要比传统机加工短得多。这些技术实际上都是基于某种快速模型制作(RP)工艺，例如，立体印刷或粉末金属烧结。许多技术能够在模具内形成共形的冷却通道。这些工艺的目的是缩短从设计到投产之间的时间，其做法是直接从一个计算机辅助设计(CAD)的模型得到一个成品模具，消除机加工和大部分钳工工作量。下面是一些领先的工艺：

    ·快速凝固工艺(RSP)：该工艺用热惰性气体雾化液态模具材料。该液滴洒在基板上，一层一层地产生最后零件；

    ·树脂粘接工艺：该工艺采用以喷墨印刷机为基础的技术沉积树脂粘接剂于一层工具钢粉末之上。由此形成的“生坯”零件经烧结，其粘结剂被烧掉，然后渗入第二种金属形成完全密实零件。

    ·碳化钨/钢工艺：该工艺采用立体印刷机造出一个零件的模型。该模型用作硅橡胶模具的母模。然后，工具钢、碳化钨和粘结剂的混合物倒入模具中，随后烧结，渗入；

    ·选择烧结工艺：该工艺采用CO₂激光烧结聚合物粘接的工具钢粉零件，然后同样地渗入。

    ·环氧树脂钢：该工艺也是以一个RP母模开始，但铸出的零件是90％的钢和10％的环氧树脂的混合物。据称该材料耐高温，并且有比铝更高的压缩强度。

    ·激光加工的净形工艺(LENS)：该工艺把高功率的激光聚焦于一基片之上，金属粉末在计算机控制下一层一层地喷射到基片上形成一完全密实的近净形零件。

    从正面看，这些工艺都能够形成共形冷却通道，并且RSP和LENS有潜力结合硬质工具钢和高导电铜于同一零件，在界面区域逐渐形成浓度梯度。这些工艺中有些还能把传感器集成于模具内。最重要的是，相对传统机加工而言，从设计到投产的时间大大地缩短。

    从负面看，虽然这些工艺对小零件有很多优点，但都不可用于大模具。快速模型法(RP)和烧结工艺具有先天的随机误差和收缩成份，这使整个模具精度不会好于0.1％。对一个25cm的零件尺寸，这将导致0.25mm的误差，是一般机加工模具的5-10倍。如果这些模具要求精加工，其成本和从设计到投产时间的优点将消失。此外，快速造型材料的每公斤成本大大高于铸铜或块状钢，这使这些工艺对大模具而言更加昂贵。

    因此，即使有最近开发的这些快速造型技术，大模具制造商们已经意识到仅通过采用高速机床(HVM)或镍壳技术来降低成本并缩短从设计到投产的时间。这些工艺在较小模具市场的成功预示着在减少从设计到投产的时间和循环时间方面将获得巨大价值。

    本发明工艺是一个模具制作工艺，特别对大模具而言，可望减少一半从设计到投产的时间，并改善零件质量和缩短循环时间，使模具具有现在工艺所不具有的一些特点。本发明工艺可望通过如下的一个或多个改进为模具制造、模塑加工和工具模具业改善现有做法：

    ·减少或免除铸造和粗加工操作

    好处：大大减少从设计到投产之间的时间

          增加现存机加工中心的生产率

          减少零件处理和劳动力成本

    ·加入与零件几何形状共形的加热/冷却通道

    好处：更快的循环时间

          更小的温度起伏

          增加模塑设备的产率

          减少翘曲和残余应力

    ·增加工具与模具业的竞争力和产率

    好处：为顾客缩短从设计到投产的时间和节省成本。

    本发明在其它方面通过大大减少模具制作的时间和成本，并改善质量来改进当前的模具制造。

    【发明内容】

    本发明的优点和目的将在随后的描述之中部分地述及，并因这些描述而部分地清晰，或者可通过本发明的实施而了解。

    为获得本发明的优点和达到本发明的目的，如此处具体化且广泛描述的一样，由一板材制作一个近净形零件的方法首先包括切割、机械加工、装配和焊接的步骤。切割步骤包括把该板状材料切割成一多个区域，每个区域具有一长度、一宽度和一深度。机械加工步骤包括在至少一个该多个区域的深度和宽度上机械加工出一个表面形状。该装配步骤包括把该多个区域并排装配起来。该焊接步骤包括把该系统区域焊接在一起。

    其次，由板状材料制作一个近净形零件的方法包括建模(creating)，分析性地分区(analytically sectioning)、放样(generating)、切割、放样、机械加工、装配、放样、以及焊接步骤。该建模步骤包括建立一个模具片断的一个计算机模型。该分析性分区步骤包括把该模具片断的该计算机模型分析性地划分成多个模型区域。第一个放样步骤包括形成供切割机遵循的该模具区域的切割途径。该切割步骤包括把该板状材料切割成一多个区域，每个模具区域有一个长度、一个宽度和一个深度。第二个放样包括形成供切割机所遵循的表面形状的切割途径。该机械加工步骤包括在至少一个该多个区域的深度和宽度上机加工出一个表面形状。该装配步骤包括把该多个区域并排装配起来。第三个放样步骤包括形成供焊接机所遵循的焊接途径。以及，该焊接步骤包括把该多个区域焊接在一起。

    应该理解的是，前述的一般性描述和随后的详细描述都只是举例说明而已，并不是对本发明的限制。

    【附图说明】

    结合在本说明书中并构成本说明的一部分的附图，表示出本发明的几个实施例，并且与说明书一道阐明本发明的原理。

    图1表示一个可以根据本发明制造的保险杠外壳的示例性注模型芯；

    图2表明可以根据本发明制造的上下半模的计算机描绘图；

    图3表明一个可以根据本发明制造的模具的模型；

    图4表明划分成区域的图3的模型；

    图5A-5C表明图4的一个所选区域之制作过程；

    图6示意性示出可以根据本发明制造的一个模具支撑基座；

    图7示意描绘一水喷射切割器的射流偏置；

    图8示意表示一台电子束焊接机和一电子枪；

    图9示意表示一锁眼焊接；

    图10示意描绘扩散钎焊过程；

    图11示意描绘一个由不同材料的子区域组成的区域；以及

    图12表明一典型的工艺流程图。

    【具体实施方式】

    现在详细参照本发明的示意性实施例，该实施例示于附图中。所有附图中，相同或相似的零件将尽可能用相同的附图标记。

    可以预见，通过现有技术所不具备的模具特征，将大为缩短本发明工艺制造模具或模具片断，特别是大模具，还有中等模具或任何复杂几何形状的模具的从设计到投产的时间；同时，改善零件质量和缩短循环时间。本发明工艺可以把一个已准备好以精加工的近净形模具或模具片断提供给模具制造厂，而只花费铸造或粗加工型腔所用时间的一部分，可节省材料与时间。在一个实例中，本发明还可以结合共形加热/冷却通道。这样的共形加热/冷却通道可以减少循环时间，对大模塑部件而言估计减少20-75％，因而减少制造成本。图1显示一个建议的保险杆外壳的注模型芯20，其中每个区域部分22的一半制作成透视图，以表明内部的加热/冷却通道24。

    在一个实例中，本发明工艺以三种当前的主要技术手段来由金属板的相对薄的部分或区域来制作近净形模具或模具片断：5轴磨料水喷射切割，电子束焊接(EBW)和基于计算机辅助设计(CAD)的知识。例如，金属板的较薄区域可以由经打磨的工具钢板形成，这些钢板可用5轴磨料水喷射切割机切割。这些模具片断的区域可在内形成复杂的加热与/或冷却通道，这些通道与模具轮廓相符，因而改善成品模具的温度均匀性和热传导。这些区域可以在其得以焊接的电子束焊接(EBW)室内装配并固定，例如穿透深度可达100mm。该加热与/或冷却通道可以去毛刺，比如可用磨料流体加工法(AFM)，然后把该模具运送给客户作精加工和抛光。

    铸造一个近净形模具能够减少在机加工中必须去除的材料量，但需要制作母模，以及优化浇注工艺以获得完全密实铸件，这将抵消任何在从设计到生产时间方面的优势，而且只有用于具有最深轮廓的最大模具才节约成本。本发明工艺寻求与能够精加工成成品模具的铸件相似的近净形模具，但又没有铸件特有的从设计到投产时间漫长和精度有限的缺点。

    在一个实例中，本发明工艺将从模塑的零件的模型着手。该模型优选地是一计算机模型。该模型可用通常的办法制作并传送给模具公司。传统地，该模具公司设计模具几何形状和分型线，并确定深钻加热/冷却通道的位置。如图2所示，一个型芯半模30和型腔半模32的实心模型可被创作，并检查是否有冲突。再者，该模型优选地是一个计算机模型。也可进行充型过程(mold filling process)分析来预测模具的性能。在一个优选的实例中，该分析可以是计算机数值分析。在另一个实例中，可开发一CNC钻削程序来对模具材料(如一块工具钢)进行粗加工和细加工操作。

    在本发明工艺的一个实例的设计环节中，在确定加热与/或冷却通道位置方面可以不同于传统的模具制造工艺。这些加热与/或冷却通道24如图3半透视模型所示，可当作是模具模型的特征而加入。采用具有非线性传热分析的互动软件工具可确定该加热与/或冷却通道24的优选位置和几何形状，保证成品模具有合适的热传导和结构性能。

    至少有两种方法加入共形的加热与/或冷却通道。通道可以用水喷射切割机穿过各个板的截面切出，然后联接在一起形成最终通道；或者可用机械加工法沿着或穿过适当的区域截面加工出通道。任一方法，都可望大大减少沿着模具表面的温度起伏，因而削减残余应力，改善模具零件的质量。

    在一个实例中，热传递可由脉冲冷却法完成。脉冲冷却法不同于传统的连续冷却法，可以改变和控制模具中冷却剂的流动。比如流动控制可以根据温度传感器读数来进行。不把模具保持在一个恒定温度，而是允许模具在充型过程中加热，然后采用冷却的冷却剂迅速把模具降到脱模温度。脉冲冷却所增加的效率是基于热导率正比于温差之原理。通过允许模具充型时加热，并利用更冷的冷却剂，温差可望三倍于正常冷却。

    在一个实例中，脉冲冷却可操作如下。第一，充型期间关闭冷却剂流，以允许热树脂在模具内自由流动，同时增加模具温度。由于较热模具对树脂流动阻力较小，所以充型较快。第二，在充型结束后，通过模具的脉冲冷却剂从而迅速冷却模具和零件。因为更加冷的冷却剂突然流入增加了热传递并减少冷却循环时间，所以这导致较快冷却。脉冲冷却的其它好处包括减少成品件的应力，减少成品件的翘曲，并提高成品件的质量。脉冲冷却还允许外部模具表面作为模具周期中的一个部分而加热，因而减少在模具表面冷凝的机会。

    共形冷却的好处与脉冲冷却的好处相加，因而大大地缩短循环时间。进一步，可以优化设计共形冷却通道和模具内部结构，以利用脉冲冷却技术和增加脉冲冷却效率。通过去除模具内不必要的材料，比如借助于有限元分析，模具的总热容量可以减少。这可加快模具的总体加热和冷却，使得更容易快速升降模具温度。在一个实例中，模具可以在注射树脂流之前有意地加热，在充型时更有好处。通过更热的熔体，更薄的零件可以模塑，并且焊接形貌可大大减少。在本发明的另一个实例中，可以用工具动态热传递分析结合结构有限元分析，以优化设计模具的脉冲冷却。在本发明的又一个实例中，制作近净形模具的方法可以提高脉冲冷却的好处，由于在注射树脂前对模具加热，因而增加熔融体流动速率，并且在脉冲冷却剂以把模具温度降至脱模温度时提供更高的热传递速率。

    根据本发明的一个实例，当模具几何形状确定之后，将其分析性地分割成多个区域22。该区域22的优选数目和宽度取决于零件几何形状、可提供的加工板的厚度和模具尺寸。图4表明图3的下半模具32被分割成区域22后的情况。

    在一个优选的实例中，本发明工艺的下一个步骤是形成5轴磨料水喷射切割机用的切割途径，以便由适当厚度的加工板材(比如，磨光的工具钢板)切割出近净形的区域22。图4中的一个区域，区域26可用作一示例。首先，建立区域26的矩形外形，优选用计算机模型，并且作为机加工的基础，如图5A所示。分析性地创作出成品模具几何形状的一偏移表面(offsetsurface)27，以保证为最后机加工留有足够余量，如图5B所示。比如，用一个以水喷射性能的知识为制约的5轴机加工程序，可分析性地形成切割机的切割途径，这样该切割机可把该加工板材切割得尽可能接近于该偏移模具表面。还可以形成用于形成加热与/或冷却通道24的途径。

    在本实例中，该加工板随后被切割至该外形，并固定在切割机上(比如，水喷射切割机)，然后运行该程序。如果有必要，在加工板内可形成达到20cm深的切口。在图5B中，射流切割表面标注为表面28。材料29例如可在随后的精加工工序中去除，如图5C所示。作为例子，尽管水喷射切割机有一些局限性，(比如不能切割沿区域长度方向的锐角)，仍然可望大多数水喷射切割的表面在成品表面的3mm之内或更小。这是精加工机床容易接受的深度。在模具要求有锐角的地方，必须去除多余的材料。因而，在本发明的一个实例中，为了去除这些多余的材料，在计算机数控加工工序中可编入一些半粗加工的程序。可选择地，这些半粗加工也可由精加工机床来完成。

    磨料水喷射切割工艺是切割各种材料的一种新型而有吸引力的可选择方法。磨料水喷射机几乎可切割任何材料：石头、塑料、金属、复合材料、以及玻璃。现代控制设备使得水喷射切割机比计算机数控机加工或放电加工具有高得多的切割速度，并且有良好的精确度，同时，水喷射切割工艺比激光和等离子切割工艺更便宜、更加通用。在传统地由其它机器操作的许多情况中，磨料水喷射切割工艺的益处使其成为一种非常省钱有效的解决方案。

    磨料水喷射切割机利用高压水流和固体磨料颗粒来切穿材料。用来切割板材的水喷射机最普通的是2或3轴机器，然而其运行等同于5或更多轴结构，能够以超过45°的角切穿材料。该机器通常包括一个架在带槽的大台子上方的台架(gantry)X、Y轴定位系统。零件座落在带槽台上，多余的水和去除的材料从槽下流入池内。高压增加泵提供给喷嘴的水压在350到400MPa之间，水以计算机控制的速度在喷嘴中与磨料颗粒混合。颗粒的混合速度控制切割过程并使切割速度最大。

    水喷射切割工艺具有许多魅力。水喷射能够精确地切割几乎任何厚度在0.025到14cm之间的材料。尽管在切穿非常厚的材料时，磨料水喷射可能会失去一些精度，但仍能够切穿40cm的钢。0.08-0.15cm薄的切缝使废料降至最少，而且因为切割器可在原料的任何地方起动和停止，所以其从一整块材料切割出的零件比其它工艺多。由于其边角料比被冷却剂浸过的碎屑更加容易回收成干净的坯料，废料进一步减少。水喷射切割工艺的另一个优点是其冷态切割的精度。因为水喷射切割机不以任何方式烧损材料，其避免了由其它方法在零件表面发生的热处理效应和残余应力。像金属和塑料这样的对热敏感的材料能够容易且精确地切割，其公差在0.13mm内或更好。另外，没有毛刺或烧损边角有待后续处理。

    水喷射切割工艺能够切割激光和等离子切割工艺所不能胜任的反射性和热敏感材料，而且其精度远好于激光和等离子切割这两种方法之任一种。水喷射切割的切割速度局制于材料的厚度和切割途径的复杂性。尽管多数水喷射机能够以超过1.5m/min快速运行，但大多数切割速度在0.127cm/min到1.3m/min之间。当与放电加工和传统计算机数控切割工艺相比时，切割速度是关键问题。水喷射切割机比这些方法更快、更通用，具有十分接近的公差。另外，用5轴控制的水喷射切割机能够在任何材料中切割出几乎任何与其最终尺寸非常接近的复杂形状。

    因为该工艺消耗磨料成份，通常为金刚砂，所以水喷射切割工艺不是完全没有成本的。当考虑到磨损喷嘴，磨料和机器运行的所有成本时，一台水喷射切割机的运行成本约为$100/hr。水喷射切割成本大部分取决于每个零件所消耗的磨料金刚石的量，其正比于无多余偏转的喷射束前进的速度。最好以合理的速度和成本制造出区域段(zone section)，因而，最好尽可能增加在加工板中切割复杂曲线的速度。因为几乎所有磨料水喷射切割工艺都是用两轴或三轴工作台完成，有关5轴切割数据很少。然而，已知控制复杂切割的公差只不过是试验所涉及的材料和曲率。获得低成本件所需速度，要求开发一模型，把零件的曲率与喷射束角度，以及在此角度材料的厚度相联系。这些联系最好针对每一种要考虑的模具材料而建立，并整合于用以控制机器的软件中。

    虽然水喷射切割机是极其有用的工具，但它毕竟是新技术。新技术不断发展，以优化其运转性能，扩展其能力。为了优化利用磨料水喷射来切割工具钢的区域，必须事先掌握其设备的运转性能。优选的切割速度可望随曲率而变化，对10cm厚板，其速度在5-20mm/min之间，因此，一个操作工不大可能通过程序手工引导机器以防止表面擦伤。进一步，为了适当地编制加工途径放样软件，对变化的切割深度可望根据经验确定直的和弯的切割途径的优选切割速度。不像铣削工艺，目前没有已知的有效理论模型可以用来精确预测运转性能，特别是在所寻求的公差之内。

    在本发明的一个实例中，一旦特征化切割工具的操作性，就可以把这一信息整合入加工途径软件的宏中。为了尽量减少在精加工过程需要去除的材料的量，希望开发有效引导喷射束沿循模具轮廓的能力。例如，在5轴系统中，水喷射能够以几乎任意角度进出板材，使其雕刻出接近零件特征的复杂曲线。在材料成本需要考虑时，型芯和型腔断面可以从同一钢板切割出，允许成套制作一对区域并把边角料减至最少。但是，这一工艺虽然节约材料成本，但会使零件切削复杂化，因为必须开发特殊夹具和程序以容纳这一技术。

    在水喷射切割中保证精度的一个方法是降低切割速度，但是5-20mm/min的速度已经缓慢，而且每个区域必须制作出许多数量的几厘米长线性切口。然而，如果电子束焊接速度为300-400mm/min(尽管是在四个面上而不是在一个面上)，水喷射切割步骤可能是工艺中最慢的一步，因而优化这一步骤有很大价值。通过沿直线加速进刀速度和沿曲线减速进刀速度，可望使水喷射切割工艺的总体效率加倍。

    用水喷射切割的一个问题是在高速切割厚材料时水喷射束倾向于从预定的途径偏离或偏置。这通常一直到途径弯曲时才成为问题，造成喷射束之偏置部分切断预定的途径(见图7)。这一现象类似于重型钻床倾向于在死角过冲途径。然而，像SDRC公司的I-DEAS Camand Multax软件包那样的一些程序软件包含沿弯曲途径控制工具速度的算法。为引入对水喷射切割机的适当制约，应该测量出喷射束在一系列变化范围内的偏差。喷射束的运行可由几种方法确定。例如，一板材可以变化的速度沿曲线切割，然后把所得零件扫描入一坐标测量机器(CMM)。再用计算机辅助设计软件在所切割的表面与预定的表面相比较，可以产生公差的具体值。为获得更为详细的喷射束途径的描绘图，可在切割中途停止切割，然后沿切割缝切片，因此，可得到如图7所示类似的一条轨迹。通过反复地在一系列深度和速度范围测试，即可形成会导致已知误差范围的轨迹。

    在本发明的一个方面，为了加速制作近净形模具的总体过程，一旦产生切割程序，水喷射切割机粗加工的模具的实体模型可以送回给客户进一步编作精加工程序。水喷射切割机可期望有0.2mm精度，这足以开发一程序，该程序立即开始精加工，不用“切割空气(cutting air)”来建立一个已知模具的表面，进一步减少机加工和编程序的时间。

    在本发明的再一个实例中，在用水喷射切割机粗切区域段之后，这些区域段被排列整齐并固定，为永久性装配(比如电子束焊接(EBW))作准备。根据粗加工过的区域的实体模型，可以编制一个控制5轴电子束EB焊接机的程序。排列整齐的区域组件随后被固定于EB室内的旋转台上。在室内抽真空，以达10cm的深度把组件焊接在一起。在特殊情况下，焊接穿透深达20cm是可能的。可提供的室达到3.5×2.7×2.7m，所以基本上任何尺寸模具都可以容纳。

    自从20世纪50年代，电子束焊接已经存在，但直到最近精确多轴计算机控制的出现才使得以前不可能的焊接操作成为可能，并且具有可重现的质量。任何在实验室里可做的焊接现在也可以在生产中做。例如，深穿透焊接在过去是有问题的，现在已成功地用于新的F-22先进战术战斗机项目。更进一步，该F-22项目正扩大利用电子束焊接于主要结构处，包括沿复杂曲线对变化厚度的钛进行深焊。

    电子束焊接(EBW)是高能量密度的熔融过程，该过程用强烈的电子束把能量传输于连接点。该工艺最初于20世纪50年代应用于工业界，并成熟为一个重要的现代联接技术。在许多例子中，电子束焊接质量与深度优越于其它焊接工艺，包括传统的电弧焊接和其它高能量密度熔融焊接，比如激光焊接。因为高度聚焦的电子束能够把大量功率集中于工件上的一小点，所以在焊接点可以急速区域熔融并气化。形成的焊接通常很深、窄，而且几乎平面平行，具有很小的热影响区，并且通常只需一道焊接。可以用精密的计算机数控技术控制大部分焊接过程。除了容易焊接普通金属，该工艺还能焊接不同的或难焊材料。

    产生电子束的基本原理已被成功应用几十年了。(电子束最普通的应用之一是电视显像管。)多数电子束焊接机采用三极型电子枪。该枪由三个电极和电磁线圈装配而成，这些电极产生和加速电子束，而电磁线圈聚焦和偏转电子束(见图8)。阴极是被加热到约2500℃的细丝，由发射电子率高的材料做成，比如碳或钨，并由高压源维持在大的负电势下。这个热而通电的细丝发射出电子。栅极杯(grid cup)，又叫偏压杯(bias cup)是一个特殊形状的电极，它可用来对此加热的阴极施加负偏压。该栅极杯调节形成电子束的电子数目。改变其电势即改变那些能够向阳极加速的电子数目，阳极是接地的。由大电势差产生的电场把电子加速到70％光速并使其成为平行电子束。作用于电极上的电压一般在30-200kV。束电流一般为0.5-1500mA，并且电子束功率为30kW-200kW。高能电子束穿过阳极中的一个小孔，然后通过一个电磁聚焦线圈。这个磁透镜缩小该电子束的直径，并聚焦于工件上的一个小点。电磁校正线圈可用来偏置电子束，一般达15°的角。

    电子枪保持在高真空里(约13mPa或10^-4torr)，以防细丝氧化或枪的高压放电起弧，也为了保持枪清洁。为了获得小的电子束焦点和零件的很深穿透，工件室也要保持在真空中。(中等或非真空电子束焊接适用于许多应用，但焊接室内任何气氛都会使电子束弥散，有碍获得真正高能量密度。)

    当需要深度穿透时，聚焦的电子束能够射在工件上，形成小至0.25mm-1.3mm宽的点，作用在该点上的功率达10⁸W/cm²。高达14,000℃的温度形成一个深的蒸气孔(vapor hole)。在蒸气柱(vapor column)前沿的材料熔化，挥发气压力支撑着该熔融体。当工件被移至电子束下时，熔融体沿孔流动，然后在充填尾边(trailing edge)后凝固。这种焊接模式叫做锁孔(keyhole)模式，因为该孔以及尾随焊缝的形状与一个锁孔相似(见图9)。工件本身是接地的，所以不会因持续照射的电子束积累电荷。

    电子束焊接提供充分的过程控制。对一给定电子枪而言，控制电子束强度和射点尺寸的基本控制变量有：

    ·束电流；

    ·电子加速电压；

    ·聚焦电流，其控制磁透镜的焦距，因而控制电子束焦点位置；

    ·投射距离，亦即从枪到工件的距离；以及

    ·焊接速度或射点在工件上的移动速度。增加电子束功率(即束电流与加速电压的乘积)，一般增加穿透深度和熔化速度。增加焊接速度一般减小穿透深度和焊缝宽度。降低电子束射点强度，比如对电子束散焦或振荡，一般缩小穿透深度但增加焊缝宽度。

    此外，可以操纵电磁调整和聚焦线圈来进一步控制焊接过程。电磁调整线圈可以略微偏置电子束以改变电子撞击工件的角度，这使得某些用垂直电子束很难达到的联接点得以焊接。该校正线圈还能引起电子束振荡，其频率大于5kHZ，有效地形成较大的电子束射点。这一技术能产生较宽的焊缝，较慢的冷却速度和较均匀的焊缝形状，而不必散焦电子束。它还可以控制部分穿透焊缝的孔隙率。当需要最大穿透时，聚焦线圈可以使在工件上的电子束射点尽量地小。然而，该聚焦线圈还可以散焦电子束，扩展电子束能量至更大区域，这样做可以产生更宽的焊缝。散焦电子束的另一个用途是热处理。发散的电子束可以作用在工件表面，这可以比其它方法的热处理增加出两个洛氏硬度点。

    电子束还可以形成脉冲，以降低加热速度，而不改变其它电子束特征。典型的脉冲频率为0.1Hz-3KHz，脉冲周期达70ms。低频脉冲可以用来产生定位焊和点焊缝。高频脉冲可以控制焊缝凝固模式和热影响区的显微结构。进一步，尽管在焊速较慢时，输入零件的总热量也许较高，但是在焊缝位置附近的峰值温度通常较低。

    计算机控制系统可以处理电子束焊接过程的几乎全部方面，包括工件移动，以及改变电子束功率、聚焦和校正。电子焊接的现代控制系统能够做到非常高的精度、灵活性和可重现性。然而，存在许多潜在误差来源，特别是那些会影响保持焊接点与电子束紧密吻合的误差来源。正因如此，一种叫“扫描”的方法被用来检验电子束射点与待焊接点之间的偏差。在扫描时，一个弱电子束具有足够功率来形成一个可探测的射点，但又不足以使工件过热，该电子束被聚焦在工件表面。工件被对齐，然后在整个过程中这样做以作为检查。

    相对其它焊接工艺，电子束焊接具有许多优点：

    ·它产生的焊缝比其它工艺可产生的更深、更窄。电子束焊缝在钢中可深达到150mm，在铝中为305mm，以及在铜中为100mm。

    ·电子束焊接的总热量输入远低于电弧焊。这意味着在工件上的热影响区通常比电弧焊窄。较低的热量通常还导致较少的热效应，包括弯曲和收缩，并允许在热敏感组件(比如传感器)附近进行焊接。

    ·电子束焊缝的高的深度对宽度之比意味着不需要多道焊缝，不像电弧焊那样。

    ·在高真空中形成的焊缝一般没有像氧化物和氮化物那样的杂质。

    ·高熔化速率允许高焊接速度，导致更高生产率和更好能效。例如，电子焊接的总体能量转换效率为65％，一般比电弧焊高，比其它高能密工艺高得多。

    ·电子束焊接能够焊接大多数硬化金属，在焊缝处机械性能通常没有显著恶化。根据《1993年美国金属学会手册，第6卷：焊接、钎焊与凝固》，对高速焊接后的工具钢不用退火或其它热处理。

    ·电子束焊接还能达到其它方法不能达到的联接点，包括被一缝隙隔开但同样排列整齐的多层次联接点。

    ·高度过程控制也可用于电子束焊接。电子焊接的精度本质上高，其重复性也一样。

    ·表面处理和清理成本低。

    电子束焊接的一个缺点是其高资本成本，一般比传统的电弧焊高，但可与其它高能量密度焊接工艺相竞争。另一个局限是需要高真空。真空室的大小限制了工件的尺寸，抽真空所要求的时间限制了生产率。例如，一个0.85m³的室要用三分钟抽真空。一个8.5m³室要用约10分钟。

    像任何其它焊接工艺一样，电子束焊接通常引起焊缝和热影响区硬度变化。热影响区宽度一般正比于焊缝宽度，还会影响收缩和弯曲。焊接通常还由于焊缝收缩而导致残余应力。这些效应最好尽可能地减少。

    此外，工具钢的可焊接性大不相同。在成品模具中控制精度和表面质量取决于控制残余应力和表面粗糙度。控制表面粗糙度要求控制模具表面硬度的变化。因为焊接改变焊缝和周围热影响区的硬度，所以需要确定什么电子束特征、焊速和工件焊后处理之组合对焊接特定材料是最佳的。在《1993美国金属学会手册，第6卷：焊接、钎焊和凝固》中“电子束焊接的工艺发展和实践思考”一节，讨论了电子束焊接可硬化钢、工具钢、以及硬化的和加工强化的金属时所碰到的表面硬度变化情况。由于先天性的窄焊缝和热影响区，以及快速加热、熔化、凝固，以及冷却时间，基体金属性能可以保持不变，甚至靠近电子焊缝处也不变。通过焊接后热处理已焊接部分，也可以减小或消除任何变化。

    电子焊接联接处强度能够接近基体金属，不用预热或焊后热处理，只需要消除应力。然而，较厚件也许需要预热或焊后热理以防开裂。在联接工具钢时，电子焊接的一个优点是其能够快速焊接，不必用退火或其它热处理。

    为了开发电子焊接数据，需要对一系列工具钢进行样品测试。把磨好的板块固定在一起，然后焊接，深度达90mm。为改善工艺，可以改变上述讨论过的任何计算机控制的焊接参数。可以预测，一个必须克服的问题是热影响区内硬度的变化。

    也许还需要评估模具质量及优化工艺参数，这通过测量机加工后型腔表面的粗糙度，以及焊接区域的显微硬度和显微组织。这些性能的一致性可以充当判断模具质量的标准。可以预见，焊接过程将影响这些性能，而且需要用热处理来尽可能减小这些焊接效应。表面粗糙度与模具表层硬度变化密切相关，而硬度又由模具材料的显微组织所决定。因为熔融焊接会引起焊缝和热影响区显微组织变化，所以该处的硬度可能不同于非焊处，这在抛光时会影响表面粗糙度的均匀性。最好能确定出穿过焊接区域的显微硬度分布图。进一步，探研表面粗糙度、硬度和显微组织之间的关系。

    维氏显微硬度计可以用来测量沿电子焊接样品横截面的显微硬度。然后，显微硬度的分布图可以用来评估沿电子焊接样品横截面的一致性，并且确定焊缝和热影响区的宽度。一致的分布图通常是所希望的。显微硬度的显著变化意味着焊接已经引起严重的显微组织变化。在此情况下，需要用焊后热处理达到均匀的显微组织并且恢复均匀硬度。

    光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)也可以用来观察焊接区域的显微组织。更进一步的有关相和成份变化的信息可以用X射线衍射(XRD)和电子探针显微分析(EPMA)来获取。这些显微组织分析能够确定焊区显微组织变化的原因，比如相变和缺陷。该信息最终会指明优化电子焊接和热处理的方法，包括的手段有表面清理、工件预加载、改变电子束电压与/或电流、电子束聚焦尺寸、焊接速度、以及焊前或焊后热处理制度。

    硬度代表材料在一定应力下塑性流动的程度。商业供应三种主要类型的硬度计：布氏、洛氏和维氏。全都基于相同原理：用一给定的力把一压头压在一试样表面，硬度是所形成的压痕尺寸的函数。各硬度计差别在于其形状和其测量压痕的方法。布氏方法用一个已硬化的10mm直径的钢球作为压头，而其硬度值(HB)计算为所加负载除以压痕面积。洛氏方法普遍采用圆锥形金刚石压头，其磨成具有0.2mm底圆半径的120°圆椎。洛氏硬度值由一恒定负载作用于压头所形成的压痕深度确定。维氏压头是一个正方形基底的金字塔形状的金刚石。维氏硬度由测量压痕的两对角线长度来确定。

    布氏硬度测量十分简单，但是其钢质压头不能测量很硬的材料。相当大的压痕限制了工件的尺寸和形状，而且工件测量后通常不再有用。洛氏硬度测试是应用最广的测量硬度的方法。其操作方便，且不需要高度熟练的操作工。利用不同的负载和压头，洛氏硬度测量可用来确定大多数金属和合金的硬度，范围从最软的轴承材料到最硬的钢。读数只需几秒钟，不需要光学测量。然而，洛氏硬度计缺乏连续的量程。没有单一量程能覆盖全部硬度范围；不同的材料必须选择不同的量程。

    布氏和洛氏硬度计由于其压痕尺寸一般用于测量宏观硬度，而维氏硬度计通常用于显微硬度的测量。维氏硬度测试能够提供布氏和洛氏所不能获取的材料硬度特征信息。显微硬度被认为是一种有价值的测量硬度的方法，可以测量表层、粘接层、涂层、箔、丝、小而精密的工件和靠近边缘处之硬度。它对确定穿过焊接试样截面的硬度分布图特别有用。硬度分布图提供有关焊接区域均匀性和质量的直接证据。这可以预测抛光后焊接件的表面粗糙度。然而，光学设备用于显微硬度计以精确测量压痕对角线。需要特别培训操作工制备和测试样品。

    一个零件表面的总体形状包括两个主要部分：粗糙度和波度(waviness)。波度是一种长波长状况，其通常影响因素有机床主轴轴承状况和从车间地面上其它来源的振动。粗糙度是一种不规则形状的较短波长模式，是叠加在波度模式之上的，是刀具刻在零件上的模式。两个组成都受操作工选择进刀量和速度的影响。

    通过评估每次试验焊缝的粗糙度、显微硬度和显微组织，可以评估许多可能的电子束设置的有效性。该过程可以以反馈回路继续下去，直到每一种加工材料都达到所需要的性能。例如，对P-20工具钢的样品测试可进行如下步骤：

    ·根据最初材料知识选择起始电子束设置和轨迹速度；

    ·一样品在上述设置条件下焊接，或者一个参数的一个范围在一个测试中焊接；

    ·该样品经机加工和抛光以模仿精加工过程；

    ·评估表面粗糙度并将其与模具制造可以接受的限度进行比较；

    ·检验穿过焊缝区域的硬度；

    ·用前面叙述过的技术研究显微组织；

    ·通过将显微组织特征与其已知的对粗糙度和硬度的影响相联系，制定出改善显微组织的方案；

    ·改变一个或多个控制电子焊接过程的参数以产生所希望的效果；以及

    ·重复该过程直到得到满意结果。

    当涉及多块板和多个焊缝时，由于收缩和残余应力的累积效应，要获得可以接受的焊接会更加复杂。

    在本发明的一个方面，其利用窄的焊接热影响区，可以把应变计和其它传感器置入两板材之间的模具内，因而允许直接测量装配的应力或其它性能。进一步，随着制模公司更广泛地接受质量控制工艺规范，在模具内用传感器的需求增加了。通过在所选样的区域内机加工槽穴或钻孔，多种传感器(比如压力传感器、热电偶或应变计)可以被放在模具内任何地方。模具的计算机模型与/或模具充型和固化运作的计算机模型可以用来确定哪种传感器是合适的以及应该放在何处。

    评估预热、定位焊、焊接顺序、焊接速度、冷却速度、预载之效果可以通过扫描模具或模型模具，利用Hewlett Packard激光定位测量仪或其它类似的定位测量仪(CMM)。定位测量仪允许十分精确地比较在焊接或其它操作前后模具的尺寸和形状。还可确定多次固定、校正以及焊接操作导致的误差累积，以及联接点位置和零件精度的影响，也可确定在焊接时零件的热膨胀(这可能影响未焊联接点的位置)。据此信息，改善焊接组件性能的参数可以限制在样品测试所建立的范围内，以产生满意的性能。

    根据本发明，区域经粗加工和排列整齐之后，可以用其它可选择方法进行永久性装配。例如，如后文所述，钎焊和扩散焊接(扩散钎焊或扩散熔焊)是适用的可选择的装配方法。

    钎焊是通过引入熔点450℃(840°F)以上的液态金属来粘接靠得非常近的固体金属的工艺。选择合适的充填合金通常产生牢固的钎焊粘接点；母体金属是干净的，而且在加热至钎料合金流动温度期间保持干净；恰当的接头设计允计利用毛细作用。可以快速、廉价，甚至同步得到强、均匀、防漏的接头。通常可钎焊的金属可以薄至0.01mm(0.0004″)、厚至150mm(6″)。进一步，钎焊点的强度一般是高的。一个简单的焊接点强度可以等于或大于所钎焊的母体金属的强度。

    钎焊的一个吸引人的特征是钎焊不涉及任何基体金属的显著熔化。这对其它焊接工艺而言有几个优点。可以保持较紧密的装配公差，可以形成表面较整洁的焊点而不用二次加工。钎焊还可以联接不同类金属、金属与陶瓷，或那些不能用传统熔融工艺所联接的材料。

    钎焊还比熔融焊接产生更少热弯曲或翘曲。整个零件可以加热到同一钎焊温度，因而防止局部加热而引起的弯曲。

    钎焊的一个缺点是钎焊产生的热影响区(HAZ)具有严重改变的显微组织，这是因为在基体金属和充填金属之间急烈的相互传质。热影响区的宽度随所用加热工艺而不同。一般而言，钎焊所产生的热影响区比其它熔融焊接更宽并且界定更不清晰。

    在本发明的另一个实例中，扩散焊接是另一种可以用来永久装配区域段的方法。扩散焊接既可指扩散钎焊，也可指扩散焊，取决于是否使用了充填金属。扩散钎焊是这样一种联接金属的工艺，其通过把金属加热至一适合的钎焊温度来进行，在此温度，预置的充填金属将熔化并由于毛细作用而流动，或者在紧密接合的一个表面和另一个表面之间原位形成液相。在任一情况下，充填金属扩散进入基体金属，直到联接点的物理和机械性能变得与基体金属几乎完全一样(见图10)。可以施加压力以把金属温度升至钎焊温度。扩散钎焊涉及两个方面。第一，正如通常的钎焊一样，液态充填金属必须形成并在联接区有活性。第二，充填金属必须广泛地扩散进入基体金属。此扩散过程常常消除原始钎焊接点的标识。

    所出现的扩散量通常取决于钎焊温度和时间，可供扩散的充填金属的量，以及充填金属与基体金属的相互溶解度。扩散钎焊一般在特别为钎焊或热处理设置的炉内进行。可以用感应加热或火炬加热先把两零件钎焊在一起，然后将钎焊件放进炉内作长时间的扩散循环。该循环通常要30分钟到80小时，甚至更长时间。在用预置充填金属薄片，或者充填金属粉末层进行钎焊时，通常施加压力以减小在充填金属熔化时两个基体金属之间的缝隙。

    有些最先进的扩散钎焊工艺用于航天工业，特别是涉及钛、镍、钴和铝合金的钎焊。作为这些工艺的一个例子，一钴基合金在真空炉内于1120℃(2050°F)扩散钎焊，用一种呈片状的镍-铬-硼充填材料。该装配保温8小时。即使充填金属合金的固相线只有970℃(1780°F)，但钎焊点通过扩散完全失去了标识痕迹，并且造成的重熔温度高于1370℃(2500°F)。在这种情况下，施压加力是在零件顶上简单加重。因为充填金属合金含硼作为熔点抑制剂，硼扩散出充填金属而进入基体金属，导致充填金属重熔温度升高。因为硼还是个很小的原子，当基体金属升温时，很容易扩散离开焊接点。

    扩散焊接(diffusion welding)是另一种永久装配区域段的可选择方法。扩散焊接是一个高温固态连接的工艺。一个整体一致的粘接点通过原子级的键合而形成，这是由吻合表面层的扩散造成的。在其最简单的形式中，扩散焊接可以包括使预先机加工和清理过的零件紧密接触，然后在保护气氛中加热。扩散在粘接相吻合的零件中起主要作用。高温和压力可能引起显微(局部)塑性变形，并有助于在零件相吻合的表面互相扩散，但宏观塑性变形可以尽量减小。为了保证足够的原子活性，又尽量减小宏观塑性变形，必须在温度、压力和时间工艺参数之间建立一个适当的平衡。

    传统的扩散焊接通常用单向加载，这可使用固定重量、机械、气动或液压手段。所加载荷一般限制于母体材料所允许的宏观变形。温度通常为熔点的50-75％。加热可用辐射、感应、或电阻加热。时间可从几分钟到几个小时，取决于所用压力和温度。多数扩散焊接操作在真空或惰性气体中进行以防金属氧化和保持干净的焊接界面。预加工的零件的表面粗糙度应好于0.4μm(16μin)，平均粗糙度(RA)。在即将进入焊接机之前，表面应当用丙酮或石油醚擦洗。也可用超声清洗。有时也用离子轰击或其它手段来去除零件表面的氧化物。

    热等静压(HIP)扩散焊接涉及对零件使用高温和高压气体。热等静压扩散焊接的压力通常显著高于用在单向焊接的压力。然而，因为压力是等静压的，所以变形程度极低。另外，通常要求较少的预加工。等压加压可以允许比单向焊接工艺处理更复杂几何形状的焊接。

    热等静压机由一个在气压室内的炉子组成。其尺寸约为直径100mm(4in)到1.1m(44in)以及高度2.2m(88in)。一般使用氢气，而且需要密封联接界面，以防气体进入联接处。这常常通过把零件放入抽空并密封的钢罐来实现。典型的热等静压循环可持续6到16小时，或更长时间。热等静压焊接所希望的最小压力和温度取决于该金属和合金。温度一般为其熔点的50-70％。由于经济的原因，对大多数金属体系，压力限制在约25MPa，尽管更高压力可以使用。

    扩散焊接的一个优点是联接线完全消失，而且整个零件成为一均匀单体。然而，扩散焊接通常要求所有零件在炉内加热至高温，尽管基本上无熔化金属出现，所涉及的温度可能影响焊接金属的性能。例如，冷态加工硬化的基体金属可能软化，或者由于扩散焊接温度高子其重结晶温度而导致晶粒增长。扩散焊接所要求的热量也会改变由热处理获得的机械性能。因此，扩散焊接应该只用于一些特定场合。例如，退火态的材料一般不会被扩散焊接所改变，或者在扩散焊接后材料可以再次热处理以恢复其原来性能。

    在本发明工艺的一个方面，焊接后，模具可以用正常方式进行热处理和消除应力。如下文将要讨论，可以用例如磨料流体加工工艺(AFM)使任何加热与/或冷却通道光滑和去除毛刺。

    本发明工艺的另一个方面，焊接前最好用水喷射切割机从区域22加工出共形加热与/或冷却通道24(见图5B)。这可能在区域边界形成尖角、或者甚至小的台阶，以及可能的焊接毛边。传统的机加工方法也许不能用来去除这些台阶和毛边，这是由于这些通道具有所期望的随形一致的性质。解决此问题的一个方法是应用磨料流体加工技术(AFM)。磨料流体加工涉及到迫使例如高聚物承载的磨料穿过加热与/或冷却通道，以去除任何台阶和毛边，以及抛光这些通道的内表面。可以配方出一种胀流型(dilatantversion)高分子聚合物以产生剪切变稠(shear-thickening)现象，因而随聚合物流体阻力增加而允许去除更多的材料。这会导致从大台阶去除较多材料，而从较光滑区域去除较少材料。一种磨料流体加工机一般包含两个竖立相对的媒体筒，其液压地关闭以把零件保持在两筒之间。通过挤压该磨料媒体从一个媒体筒到另一个媒体筒，无论媒体进入和经过一受阻通道中的何处，都产生刮磨作用。通过使媒体双向循环穿过通道，可以消除或减少这些台阶和毛边。这将会允许合适的加热与/或冷却流体穿过模具。即使这些通道可以用机械抛光，用磨料流体加工法开通加热与/或冷却通道还是轻而易举的，只需几分钟，且显著快于其它可选择的机加工工艺。

    商业化地把磨料流体加工工艺应用于由本发明过程制造的模具的一个挑战在于开发一套附加设备，其可以用软管或硬管把模具连接于磨料流体加工设备。这将不需要把模具安装在媒体筒之间。

    在本发明工艺的一个实施例中，制造一个近净形模具的最后工序可以包括清理和进行轻微的机加工，以保证对已焊接好的组件恰当校正放置在客户的铣床上。接头可以加到加热与/或冷却通道上。

    本发明工艺的另一个实施例可以涉及制作由两种或以上材料形成的单个区域板块。这些不同材料的子区域可以被焊接起来形成最终区域。例如，一个模具具有不锈钢型芯和型腔表面，而其背面用较便宜的材料如碳钢加强或支撑。该不锈钢子区域可以用水喷射切割以与零件形状相匹配，并提供所希望的离模具表面深度。碳钢子区域可以被切割得与不锈钢子区域内表面相匹配。单个子区域可以精加工以紧密配合，然后用电子束焊接或其它装配法将其联合成一个区域(见图11)。焊接毛边可被磨去，然后可把组装的区域装配成如上所述的近净形模具。

    除用来直接生产模具或预型件外，本发明工艺还可用来充分支持其它流行的大模具生产工艺。例如，用镍蒸气沉积法或电镀法生产的镍壳模具普遍用于汽车和消费品行业，这里巨大尺寸的模具使得操纵一个实心钢块不方便。在这些工艺中，本发明工艺也可大大地节省成本和从设计到投产的时间。如上所述，生产壳模具(一般为镍)的第一步是生产一个母模，这通常是从铝(容易加工)机加工而来，或者由不锈钢机加工(如果必须由一个母模制作几个模具)。一个大的铝母模通常由铸造成近净形，然后精加工而成。由于铝的高材料成本，铸造的材料节省优点一般比长的从设计到投产时间更重要。用本发明工艺生产一个母模预型件所要时间只占铸造时间的一小部分。进一步，可以期望这样的母模预型件不会有孔穴问题。另外，更容易机加工级别的铝可以利用本发明工艺，而且压制的板材的性能远胜于铸造的。

    一旦做完母模并生产出壳42，其背面必须用某种支撑结构或模具衬底来支撑(见图6)。对大模具而言，这个支撑必须极强并与壳完全匹配。通常工艺是切割镍或不锈钢板来与壳形状匹配，然后将其焊接起来呈装鸡蛋的板条箱结构。另一个可选择的工艺是用一种高分子聚合物凝结物背面充填该壳，其配方调制得与镍的热膨胀率数(CTE)相匹配。这两种工艺都有严重缺点。不管多么仔细，焊接薄壳总会产生一定的翘曲和应力。高分子衬背一般热性能差，久而久之会从壳脱离。

    利用本发明工艺的一个实施例，模具支撑40可容易地制成近净形，只需少许或不需要精加工。模具支撑的材料可以是例如镍或铜，或二者组合。如果用镍制壳42，其优点是其比工具钢具有更高的热传导率，以及能够把铜加热或冷却管直接焊接或钎焊于壳上。由本发明工艺制造的模具支撑可以提供更好的安排。通过用铜板作支撑结构，并在其内切割共形通道，镍壳全部表面可放置与铜模具支撑相接触，形成完全均匀的表面温度，具有最高的可能的传导率。壳和模具支撑可由任何适合的材料做成，并不局限于镍和铜。

    可选择性地，利用本发明工艺的近净形模具支撑也许不完全与壳表面匹配，所以可以利用一个中间层44(如图6所示)。例如，铜的热膨胀系数只比镍稍微高一点，尽量减少了问题出现的可能。进一步，通过选择合适的材料作中间层或过渡层，在复合模具中热应力可以减少或消除。此中间层理想地应该有一个高于壳但低于模具支撑的热膨胀系数(在本例中，高于镍而低于铜)。例如，可期望配方出一种具有这样热膨胀系数的陶瓷和金属的(金属陶瓷)连接剂。可能地，此连接剂是一种铜粉与陶瓷粘接剂如硅溶胶或磷酸盐的混合体。因为陶瓷一般具有热膨胀系数约8×10^-6mm/min/℃，加入适量的铜粉可以产生一种粘合剂，其热膨胀系数在镍和铜之间。该粘合剂可用在壳与模具支撑之间。为了制作可移去的壳，一种分离剂可以在使用粘合剂之前喷涂在模具支撑的表面。壳与模具支撑然后被固定在适当位置，直到粘合剂固化。这样的铜粘合剂还有一个优点是其高热传导系数。

    任何粘合剂过渡层44的目的都是把壳42和模具支撑40粘在一起，而且在该工序中充填其间缝隙。此缝隙最好被消除，因为它阻碍热传递，而且可能由于缺乏模具支撑的支撑而引起壳在缝隙区域变形。可期望某种粘合剂材料具有适当的性能，以有效解决这些问题。

    金属陶瓷是一种或多种陶瓷材料与一金属相的混合物。金属陶瓷一般结合金属的韧性与陶瓷的热阻和硬度。金属陶瓷通常通过混合、压制和烧结而形成。它们可用于火箭发动机、气轮机、涡轮喷气发动机、核反应器、

    车衬片、刀具等等。作为壳与模具支撑之间的过渡层，理想地，金属陶瓷应具备如下特点：

    ·匹配的热膨胀系数(CTE)；

    ·高热导率；

    ·高压缩强度；以及

    ·容易操作。

    匹配的热膨胀系数对模具避免热损伤如开裂是重要的。例如，镍壳具有热膨胀系数13.5×10^-6mm/min/℃较好地匹配铜模具支撑的热膨胀系数17×10^-6mm/min/℃。如果金属陶瓷过渡层热膨胀系数在二者之间，可进一步减小热应力的量。恰当的金属陶瓷也许买不到，但可以从几种现存的材料组合配方。例如，对具有镍壳和铜模具支撑的复合模具，用作过渡层的金属陶瓷可以是铜粉与陶瓷粘接剂如硅溶胶、水溶性硅酸盐或磷酸盐的混合物。因为陶瓷一般具有热膨胀系数约8×10^-6mm/min/℃，加入适量铜粉也许会产生一种金属陶瓷其热膨胀系数在镍与铜之间。进一步，加入铜粉可以大大增加金属陶瓷的热导率，而陶瓷粘接剂可产生很高的压缩强度，取决于加工工艺。金属陶瓷的加工可以像传统的粉浆浇铸(slip casting)一样简单。因此，由铜粉和陶瓷粘接剂制成的金属陶瓷也许可以满足在镍壳和铜模具支撑之间过渡层的所有主要要求。

    金属陶瓷加工一般涉及几个步骤：确定成份、混合、固化、测量流变性能(如金属陶瓷粉浆(或浆料)料的粘度)，以及测量固化后金属陶瓷的热性能(比如热膨胀系数和传导率)。加工设备很可能包括混合机、天平、粘度计和一些容器。金属陶瓷浆可以喷涂或刷涂在模具支撑的表面，形成凝胶涂层。然后把壳紧紧地压在其上，直到金属陶瓷固化。为了制作可移去的壳，在涂金属陶瓷之前，一种分离剂可以喷涂在模具支撑的表面。最好能配制出在室温固化的金属陶瓷。

    金属陶瓷过渡层可以配制成具有优化的物理和热性能。颗粒大小和填料与粘接剂之比对最后性能有很大影响，包括收缩量、耐热冲击性能、粘合强度、孔隙率、以及热导率。粉浆的一个性能是触变性。虽然许多浆料是触变性的，但它们通过搅拌可很好地加工，这是因为轻轻搅动即引起材料流动。喷涂或刷涂浆料于竖直表面也打破其触变结构，因而使得浆料薄而容易地展开。然而，一旦涂在模具支撑上，通常希望浆料尽快恢复其凝胶结构，以防浆料层从表面流淌掉。

    粉浆的适当弥散是制备浆料的另一个参数。湿法球磨或混合是最普通的工艺。包括粉末、粘接剂、湿润剂、固化剂、以及分散剂的各种成份，通常与适当比例的所选择的铸造液体一起加入球磨机，并球磨至充分混合、润湿、以及颗粒细化。该浆料随后时效，直到其性能相对恒定。然后准备好作最终粘度检验(并且若需要则调节)、除气、以及应用。

    在本发明工艺的一个方面，期望金属陶瓷还充当粘接材料，以把壳和铜模具支撑在室温下粘合起来。水溶性的硅酸盐、硅溶胶、以及磷酸盐是普遍使用的能在室温固化的粘接材料。

    水溶性硅酸盐通常是碱性硅酸盐，比如钠、钾、锂。水溶性硅酸盐涂层可使用喷涂、刷涂或浸涂方式涂覆；它们可以在室温或温度从90-320℃(200-600°F)固化，并且可以化学粘附于金属基体。这些水溶性硅酸盐涂层坚韧，经受得起基体的有限变形；能抵抗冲击和疲劳；以及在温度达1370℃(2500°F)，仍然可以提供保护以防止在空气中氧化。由于其化学结合水成份，涂层必须仔细干燥，以防从基体分离造成开裂、起泡、或剥离。

    可溶性硅酸盐可以与氟硅酸盐或石英反应，产生耐酸的粘合剂。该产物一般具有低收缩性能，并且其热膨胀接近钢；压缩强度接近50Mpa，但在400℃失去强度。钠硅酸盐常称为水玻璃，是一种无色低成本无机材料，且通常以粘性水溶液方式供货。其成分通常以SiO₂∶Na₂O比率方式来表示，一般为2-3.5，具有一定粘度，其适合大多数商业粘合配方。这种粘接材料没多少粘性，必须用定位压力保持基体在一起，直到粘合剂足够干燥。干的粘结剂是脆性的、水敏感的，而且其胶层可以用水溶解掉，直到与空气的二氧化碳形成不溶解的材料。

    硅溶胶基本上是一种水基胶体石英溶液。它有与可溶性硅酸盐相似的性能，但因其不含Na₂O，所以具有更好的热稳定性。硅溶胶作为粘接剂是很强的，这取决于固化条件。净形或近净形零件可以用硅溶胶粘结的粉末制作。例如，杜邦公司生产的硅溶胶Ludox作为粘接剂广泛用于铸钢工业的精密陶瓷壳型。十分薄的模壳可以承受熔融钢而不溃散。

    磷酸盐是通过磷酸与金属氧化物如氧化铝、氧化铬、氧化锌或氧化锆之化学反应而形成的。在于温度2-430℃(70-800°F)固化之后，磷酸盐粘合的涂层具有低密度、低热传导率、以及高耐火性。磷酸锌广泛用作牙齿粘接剂。该材料也用硅酸盐改性以生产所谓的“永久材料(permanent materials)”以用作填充料。其压缩强度一般高达200MPa。

    制备后，磷酸盐浆料一般时效24小时或更长，以允许酸与金属氧化物反应。时效过的浆料可以直接涂抹在基体上。涂层优选地在密切控制时间与温度时固化。该酸性涂层与基体的反应，由于从酸中释放氢气，所以在沉淀或初始固化后，可能引起膨胀或起泡。酸的分解产物五氧化二磷(P₂O₅)的挥发也可能造成起泡。各种化合物，比如氧化铬，铵化合物或磷酸铁，可以加入涂层材料，以防五氧化二磷腐蚀基体。这些添加剂一般增加涂层的pH值而不影响其粘结作用。

    铜粉可以买到，具有较好的高热导率。一般约325目的细粉是比较理想的。对更高强度的要求，可以用更细的粉末(平均小于5μm，有相当一部分小于1μm)。颗粒尺寸分布应该在浇注时产生最大堆积密度和最大均匀性。为了承受循环热冲击，也可使用双峰颗粒尺寸，其中有些颗粒应明显大于325目。颗粒分级常常在一个步骤里结合加入粘结剂、湿润剂、悬浮剂和稠化剂，也结合浆料制备。这一般通过球磨实现，但也可用振动磨或其它湿磨工艺。研磨后，浆料可以过筛。也许需要稍微调节以得到所期望的粘度，然后浆料准备好以时效、除气、喷涂或刷涂。

    如上所讨论，金属陶瓷浆料优选为触变性的，这样容易喷涂并具有长的贮存期。金属陶瓷的粘度可以用简单的杯式小孔粘度计测量。理想的粘度范围可通过在实际模具上进行的浸润试验(spreading test)来确定。可选择地，金属陶瓷的粘度可用更精确的旋转粘度计来测量，这也为金属陶瓷浆工艺的精确质量控制提供数据。

    金属陶瓷固化后的热膨胀系数和传导率也是要控制的性能。为了测量这些性能，金属陶瓷浆料可以浇铸于石膏模具，以形成热测试试样。金属陶瓷的热膨胀系数可用膨胀仪来测量。金属陶瓷的热传导率可以用量热计来测量。

    本发明工艺是一个新奇，独特的制作模具的方法。在一个实例中，不用把模具的粗加工部分(包括钻出的加热与/或冷却通道)变成金属屑，该材料可以用磨料水喷射切割机更加有效地去除。可以通过把模具分割成预定的区域来完成加工该材料，然后用一电子束焊接机把这些区域再焊接起来。这些复杂的任务与管理该工艺的先进软件工具相结合，就能够产生一种比其所替代的标准方法更尖端、更有能力和有创意的工艺。进一步，对制作大模具而言，本发明工艺可与传统的机加工、高速机床以及镍加工方法相兼容。

    如上所述，本发明工艺最好结合三种主要的现有技术：5轴磨料水喷射切割，电子束焊接，以知识为基础的计算机辅助设计。设计模具、选择区域、以及控制切割机和焊接机都最好尽可能自动化。这样自动化的程序优选地合并在一计算机辅助设计(CAD)系统里，其形式为针对分割模具、优化定位加热与/或冷却通道，以及编制机加工程序的自动化宏程序。理想地，材料选择工具包含不同加工金属所要求的独特的焊接参数设置所需的基础知识。

    在一个较优选的实施例中，为电子束焊接和水喷射切割所开发的模型被整合到一个统一的设计工具内。SDRC公司的Open I-DEAS体系结构设计程序可以用来促进这一整合，以及统一的设计工具的开发。最初选择I-DEAS系统是因为全部设计工具和功能都可用，而且任何需要的客户特征，都能无缝地整合到I-DEAS开发环境中。另外，SDRC公司的Camand Multax可能是可买到的最有能力的5轴刀具轨迹形成软件(这是高速度机床选择的软件)，所有要求的功能都已经建立在软件中。材料的具体模型最好整合入设计软件和用户界面。进一步，其它软件系统也可应用，而没有离开本发明工艺的范围。

    一个著名的CAD/CAM软件包是基于SDRC公司的I-DEAS平台。此互动软件包可以大大地减少设计和分割模具需要的工程时间和精力。该软件可以理想地带用户浏览共形加热与/或冷却通道、分型线以及模具表面切割轨迹的位置。整合的运行模型可以帮助分析每一件事，从加热与/或冷却通道的热传递速率到应力；以及允许用户自动地把部件放到模具上而没有漫长的设计过程。此外，Open I-DEAS具有灵活性，可以允许设计中所有可能步骤都整合到一个包里。此完整的设计工具使用户能在几小时或几天内从一个简单的CAD模型创作一个已精加工的、分割成区域的模具。

    下面是一个用现有软件开发工具所开发的互动软件包的例子。例如，SDRC公司的I-DEAS Master Modeler^TM是一流的实体模型软件包，可以容易地连接于SDRC公司的Camand Multax，以用于5轴工具轨迹成形。I-DEAS也可设计为连接其它CAD软件包比如ANSYS，以及许多其它应用程序比如数据库或计算表格。I-DEAS Master Modeler本身允许用户设计精密的细节：几何形状、布局、形式特点、设计历史、变分尺寸、几何约束、工程方程、表面光洁度、运行特征、高等运动学、尺寸与形式公差、设计规则、应用知识、装配、绘图、仿真结果、机加工参数、NC刀具轨迹、装配顺序、还有更多。由于其应用整合的深度，I-DEAS Master Series使人能简便地在单一环境中创作、仿真、优化、记录、建造、以及试验一个设计。

    当连接于Camand Multax时，Master Modeler变得更加有用。CamandMultax(5轴轨迹形成软件)允许控制在刀具轨迹形成中的全部参数。用户能够建立独立的工程方程，用于控制轨迹、进刀速度、刀具加速度、以及切割深度。该软件允许用户处理曲线与难加工的细节，就像处理直线切割一样容易。由于其能力和灵活性，Camand Multax能够创作复杂的刀具轨迹用于5轴水喷射切割机。

    Open I-DEAS还允许程序员低水平进入所有I-DEAS中的标准功能。这使第二家开发者能够写宏程序用于I-DEAS。例如，这些宏程序可以进入其它程序就像I-DEAS能进入那样，这给最终用户一个强大的，多功能的CAD工具。例如一个用户开发的宏程序可以提供一个用户界面，其结合实体模型，有限元分析、数学计算、以及许多种其它工具用于零件设计。用于零件制造的刀具轨迹可以用Camand Multax从相同的宏程序制作，因此用户不需要为了制作刀具轨迹把精加工的零件转换到另外一个软件。本质上，单一程序可以处理从设计过程到制造的所有步骤。

    Open I-DEAS软件已经证明在一些应用中有效，其用户要求类似于本发明工艺。事实上，SDRC公司为一些具体应用提供几个选择性的用OpenI-DEAS设计的软件包，这些应用包括电缆仿真、零件装配、模具内液体流动、制造过程，以及一批特殊客户可用可不用的其它具体仿真。SDRC公司提供的一个特别相关的应用产品是I-DEAS片金属设计(I-DEAS Sheet MetalDesign^TM)。这个软件包用Open-I-DEAS产生用来协助片金属件的设计、布局和制造。

    为了快速设计和评估片金属件，该片金属设计软件自动地把用户定义的折弯台、应力释放、收缩容差结合到实体模型。一个“动态浏览器”指引用户创作几何形状和约束，并给用户在零件设计时多种选择。例如，用户能通过定义共同弯曲线和连接二维截面来选择零件模型。可选择地，用户可以挤压打开的截面，该程序智能地弯曲该截面，从而自动继承板间关系。材料折弯台允许用户快速选择某一个特殊材料和厚度的弯曲容差。类似地，利用专门为片金属零件制造所设计的其它宏程序，可以容易地计算出其它设计参数。为了使设计过程合理化，这种类似的“智能”软件与用户之间的互动是需要的。

    如前所述，与本发明工艺某些实例有关的软件可以辅助用户设计模具和为5轴水喷射切割机制作切割轨迹。作为一个例子，设计的第一步骤可以是把模具的模型输入I-DEAS，一般客户会提供待造模具的实体模型文件。以任何实体模型为格式的CAD模型可以容易地转换到I-DEAS。一旦模型在Master Modeler中，模具设计者可以起动一个宏程序来开发共形加热与/或冷却通道设计。

    该加热与/或冷却通道设计宏程序可以提示用户有关所希望的热性能、模具刚度、以及由所希望的零件制造系统强加的任何特别的加热与/或冷却通道的约束条件。该软件然后可以利用理论或经验性方程自动创作一个优化的加热与/或冷却通道设计，并且连接于优化过程软件比如ANSYS。一旦该软件有机会给出一个设计，也可能给用户一个机会按需要修改任何方程式或尺寸。这一能力在I-DEAS中是标准的，并且稍作修改即可产生一个灵活的工具用于设计和评估该加热与/或冷却通道。更进一步，该软件可以显示零件热有限元分析(FEA)的结果，以供实时检验；以及显示在仿真载荷作用下在压机内模具的应力分析结果。该加热与/或冷却通道设计宏程序可以为简单模具快速而有效地产生一个设计，只需用户最少工作量。对更复杂的模具，用户可以灵活地检验设计和按需要作改变，这是因为所有分析工具已经被合并到该软件中。更进一步，该宏程序可以把优化的细节加到设计合适的地方。例如，该加热与/或冷却通道可被设计成具有最大表面积、湍流、以及与模具表面形状相符的特点，以促进更好冷却。

    在加热与/或冷却通道被加入模具设计之后，用户可以继续分割区域宏程序。这个宏程序可以辅助用户定位模具的分型线。用户可以确定沿那条轴线分割模具，而且可能被提问要求区域的数量或一个标准区域的宽度。当然，使用有具体尺寸的打磨过的板将强加一些制约于这些区域的定位，所以用户可以有一个“快速定位”功能，允许用户把分型线只定位在合适的地方。同时，用户可以定义待用板的高度(比如，要求高于模具任何部位)，而且这高度可以贮存用于随后的轨迹制作。然后，用户可以增加、移动、或去除区域，以更好容纳模具的细节。例如，一个特殊的细节也许可以放在一个区域内，以简化刀具轨迹的制作。

    在模具被分析性地分割之后，可以创作一个能用切割器(比如水喷射切割机)切割的表面，并且留出安全的材料量供后续精加工。每块板在模具表面和共形通道相交的两个面上将自然形成曲线。因为模具表面可能会有一些细节，刀具宏程序最好不要制作可能去掉任何细节的区域表面。软件可以用来探测这些细节处增加一安全量的材料。像用其它多功能的宏程序一样，用户可以有一个机会视察轨迹，以保证预定适量的材料从每个区域板去除掉。

    一旦区域形状做完了，I-DEAS Master Modeler把该区域几何形状传给Camand Multax，或其它适合的软件，制作刀具轨迹。这个软件会制作机床控制编码来切削该区域。Camand可以利用有关刀具对不同材料在不同切削速度，厚度和角度情况下的运行数据，来仿真刀具并调节切割速度，甚至在复杂的曲线上产生优越的切削质量。再一次，用户最好能够视察仿真切削工艺规范，然后向机床输出编码。一个典型的本工艺流程图如图12所示，这并不意味着限制本发明范围。

    本发明工艺不局限于模具和模具支撑。例如，本发明工艺可以用来制造片金属模压模具。进一步，虽然本发明工艺在应用于大项目，比如大模具、大模具支撑，或大模压模具时，期望最有商业可行性，但是本发明工艺并不是本质上如此受限制。

    对于本领域技术人员，根据这里公开的本发明的说明和实施，甚至本发明的其它实施例也是显而易见的。此说明书和实施例只应被当成示例，本发明的真正的范围和精神将由权利要求表明。