模具制造工艺学第一章

模具制造工艺学主编李振平参编刘京华王怀亮第一章概论第一节模具技术的发展一、模具制造技术的发展历史模具，是一种古老的成型工具。利用“型”或“模”的概念，以制造器件，可追溯到陶器、铜器时代。形成“模具”的概念，即作为工业产品生产的成型工具，则是近100～150年之间逐步形成的。形成模具工业化生产，大致有以下几个阶段，即：手工制造阶段，主要工具为锯、锉、凿和锤；机械化、半机械化制造阶段，此时，车床、刨床已成为模具制造的主要工具。当应用铣床、磨床制造模具时，则模具已进入工业化生产的初始阶段；工业化生产阶段，约于20世纪30年代初，出现了专门为汽车工业制造冲模的模具厂。此后，出现了许多先进的模具材料品种，如高速工具钢、冷作模具用钢、硬质合金等；同时还研发成功了电火花加工与成形磨削加工配套工艺；还制定了模具零部件标准，逐步形成了模具标准件专业化生产体系；20世纪80年代以后，由于计算机、现代化工业机床的发展，逐步形成以模具标准化为基础的、模具设计与制造一体化的现代模具生产体系，普及了模具CAD/CAM/CAE系统，建立起了数万个模具厂或与之相关、相配的材料、标准件、机床等工业体系。我国模具制造技术起步较晚，20上世纪50年代以前，我国的工业基础非常薄弱，大部分工业品不能自行生产，因而所需要的模具很少，也谈不上模具工业和模具技术。当时国内需要的少数模具，只有少数企业可以仿制，主要依靠模具钳工凭着个人技艺制造一些简单的模具，如电话机听筒之类的模具。20世纪50年代以后，随着国民经济建设高潮的到来，各种工业产品生产所需的模具日益增多。自1959年起，电火花成形机床开始应用于模具生产，采用成形磨削方法加工凸模和电极。改革开放以来，国民经济的高速发展推动了模具技术和模具工业的新发展，模具的品种、精度和数量有了很大的发展，模具对工业产品生产的影响也越来越大，模具也更加引起了人们的关注，进入本世纪以来，我国模具工业获得了飞速发展，模具制造水平有了较大提高。大型、精密、复杂、高效和长寿命模具的制造水平又上了一个新台阶。大型复杂冲模以汽车覆盖件模具为代表。二、模具在现代化工业生产中的作用模具是现代化工业生产的重要工艺装备。在国民经济的各个工业部门都越来越多地依靠模具来进行生产加工。当前世界上正在进行着新一轮的产业调整，一些模具的制造逐渐向发展中国家转移，中国成为世界企业巨头在全球范围内寻求低成本的模具加工中心和研发中心的首选地之一，正在成为世界模具大国。三、我国模具技术的发展趋势随着社会主义市场经济的不断发展，工业产品的品种增多，产品更新换代加快，市场竞争日益激烈。因此模具制造质量的提高和生产周期的缩短显得尤为重要，谁占有优势，谁就将占领市场，促使模具技术的发展出现以下趋势。1.在模具设计制造中将全面推广CAD/CAM/CAE技术模具CAD/CAM/CAE技术,是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明,模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。随着计算机的普及应用，模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为全面普及模具CAD/CAM技术创造了良好的条件。用于模具设计制造的计算机软件,将向智能化、集成化方向发展。2.快速原型制造(RPM)及相关技术将得到更快的发展快速原型制造(RPM)技术是美国首先推出的。它是伴随着计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发展而产生的,是一种全新的制造技术,是基于新颖的离散/堆积(即材料累加)成形思想,根据零件CAD模型,快速自动完成复杂的三维实体(模型)制造。RPM技术是集精密机械制造、计算机、NC技术、激光成形技术和材料科学最新发展的高科技技术,被公认为是继NC技术之后的一次技术革命。3.高速铣削加工将得到更加广泛的应用国外近年来发展的高速铣削加工,主轴转速可达40000～100000r/min,快速进给速度可达到30～40m/min,换刀时间可缩短到1～2s。这样就大幅度提高了加工效率,并可获得Ra≤1μm的加工表面粗糙度。另外,还可以加工硬度达60HRC的模块,形成了对电火花成高速切削加工与传统切削加工相比还具有温升低(加工工件只升高3℃)、热变形小等优点。目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。高速铣削必须与相应的软件、加工工艺、刀具及其夹紧头相配合。高速铣削加工技术的发展,促进了模具加工技术的发展,特别是对汽车、家电行业中大型型腔模具的制造注入了新的活力。4.模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。有些快速扫描系统,可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上,用雷尼绍的SP2—1扫描测头实现快速数据采集,采集的数据通过软件可自动生成各种不同数控系统的加工程序及不同格式的CAD数据,用于模具制造业的“逆向工程。高速扫描机扫描速度最高可达3m/min,大大缩短了模具制造周期。5.电火花铣削加工技术将得到发展电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术,这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术,它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控镜一样),因此不再需要制造复杂的成型电极,这显然是电火花成形加工领域的重大发展。国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。6.超精加工和复合加工将得到发展航空航天等部门已应用纳米技术,必须要有超高精度的模具制造超高精度的零件。随着模具向精密化和大型化方向发展,加工精度超过1μm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。兼备两种以上工艺特点的复合加工技术在今后的模具制造中将有广阔的前景。7.热流道技术将得到推广由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量,并能大幅度节省制件的原材料和节约能源,所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。国外热流道技术的发展很快,许多塑料模具厂生产的模具已有一半用上了热流道技术,有的厂甚至已达80%以上,效果十分明显。国内近几年来已开始推广应用,但总体还达不到10%,个别企业已达到30%左右。制定热流道元器件的国家标准,积极生产价廉高质量的元器件,是发展热流道技术的关键。8.气体辅助注射技术将进一步发展气体辅助注射成型是一种塑料成型的新工艺,它具有注射压力低、制品翘曲变形小、表面质量好以及易于形成壁厚差异较大的制品等优点,可在保证产品质量的前提下,大幅度降低成本。此项技术在国外已比较成熟。国内目前在汽车和家电行业中正在逐步推广使用。气体辅助注射成型包括塑料熔体注射成型和气体(一般均采用氮气)注射成型两部分,比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制,而且气体辅助注射常用于较复杂的大型制品,模具设计和控制的难度较大,因此,开发气体辅助成型流动分析软件,显得十分重要。9.模具标准化程度将不断提高我国模具标准化程度正在不断提高,估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到30%左右。国外发达国家一般为80%左右。为了适应模具工业发展,模具标准化工作必将加强,模具标准化程度将进一步提高,模具标准件生产也必将得到发展。10.优质材料及先进表面处理技术将进一步受到重视在整个模具价格构成中,材料所占比重不大,一般为10%～30%,因此选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。例如：采用粉末冶金工艺制作的粉末高速钢、硬质合金、陶瓷材料、复合材料等。另外,模具钢品种规格多样化、产品精料化、制品化,尽量缩短供货时间亦是重要方向。11.模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展模具表面的精加工是模具加工中的难题之一。模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响,我国目前仍以手工研磨抛光为主,不仅效率低(约占整个模具周期的1/3),而且工人劳动强度大,质量不稳定,制约了我国模具加工向更高层次发展。因此,研究抛光的自动化、智能化是重要的发展趋势。日本已研制了数控研磨机,可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。另外,由于模具型腔形状复杂,任何一种研磨抛光方法都有一定的局限性。12.模具自动加工系统的研制和发展随着各种新技术的迅速发展,国外已出现了模具自动加工系统。这也是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有如下特征:多台机床合理组合;配有随行定位夹具或定位盘;有完整的机具、刀具数控库;有完整的数控柔性同步系统;有质量监测控制系统。第二节模具制造的工艺过程一、模具的生产过程模具的生产过程和其他工业产品的生产过程一样，都是指由原材料开始经过加工转变为成品的全部过程。现代工业产品的生产过程系统包括有：生产技术准备过程、基本生产过程、辅助生产过程、生产服务过程。以上这些过程又具体体现在：技术准备工作；生产准备工作；原材料的采购、运输、保管；毛坯的再加工和改制；产品零、组件的加工和检验；产品的装配、调试、检验；产品的装饰、包装、运输等工作。现代工业产品的生产过程也是人力、物力、财力、信息的转化过程。任何一个产品的形成，在非模具专业生产企业中，模具作为工艺装备的一部分，在基本产品生产系统中，模具属于辅助生产过程，是保证基本产品生产不可缺少的组成部分。在模具专业生产企业中，模具作为企业的基本产品，模具的生产过程始终贯穿于企业的全部生产过程之中。模具的种类很多，包括冲压模、塑料模、锻造模、铸造模、粉末冶金模、橡皮模、无机材料成型模(玻璃成型模、陶瓷成型模)、拉丝模等等。每种模具的结构、要求和用途不同，它们都有特定的生产过程。但是同属模具类，它们的生产过程具有共性的特点。因此模具的生产过程又可以划分为五个阶段：即生产技术准备，材料的准备，模具零、组件的加工，装配调试和试用鉴定五个阶段。它们的关系和内容如图1-1所示。在上述生产过程中，生产技术准备阶段是整个生产的基础，对于模具的质量、成本、进度和管理都有重大的影响。生产技术准备阶段工作包括模具图样的设计、工艺技术文件的编制、材料定额和加工工时定额的制定、模具成本的估价等等。在模具加工过程中，毛坯、零件和组件的质量保证和检验是必不可少的环节，在模具生产中通过“三检制”的实施，保证合格制件在生产线上流转。在模具加工过程中，相关工序和车间之间的转接是生产连续进行所必要的，在转接中间和因加工不均衡所造成的等待和停歇是模具生产中的突出问题，作为模具生产组织者应该将这部分时间降低到最少，同时在确定生产周期上要予以充分考虑。二、模具工艺工作在模具生产过程中，直接改变模具的形状、尺寸、精度、性能和装配关系的生产过程称为工艺过程。工艺技术人员应该根据模具的特点和要求、模具生产具体条件和工艺规律等编制工艺技术文件和指导生产。1.模具工艺工作的主要内容(1)编制工艺文件模具工艺文件主要包括模具零件加工工艺规程、模具装配工艺要点或工艺规程、原材料清单、外购件清单和外协件清单等。模具工艺技术人员应该在充分了解模具结构、工作原理和要求情况下，结合本企业冷、热加工设备条件，本企业生产和技术状态等条件编制模具零件和装配等工艺文件。(2)二类工具的设计和工艺编制二类工具(二级工具)是指加工模具和装配中所用的各种专用工具。这些专用的二类工具，一般都由模具工艺技术人员负责设计和工艺编制(特殊的部分由专门技术人员完成)。二类工具的质量和效率对模具质量和生产进度起着重要的作用。在客观条件允许的情况下，可以利用通用工具改制，注意应该将二类工具的数量和成本降低到客观允许的最小程度。经常设计的二类工具有：非标准的铰刀和铣刀、各型面检验样板、非标准量规、仿形加工用靠模、电火花成形加工电极、型面检验放大图等。(3)处理加工现场技术问题处理模具零件加工和装配过程中出现的技术、质量和生产管理问题是模具工艺技术人员的经常性工作之一，如解释工艺文件和进行技术指导、调整加工方案和方法、办理尺寸超差和代料等。在处理加工现场技术问题时，既要保证质量又要保证生产进度。(4)参加试模和鉴定工作各种模具在装配之后的试冲和试压是模具生产的重要环节，模具工艺技术人员和其他有关人员通过试冲和试压，分析技术问题和提出解决方案，并对模具的最终技术质