模具典型零件加工工艺分析

第七章模具典型零件加工工艺分析第一节模具工作零件加工概述模具的工作零件（或成型零件）一般比较复杂，而且有较高的加工精度要求，其加工质量直接影响到产品的质量与模具的使用寿命。模具工作零件工作型面的形状多种多样，但归纳起来不外乎两类:一是外工作型面，包括型芯与凸模等工作型面；二是内工作型面，如各种凹模的工作型面，按照工作型面的特征又可分为型孔与型腔两种。一、模具工作零件的加工方法工作零件的加工方法根据加工条件和工艺方法可分为三大类，即通用机床加工、数控机床加工和采用特种工艺加工。通用机床加工模具零件，主要依靠工人的熟练技术，利用铣床、车床等进行粗加工、半精加工，然后由钳工修正、研磨、抛光。这种工艺方案，生产效率低、周期长、质量也不易保证。但设备投资较少，机床通用性强，作为精密加工、电加工之前的粗加工和半精加工又不可少，因此仍被广泛采用。数控机床加工是指采用数控铣、加工中心等机床对模具零件进行粗加工、半精加工、精加工以及采用高精度的成形磨床、坐标磨床等进行热处理后的精加工，并采用三坐标测量仪进行检测。这种工艺降低了对熟练工人的依赖程度，生产效率高，特别是对一些复杂成型零件，采用通用机床加工很困难，不易加工出合格的产品，采用数控机床加工显然是很理想的。但是一次性投资大。所谓特种工艺，主要是指电火花加工、电解加工、挤压、精密铸造、电铸等成形方法。模具常用加工方法能达到的加工精度、表面粗糙度和所需的加工余量见表7-1。表7-1模具常用加工方法的加工余量、加工精度、表面粗糙度制造方法本道工序经济加工余量（单面）/mm经济加工精度表面粗糙度Ra/μm刨削半精刨0.8～1.5IT10～126.3～12.5精刨0.2～0.5IT8～93.2～6.3划线铣1～31.6mm1.6～6.3铣削靠模铣1～30.04mm1.6～6.3粗铣1～2.5IT10～113.2～12.5精铣0.5IT7～91.6～3.2仿形雕刻1～30.1mm1.6～3.2车削靠模车0.6～10.24mm1.6～3.2成形车0.6～10.1mm1.6～3.2粗车1IT11～126.3～12.5半精车0.6IT8～101.6～6.3精车0.4IT6～70.8～1.6精细车、金刚车0.15IT5～60.1～0.8钻—IT11～146.3～12.5扩粗扩1～2IT126.3～12.5细扩0.1～0.5IT9～101.6～6.3铰粗铰0.1～0.15IT93.2～6.3精铰0.05～0.1IT7～80.8细铰0.02～0.05IT6～70.2～0.4锪无导向锪—IT11～123.2～12.5有导向锪—IT9～111.6～3.2镗削粗镗1IT11～126.3～12.5半精镗0.5IT8～101.6～6.3高速镗0.05～0.1IT80.4～0.8精镗0.1～0.2IT6～70.8～1.6精细镗、金刚镗0.05～0.1IT60.2～0.8磨削粗磨0.25～0.5IT7～83.2～6.3半精磨0.1～0.2IT70.8～1.6精磨0.05～0.1IT6～70.2～0.8细磨、超精磨0.005～0.05IT5～60.025～0.1仿形磨0.1～0.30.01mm0.2～0.8成形磨0.1～0.30.01mm0.2～0.8坐标镗0.1～0.30.01mm0.2～0.8珩磨0.005～0.03IT60.05～0.4钳工划线—0.25～0.5mm钳工研磨0.002～0.015IT5～60.025～0.05钳工抛光粗抛0.05～0.15—0.2～0.8细抛、镜面抛0.005～0.01—0.001～0.1电火花成形加工—0.05～0.1mm1.25～2.5电火花线切割—0.005～0.01mm1.25～2.5电解成形加工—±0.05～0.2mm0.8～3.2电解抛光0.1～0.15—0.025～0.8电解磨削0.1～0.15IT6～70.025～0.8照相腐蚀0.1～0.4—0.1～0.8超声抛光0.02～0.1—0.01～0.1磨料流动抛光0.02～0.1—0.01～0.1冷挤压—IT7～80.08～0.32注：经济加工余量是指本道工序的比较合理、经济的加工余量。本道工序加工余量要视加工基本尺寸、工件材料、热处理状况、前道工序的加工结果等具体情况而定。二、模具工作零件的制造过程模具工作零件的制造过程与一般机械零件的加工过程相类似，可分为毛坯准备、毛坯加工、零件加工、装配与修整等几个过程。1．毛坯准备主要内容为工作零件毛坯的锻造、铸造、切割、退火或正火等。2．毛坯加工主要内容为进行毛坯粗加工，切除加工表面上的大部分余量。工种有锯、刨、铣、粗磨等。3．零件加工主要内容为进行模具零件的半精加工和精加工，使零件各主要表面达到图样要求的尺寸精度和表面粗糙度。工种有划线、钻、车、铣、镗、仿刨、插、热处理、磨、电火花加工等。4．光整加工主要对精度和表面粗糙度要求很高的表面进行光整加工，工种有研磨、抛光等。5．装配与修正主要包括工作零件的钳工修配及镶拼零件的装配加工等。在零件加工过程中，需要涉及到机加工的顺序安排和热处理工序安排。安排机加工的顺序应考虑到:先粗后精、先主后次、基面先行、先面后孔的原则。零件的热处理加工，包括预先热处理和最终热处理，预先热处理的目的是改善切削加工性能，其工序位置多在粗加工前后，最终热处理的目的是提高零件材料的硬度和耐磨性，常安排在精加工前后。在零件的加工中，工序的划分及采用的工艺方法和设备是要根据零件的形状、尺寸大小、结构工艺及工厂设备技术状况等条件决定的。不同的生产条件采用的设备及工序划分也不同。所以零件具体的加工方法与工序应根据零件要求和所在单位的技术与设备来综合考虑制定。第二节凸模和型芯零件加工凸模、型芯类模具零件是用来成型制件内表面的。由于成型制件的形状各异、尺寸差别较大，所以凸模和型芯类模具零件的品种也是多种多样的。按凸模和型芯断面形状，大致可以分为圆形和异形两类。圆形凸模、型芯加工比较容易，一般可采用车削、铣削、磨削等进行粗加工和半精加工。经热处理后在外圆磨床上精加工，再经研磨、抛光即可达到设计要求。异型凸模和型芯在制造上较圆形凸模和型芯要复杂得多。本节主要讨论异型凸模和型芯模具零件的加工。一、非圆形凸模加工工艺分析例1某冲孔的凸模如图7-1所示。（一）工艺性分析该零件是冲孔模的凸模，工作零件的制造方法采用“实配法”。冲孔加工时，凸模是“基准件”，凸模的刃口尺寸决定制件尺寸，凹模型孔加工是以凸模制造时刃口的实际尺寸为基准来配制冲裁间隙的，凹模是“基准件”。因此凸模在冲孔模中是保证产品制件型孔的关键零件。冲孔凸模零件“外形表面”是矩形，尺寸为22ｍｍ×32ｍｍ×45ｍｍ，在零件开始加工时，首先保证“外形表面”尺寸。零件的“成形表面”是由R6.92002.0ｍｍ×29.84004.0ｍｍ×13.84002.0ｍｍ×R5×7.82003.0ｍｍ组成的曲面，零件的固定部分是矩形，它和成型表面呈台阶状，该零件属于小型工作零件，成型表面在淬火前的加工方法采用仿形刨削或压印法；淬火后的精密加工可以采用坐标磨削和钳工修研的方法。零件的材料是MｎCｒWV，热处理硬度58~62HRC，是低合金工具钢，也是低变形冷作模具钢，具有良好的综合性能，是锰铬钨系钢的代表钢种。由于材料含有微量的钒，能抑制碳化物网，增加淬透性和降低热敏感性，使晶粒细化。零件为实心零件，各部位尺寸差异不大，热处理较易控制变形，达到图样要求。（二）工艺方案对复杂型面凸模的制造工艺应根据凸模形状、尺寸、技术要求并结合本单位设备情况等具体条件来制订，此类复杂凸模的工艺方案为：（1）备料：弓形锯床（2）锻造：锻成一个长×宽×高、每边均含有加工余量的长方体；（3）热处理：退火（按模具材料选取退火方法及退火工艺参数）；（4）刨（或铣）六面，单面留余量0.2~0.25ｍｍ；（5）平磨（或万能工具磨）六面至尺寸上限，基准面对角尺，保证相互平行垂直；（6）钳工划线（或采用刻线机划线、或仿形刨划线）；（7）粗铣外形（立式铣床或万能工具铣床）留单面余量0.3~0.4ｍｍ；（8）仿形刨或精铣成型表面，单面留0.02~0.03ｍｍ研磨量；（9）检查：用放大图在投影仪上将工件放大检查其型面（适用于中小工件）；（10）钳工粗研：单面0.01~0.015ｍｍ研磨量（或按加工余量表选择）；（11）热处理：工作部分局部淬火及回火；（12）钳工精研及抛光。此类结构凸模的工艺方案不足之处就是淬火之前机械加工成形，这样势必带来热处理的变形、氧化、脱碳、烧蚀等问题，影响凸模的精度和质量。在选材时应采用热变形小的合金工具钢如CｒWMｎ，Cｒ12MｏV等；采用高温盐浴炉加热、淬火后采用真空回火稳定处理，防止过烧和氧化等现象产生。图7－1冲孔模凸模二、冲裁凸凹模零件加工工艺分析例2冲裁凸凹模零件如图7－2所示。图7-2冲裁凸凹模（一）工艺性分析冲裁凸凹模零件是完成制件外形和两个圆柱孔的工作零件，从零件图上可以看出，该成形表面的加工，采用“实配法”，外成形表面是非基准外形，它与落料凹模的实际尺寸配制，保证双面间隙为0.06ｍｍ；凸凹模的两个冲裁内孔也是非基准孔，与冲孔凸模的实际尺寸配间隙。该零件的外形表面尺寸是104ｍｍ×40ｍｍ×50ｍｍ。成形表面是外形轮廓和两个圆孔。结构表面是用于固紧的两个M8ｍｍ的螺纹孔。凸凹模的外成形表面是分别由R14＊ｍｍ、Φ40＊ｍｍ、R5＊ｍｍ的五个圆弧面和五个平面组成，形状比较复杂。该零件是直通式的。外成形表面的精加工可以采用电火花线切割、成形磨削和连续轨迹坐标磨削的方法。该零件的底面还有两个M8mm的螺纹孔，可供成形磨削夹紧固定用。凸凹模零件的两个内成形表面为圆锥形，带有15′的斜度，在热处理前可以用非标准锥度铰刀铰削，在热处理后进行研磨，保证冲裁间隙。因此，应该进行二级工具锥度铰刀的设计和制造。如果具有切割斜度的线切割机床，两内孔可以在线切割机床上加工。凸凹模零件材料为Cr6WV高强度微变形冷冲压模具钢。热处理硬度58～62HRC。Cr6MV材料易于锻造，共晶碳化物数量少。有良好的切削加工性能，而且淬水后变形比较均匀，几乎不受锻件质量的影响。它的淬透性和Cr12系钢相近。它的耐磨性、淬火变形均匀性不如Cr12MoV钢。零件毛坯形式应为锻件。(二)工艺方案根据一般工厂的加工设备条件，可以采用两个方案：方案一：备料-锻造-退火-铣六方-磨六面-钳工划线作孔-镗内孔及粗铣外形-热处理-研磨内孔-成形磨削外形。方案二：备料-锻造-退火-铣六方-磨六面-钳工作螺孔及穿丝孔-电火花线切割内外形。(三)工艺过程的制定采用第一工艺方案：序号工序名称工序主要内容1下料锯床下料，φ56mm×1174mm2锻造锻造110mm×45mm×55mm3热处理退火，硬度HB≤2414立铣铣六方104.4mm×50.4mm×40.3mm5平磨磨六方，对90°6钳划线，去毛刺，做螺纹孔7镗镗两圆孔，保证孔距尺寸，孔径留0.1～0.15mm的余量8钳铰圆锥孔留研磨量，做漏料孔9工具铣按线铣外形，留双边余量0.3～0.4mm10热处理淬火、回火、58～62HRC11平磨光上下面12钳研磨两圆孔，(车工配制研磨棒)与冲孔凸模实配，保证双面间隙为0.06mm。三、型芯零件加工工艺分析例3塑料模型芯零件如图7-3所示。1．工艺性分析该零件是塑料模的型芯，从零件形状上分析，该零件的长度与直径的比例超过5:1，属于细长杆零件，但实际长度并不长，截面主要是圆形，在车削和磨削时应解决加工装卡问题，在粗加工车削时，毛坯应为多零件一件毛坯，既方便装夹，又节省材料。在精加工磨削外圆时，对于该类零件装卡方式有三种形式，如图7-4所示。图7-4中的a是反顶尖结构，适用于外圆直径较小，长度较大的细长杆凸模、型芯类零件，dl.5mm时，两端做成60°的锥形顶尖，在零件加工完毕后，再切除反顶尖部分。b是加辅助顶尖孔结构，两端顶尖孔按GBl45-85要求加工，适用于外圆直径较大的情况，d≥5mm时，工作端的顶尖孔，根据零件使用情况决定是否加长，当零件不允许保留顶尖孔时，在加工完毕后，