第1章 冲压模具设计与制造基础 > 1.5 模具加工方法与工艺规程编制

      现代工业产品的生产对模具要求越来越高,模具结构日趋复杂,制造难度日益增大。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠工人的手工技巧及采用传统机械设备转变为技术密集,更多地依靠各种高效、高精度的数控切削机床、电加工机床,从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其它特殊加工时代,模具钳工量正呈逐渐减少之势。现代模具制造集中了制造技术的精华,体现了先进制造技术,已成为技术密集型的综合加工技术。
冲模是专用的工艺装备,冲模制造属于单件生产。尽管采取了一些措施,如模架标准化、毛坯专用化、零件商品化等,适当集中模具制造中的部分内容,使其带有批量生产的特点,但对整个模具制造过程,尤其对工作零件的制造仍然属于单件生产。其制造具有以下特点:
(1)形状复杂,加工精度高,因此需应用各种先进的加工方法(如数控铣、数控电加工、坐标镗、成形磨、坐标磨等)才能保证加工质量;
(2)模具材料性能优异,硬度高,加工难度大,需要先进加工设备和合理安排加工工艺;
(3)模具生产批量小,大多具有单件生产的特点。应多采用少工序、多工步的加工方案,即工序集中的方案;不用或少用专用工具加工;
(4)模具制造完成后均需调整和试模,只有试模成形出合格制件后,模具制造方算合格。
冲模的生产流程与设备状况、人员配置及其业务水平等多种因素有关。一般标准规模工厂冲模生产全过程的流程如图1.5.1所示。

  现代模具设计一般是基于模具标准化和通用化的基础之上进行的,所以模具制造主要有三项工作:
(1)模具工作零件的制造
(2)配购通用、标准件及进行补充加工
(3)进行模具装配和试模
其中,模具工作零件的制造和模具装配是重点。

        模具材料的选用,不仅关系到模具的使用寿命,而且也直接影响到模具的制造成本,因此是模具设计中的一项重要工作。在冲压过程中,模具承受冲击负荷且连续工作,使凸、凹模受到强大压力和剧烈磨擦,工作条件极其恶劣。因此选择模具材料应遵循如下原则:
    (1)根据模具种类及其工作条件,选用材料要满足使用要求,应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击、耐疲劳性等;
    (2)根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料;
    (3)满足加工要求,应具有良好的加工工艺性能,便于切削加工,淬透性好、热处理变形小;
(4)满足经济性要求。
      在模具制造中,通常按照零件结构和加工工艺过程的相似性,可将各种模具零件大致分为工作型面零件、板类零件、轴类零件、套类零件等。其加工方法主要有机械加工、特种加工二大类,机械加工方法主要包括各类金属切削机床的切削加工,采用普通及数控切削机床进行车、铣、刨、镗、钻、磨加工可以完成大部分模具零件加工,再配以钳工操作,可实现整套模具的制造。机械加工方法是模具零件的主要加工方法,即使是模具的工作零件采用特种加工方法加工,也需要用机械加工的方法进行预加工。
随着模具质量要求的不断提高,高强度、高硬度、高韧性等特殊性能的模具材料不断出现和复杂型面、型孔的不断增多,传统的机械加工方法已难以满足模具加工的要求。因而,直接利用电能、热能、光能、化学能、电化学能、声能等特种加工的工艺方法相继得到了很快的发展,目前以电加工为主的特种加工方法在现代模具制造中已得到了广泛应用,它是对机械加工方法的重要补充。
    (一)模具零件的毛坯选择
模具零件的毛坯主要有锻件、铸件和型材(如热轧板、圆棒等)上的切割件等。毛坯类型的选择主要根据模具零件质量要求、结构尺寸和生产批量等因素来决定,通常凸、凹模等工作零件的毛坯采用锻件,模座、大型模具零件的毛坯采用铸件,垫板、固定板等零件的毛坯则采用型材上的切割件。不同方法得到的毛坯,其加工余量不同,必须合理确定毛坯的加工余量,加工余量过大,浪费材料和工时,而加工余量过小,则不能保证消除毛坯的表面缺陷,甚至造成废品。关于毛坯的加工余量可查阅相关工艺设计手册。  (二)模具零件的机械加工
用机械加工方法加工模具零件,要充分考虑模具零件的材料、结构形状、尺寸、精度和使用寿命等方面的不同要求,采用合理的加工方法和工艺路线。尽可能通过加工设备来保证模具零件的加工质量,减少钳工修配工作量,提高生产效率和降低成本。

    常用机械加工方法在模具零件加工中的应用如表1.5.1所示。

常用机械加工方法可能达到的尺寸精度和表面粗糙度如表1.5.2~表1.5.3所示。

  (三)模具零件的电加工
1.电火花加工
电火花加工是在一定的介质中,通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电腐蚀作用,对工件进行加工的一种工艺方法,它是不断放电蚀除金属的过程。其加工原理、特点及应用如表1.5.7所示。
电火花加工质量主要受电极制造精度、脉冲放电参数(电规准)、放电间隙、电极损耗的影响,其中电极的设计与制造是关键。

  (1)电极材料
常用电极材料的种类和性能见表1.5.8所示。选择时应根据加工对象、工艺方法和加工设备条件等因素综合考虑,对大中型腔可采用石墨材料电极;中小型腔、窄槽等可采用纯铜电极。

 (2)电极设计与制造
电极必须根据模具结构和精度要求,考虑电极损耗和放电间隙等因素进行设计。电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼电极三种,应根据电极大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素进行选择。
    通常电极精度至少应达到IT7、Ra1.6μm。电极加工主要采用切削加工,必要时可再采用电加工。
尽管电火花加工有许多优点,但仍有一定的局限性:①需要制作成形电极;②只能用于加工金属等导电材料;③加工速度一般较慢,为了提高加工速度,一般要事先用机械加工方法对零件进行预加工;④存在电极损耗,影响加工精度;⑤最小角部半径有限制,一般电火花加工加工能得到的最小角部半径等于放电间隙。
2.电火花线切割加工
电火花线切割加工和电火花成形加工的原理是一样的,都是基于工具电极和工件之间脉冲放电时的腐蚀现象使金属熔化或气化,从而实现对各种形状金属零件的加工。不过在线切割加工时,是用连续移动的电极丝作为工具电极代替电火花加工中的成形电极,其加工原理、特点及应用如表1.5.11所示
 电火花线切割加工的工艺过程如表1.5.12所示。
 需要特别指出,电火花线切割加工时要注意工件内部残余应力对加工的影响,防止变形。对热处理后的毛坯进行电火花线切割加工时,由于大面积去除金属和切断加工,会使材料内部残余应力的相对平衡受到破坏从而产生变形,破坏了加工精度。在线切割过程中,由于内应力的作用,工件可能会突然开裂。为减少这些情况,应选择锻造性能好,淬透性好,热处理变形小的材料,如以线切割为主要加工工艺的冷冲模,应尽量选用CrWMn、Cr12MoV、GCr15等合金钢制造凸、凹模,并严格热处理规范;另一方面,也要合理安排电火花线切割工艺,如选择合理的线切割路线等。必要时切割孔类工件为减小变形,可采用二次切割法。    (四)模具零件常用精加工方法比较
模具制造技术是技术密集的综合加工技术,是先进制造技术的重要体现。现代模具制造一般要涉及多种先进加工方法,模具零件常用精加工方法比较如表1.5.13所示。
    工艺规程是模具制造过程中的重要技术文件。制定工艺规程是生产准备工作的重要内容,是一项技术性和实践性都十分强的工作,是否先进、合理,直接影响到模具加工的质量、周期和成本。
工艺规程必须针对加工对象,结合企业实际生产条件进行制定,技术上要先进、经济上要合理。模具零件加工工艺规程制定的一般步骤和所包含的基本内容见表1.5.14所示。
   由于模具零件的加工多属于单件生产,一般都制定以工序为单位,简单明了的工艺规程。

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