模具零件的机械加工.doc

第二章 模具零件的机械加工模具零件的形状多种多样，精度要求通常比较高。在加工过程中需要使用各种机械加工方法。所谓机械加工方法就是指由机床带动刀具及工件做切削运动，从而切除材料，最终获得所需要的形状和尺寸的方法。机械加工法的主要特点是使用刀具去除材料，被切除的材料则变成切屑。机械加工方法主要包括车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削等加工手段，这些加工手段中广泛地应用了数控技术，本章着重介绍普通机床的切削加工，数控机床的加工将在后面章节中介绍。根据模具设计的结构要求不同和工厂的设备条件，普通机床进行的模具的机械加工大致有以下几种情况：(1) 普通机床切削加工机床+钳工修配：用车、铣、刨、钻、磨等通用机床加工模具零件，然后进行必要的钳工修配，装配成各种模具。这种加工方式，工件上被加工表面的形状、尺寸多由钳工划线来保证，对工人的技术水平要求较高，劳动强度大，生产效率低，模具制造周期长，成本高。一般在设备条件较差、模具精度要求低的情况下采用；也可能在从事模具加工的小作坊采用。(2) 普通机床切削加工机床+精密切削机床：孔位精度要求高的模具零件，只用普通机床加工难以保证高的孔位精度，因而需要采用精密机床进行加工孔，用普通机床加工其他表面。用于模具加工的精密机床有坐标镗床、坐标磨床等，这些设备多用于加工固定板上的凸模固定孔，模座上的导柱和导套孔，某些凸模和凹模的刃口轮廓。(3) 普通机床切削加工机床+数控机床：对于模具零件特别是形状复杂的凸模、凹模型孔和型腔的加工，为了使加工更趋自动化，减少钳工修配的工作量，需采用数控机床(如数控铣床、加工中心、数控磨床、电火花成形、电火花线切割机床等设备)加工模具零件的工作表面，而使用普通机床加工其他表面。由于数控加工对工人的操作技能要求低，成品率高，加工精度高，生产率高，节省工装，工程管理容易，对设计更改的适应性强，可以实现多机床管理等一系列优点，因此，对实现机械加工自动化，使模具生产更加合理、省力，改变模具机械加工的传统方式具有十分重要的意义，是今后模具加工的必然发展方向。用机械加工方法制造模具，在工艺上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的加工质量，提高生产效率和降低成本。要特别注意，在设计和制造模具时，不能盲目追求模具的加工精度和使用寿命，应根据模具所加工制件的质量要求和产量，确定合理的模具精度和寿命，否则就会使制造费用增加，经济效益下降。2.1 车削加工1车削加工的特点及应用车削加工是在车床上利用车刀对工件的旋转表面进行切削加工的方法。车削加工时，工件的回转运动为主运动，车刀相对工件的移动为进给运动。它主要用来加工各种轴类、套筒类及盘类零件上的旋转表面和螺旋面，其中包括：内外圆柱面、内外圆锥面、内外螺纹、成型回转面、端面、沟槽以及滚花等。此外，还可以钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等。车削加工精度可达IT6IT8，表面粗糙度可达Ra1.60.8m; 精车时，加工精度可达IT6IT5，粗糙度可达Ra0.40.1 m。车削加工的特点是：加工范围广，适应性强，不但可以加工钢、铸铁及其合金，还可以加工铜、铝等有色金属和某些非金属材料，不但可以加工单一轴线的零件，采用四爪卡盘或花盘等装置改变工件的安装位置，也可以加偏心件; 生产率高；刀具简单，其制造、刃磨和安装都比较方便。由于上述特点，车削加工无论在单件、小批，还是大批大量生产以及在机械的维护修理方面，都占有重要的地位。车削加工在模具制造中主要用于加工圆形凸模、凹模、型芯，以及导柱、导套、定位圈、顶杆、模柄等模具零件。2车床车床(Lathe)的种类很多，按结构和用途可分为卧式车床、立式车床、仿形及多刀车床、自动和半自动车床、仪表车床和数控车床等。其中卧式车床应用最广，是其他各类车床的基础。常用的卧式车床有C6132A，C6136，C6140等几种。3、加工案例如图2-1所示的冲压凸模，材料为T8，热处理要求为淬火、回火，硬度5862HRC 图2-1该零件的加工过程如下：（1）下料：锯床上锯断（2）锻：锻成28 38（3）热处理：退火（4）车：车端面及中心孔；双顶尖装夹，车D、d面留单面磨削余量0.3mm（5）检验（6）热处理：淬硬HRC5862（7）研磨：中心孔（8）磨：磨外圆D及d至尺寸（9）线切割：两端顶尖孔处（10）检验由于该零件形状属回转体形，其加工手段以车削加工为主，辅以其他精加工手段。2.2 铣削加工1铣削加工的范围及其特点 1) 铣削加工的范围铣削主要用来对各种平面、各类沟槽等进行粗加工和半精加工，用成型铣刀也可以加工出固定的曲面。其加工精度一般可达IT9IT7，表面粗糙度为Ra6.31.6m。由于铣削方式、铣刀类型和形状的多样性，再配以“分度头”、“圆形工作台”等附件，扩大了铣削的加工范围，使应用更加广泛。概括而言，可以铣削模具零件的平面、台阶面、型腔、型孔、燕尾槽等表面。2)铣削加工的特点铣削加工的特点具体如下：(1) 生产率较高:铣刀为多齿刀具，在铣削时，由于同时参加切削的切削刃数量较多，切削刃作用的总长度长，因而铣削的生产率较高，有利于切削速度的提高。(2) 铣削过程不平稳：由于铣刀刀齿的切入和切出，使同时参加工作的切削刃数量发生变化，致使切削面积变化较大，切削力产生较大的波动，容易使切削过程产生冲击和振动，因而限制了表面质量的提高。(3) 刀齿散热较好:由于每个刀齿是间歇工作，刀齿在从工件切出至切入的时间间隔内，可以得到一定的冷却，散热条件较好。但是，刀齿在切入和切出工件时，产生的冲击和振动会加速刀具的磨损，使刀具耐用度降低，甚至可能引起硬质合金刀片的碎裂。因此，铣削时，若采用切削液对刀具进行冷却，则必须连续浇注，以免产生较大的热应力。2铣床1）卧式铣床卧式铣床的主轴是水平的，与工作台台面平行，为了适应铣螺旋槽等工作，有的卧式铣床的工作台还可在水平面内旋转一定的角度，这就是万能卧式铣床。卧铣时，工件的平面是由铣刀外圆柱面上的刀刃形成的(称为周铣法)。2）立式铣床立式铣床的主轴与工作台台面垂直。为了扩大加工范围，有的立式铣床的主轴还能在垂直面内旋转一定的角度。立铣时，工件的平面是由铣刀的端面刀刃形成的(称为端铣法)。立式铣床的其他部分与卧式铣床的相似。3铣削加工在模具制造中的应用铣削加工在模具制造中主要用来加工型腔、型孔、沟槽、平面、斜面等表面，对于非回转体形状的零件，铣削加工是主要的去除材料手段。铣削加工时，普通铣床一般用来加工外形等简单的形状，形状复杂的表面多采用数控铣或加工中心来完成。如图2-2所示。 图2-2 铣削加工的模具表面2.3 刨削加工1刨削加工的范围及其特点刨削是使用刨刀在刨床上进行切削加工的方法，在模具制造中主要用来加工模具零件的外形。刨削的加工精度一般为IT10IT8，表面粗糙度为Ra6.31.6m。刨削加工的特点是：因加工时，主运动是刀具(或工件)的往复直线运动，换向时要克服较大的惯性力，从而限制了主运动速度的提高; 回程不进行切削，而且刨刀是单刃刀具，一个表面往往要经过多次行程才能加工出来，所以生产率较低;刨削为间断切削，刀具在切入和切出工件时受到冲击和振动，容易损坏， 因此生产效率较低、加工精度较差。刨床中小型模具零件一般选用牛头刨床加工，大型模具零件则往往采用龙门刨床加工。1）牛头刨床牛头刨床因其滑枕刀架形似“牛头”而得名。一般由床身、滑枕、底座、横梁、工作台和刀架等部件组成。刨床的主运动是滑枕的往复运动；进给运动是工作台在横梁导轨上的间歇直线移动。此外，横梁可连同工作台沿床身竖直导轨作升降调整运动；刀架可作一定量的上下移动，并可以偏转一定的角度，以适应背吃刀量的调整和角度的刨削。牛头刨床主要刨削中、小型零件的各种平面及沟槽，适用于单件、小批生产的工厂及维修车间。 2）龙门刨床龙门刨床主要用于加工大型工件或重型零件上的各种平面、沟槽以及各种导轨面，也可在工作台上一次装夹多个零件同时进行加工。其主运动是零件随工作台的直线往复运动，进给运动是刀架带动刨刀作横向或垂直的间歇运动。.4 钻削和镗削加工模具零件上一般都有较多的孔，钻削和镗削都是加工孔的方法。钻削包括钻孔、扩孔、铰孔和锪孔。除此之外钻床上还能进行攻丝。其中，钻孔、扩孔和铰孔分别属于孔的粗加工、半精加工和精加工，俗称“钻扩铰”。钻孔精度较低，为了提高精度和表面质量，钻孔后还要继续进行扩孔和铰孔。 钻削和镗削都是加工孔的方法，但仍有很大的不同。钻削加工是在钻床上进行的，加工后孔的直径与刀具（钻头、铰刀、丝锥等）直径相对应，孔径无法调整。钻孔在小孔加工中常用，大孔加工时用钻孔做预加工，在没有预孔的情况下则必须先钻出预孔才能进行后续的孔加工。镗削是利用镗刀在镗床上对工件上的预制孔进行后续加工的一种切削加工方法，镗孔时镗刀位置可调，因此同一把镗刀可加工不同直径的孔，在加工大孔时优势明显。1钻削加工1）钻削加工的特点（1) 钻孔钻孔(Driling)是用钻头在实体工件上钻出孔的方法，常用的钻头是麻花钻。钻孔时，首先根据孔径大小选择钻头。一般，当孔径小于30 mm时，可一次钻出; 大于30 mm时，应先钻出一小孔，然后再用扩孔钻将其扩大，较大的孔通常用镗床来扩孔。钻削是一种半封闭式切削，排屑困难，又难于冷却润滑，而且钻削力较大。所以，钻削时温度易升高，刀具易磨损。用麻花钻(Teist Drill)加工的孔精度较低，表面较粗糙，其加工精度一般为IT13IT12，表面粗糙度为Ra12.56.3 m，生产效率较高。因此，钻孔主要用于加工精度要求不高以及精度较高的孔的预加工。（2) 扩孔对已有孔进行扩大的加工方法称为扩孔(Core Driuing)，仅为了扩大孔的直径的扩孔可用麻花钻，在扩大孔的直径的同时提高孔形位精度的扩孔采用专门的扩孔钻。扩孔钻的切削刃比一般钻头多，有3、4个，无横刃，其顶端是平的，螺旋槽较浅，所以刚性好，不易变形，导向性能好，切削较平稳，因而扩出的孔的精度和表面质量较好。其加工精度一般为IT10IT8，表面粗糙度为Ra6.33.2 m。扩孔可作为要求不高孔的最终加工，也可作为精加工(如铰孔)前的预加工。（3) 铰孔铰孔(Reaming)是用铰刀在扩孔或半精镗后的孔壁上切除微量金属层，以提高孔的尺寸精度和减小表面粗糙度值的一种精加工方法。 铰刀(Reamev)是多刃切削刀具，有612个切削刃，铰孔时导向性好。 铰刀刀齿的齿槽很浅，铰刀的横截面大，刚性好，加工精度可达IT7IT6，表面粗糙度为Ra0.80.4 m。铰刀有手用铰刀和机用铰刀两种，手用铰刀工作部分较长，机用铰刀工作部分较短。对于不需要淬火的模具零件，其孔加工可以用铰孔作为精加工手段；需要淬火的模具零件则常常用坐标磨床磨孔作为精加工。（4） 锪孔锪孔是指在已加工孔上加工圆锥形沉头孔、圆柱形沉头孔和端面凸台的方法。锪孔用的刀具统称为锪钻。锪钻大多用高速钢制造，只有加工大直径的端面凸台时用硬质合金制造，采用装配式结构。（5）攻丝对于螺纹孔的加工，应在钻削螺纹底孔后采用丝锥攻螺纹。螺纹可以在钻床上用机用丝锥攻出，也可以不用机床，用手用丝锥攻出。2）钻床工厂中常用的钻床(Drilling Machine)有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。（1） 台式钻床台式钻床简称台钻。它是一种加工小孔的小型钻床。 台钻主轴的进给运动用手动操作。台钻结构简单，操作方便，适于加工小型零件上直径小于等于13 mm的孔。（2）立式钻床立式钻床简称立钻(Drill Vertical)。立钻的主轴轴线垂直布置，且位置固定。其规格用最大钻孔直径表示，常用的有25 mm，35 mm，40 mm，50 mm等几种。与台钻相比，立钻刚性好，功率大，允许选用较大的切削用量，因而生产率高。由于立式钻床的主轴位置不能调整，只能通过移动工件位置来使被加工孔的中心与主轴中心对准，对于大而重的工件，操作很不方便。 因此，它常用于加工单件、小批生产中的中、小型工件。(3) 摇臂钻床摇臂钻床(Beam Drill)有一个能绕立柱旋转和上、下升降的摇臂，同时主轴箱可沿摇臂上的导轨横向移动。因此，工作时，不需移动工件，就能很方便地调整主轴相对于工件的位置。而且，摇臂钻床上还设有立柱、摇臂和主轴箱的锁紧机构。当主轴位置调整好后，可将它们快速锁紧。摇臂钻床适用于加工笨重和多孔的工件。2.5 镗削加工1)镗削加工的特点镗削可以对工件上的通孔和盲孔进行粗加工、半精加工和精加工。与钻削相比较，镗孔可加工直径较大、精度较高的孔。 而且，各孔轴线间的同轴度、平行度、垂直度等位置精度和尺寸精度都较高。在镗床上镗孔和在车床上车孔类似，镗刀与车孔刀基本相同，区别在于主运动不同。在镗床上镗孔时，主运动是镗刀的旋转运动，进给运动是工件或镗刀的移动。镗孔时镗刀并不在主轴的回转轴心上，其位置可以在平旋盘上调整，如图2-3所示，因此镗孔与其他孔的加工方法比较，最突出的优点是用一把镗刀可以加工一定范围内各种不同直径的孔，特别是模具上的大直径孔，几乎是可供选择的惟一方法。 图2-3 镗削加工示意图2) 镗床镗床有卧式镗床、立式镗床、深孔镗床和坐标镗床之分，其中坐标镗床能够精确控制孔位，更适合孔系的加工。2.6 磨削加工1 磨削加工的范围及其特点(1) 加工精度高。由于砂轮表面有数量众多的锋利磨粒，通过精细修整后的磨粒具有微刃等高性，磨削厚度很小，除了切削作用外，还有挤压、抛光作用。而且，磨床回转精度很高，工作台纵向运动精度高，横向实现微量进给，保证了精密加工的顺利进行。因此，磨削加工精度一般可达IT6IT4，表面粗糙度为Ra0.80.1m，当采用高精度磨床时，粗糙度可达Ra0.10.08 m。(2) 工件的硬度高。 磨削用的砂轮是由许多细小而且极硬的磨粒用接合剂粘接而成的多孔体，由于砂轮磨粒本身具有很高的硬度和耐热性，因此，磨削不但可以加工碳钢和铸铁等常用金属材料，还可以加工一些用一般的金属切削刀具很难加工的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷等。但不适于加工硬度低而塑性好的有色金属材料，因为磨削这些材料时，切屑容易堵塞磨粒之间的空隙，使砂轮失去切削的能力。(3) 磨削温度高。由于磨削速度很高，磨粒的切削刃又较钝，使磨粒与工件间产生剧烈摩擦，加工中将产生大量的切削热，而砂轮的导热性又较差，因此在砂轮与工件的接触处，瞬时温度高达8001000。 所以，磨削时要有充足的冷却液，同时冷却液还可以起到排屑和润滑作用。磨削加工主要用于零件的内外圆柱面、内外圆锥面、平面和成型面的精加工，以获得较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度。磨床磨床(Grinders)是指用磨具（如砂轮）或磨料加工工件表面的机床，广泛应用于工件的精加工，尤其是淬硬钢件及其他高硬度特殊材料的精加工。通常，砂轮的高速旋转运动为主运动，工件的旋转与移动或磨具的移动为进给运动。 模具制造中使用的磨床类型很多，主要有平面磨床、外圆磨床、内圆磨床、万能外圆磨床、无心磨床、工具磨床、坐标磨床、曲线磨床等。最常用的是平面磨床和外圆磨床、坐标磨床。3各种磨床的加工范围及选用1）平面磨床平面磨床用于磨削平面，模具制造中经常用来加工板类件的外形，平面磨削有利于保证表面之间的平行度、垂直度，并保证被加工面的平面度。2）外圆磨床常用的外圆磨削机床有外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床。外圆磨床用于磨削回转体类零件的外圆柱面、外圆锥面和端面；万能外圆磨床除上述功能外还可以磨削内圆柱面、内圆锥面。外圆磨床与车床的装夹方法类似，一般用于加工圆形件，如导柱、导套、顶杆、圆形凸模、圆形凹模、圆形型芯、模柄等模具零件。3）内圆磨床内圆磨床用于磨削回转体类零件的内孔，常用的机床有普通内圆磨床、万能外圆磨床、无心内圆磨床等。内圆磨床在模具制造中应用较少，主要用于磨削导套内孔、圆形凹模型孔。不能磨削非圆形零件的内孔。4）坐标磨床坐标磨床具有精密坐标定位装置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔和成形表面的磨床。该磨床的磨削功能较强，在模具制造中应用也较多。坐标磨床与坐标镗床有相同的结构布局，不同的是镗刀主轴换成了高速磨头。磨削时，工件固定在能按坐标定位移动的工作台上，砂轮除高速自转外还通过行星传动机构作慢速的公转，并能作垂直进给运动，如图2-4所示。改变磨头行星运动的半径，可实现径向进给。磨头通常采用高频电动磨头或空气透平磨头。坐标磨床除能磨削圆柱孔外，还可磨削圆弧内外表面和圆锥孔等，主要用于加工淬硬工件、冲模和压模等。在磨头上安装插磨附件，使砂轮轴线处于水平位置，砂轮不作行星运动而只作上下往复运动，可进行类似于插削形式的磨削，可以加工型孔。图2-5中所示的冲压凹模的4个销钉孔和中间的型孔都可以采用坐标磨床磨削。随着数字控制技术的应用，坐标磨床已能磨削各种成形表面。 图2-4 坐标磨床的切削运动 图2-5 坐标磨床可以磨削的孔2.7 加工方法及加工路线的选择要确定一个表面的加工方法和加工路线，首先必须明确该表面的形状，进而确定可以采用的加工方法，再根据具体情况（如表面形状、材料、精度、表面粗糙度）选择最合适的方法，最后按粗加工半精加工精加工光整加工的顺序列出该表面的加工路线。对于同一个表面，同一个精度层次的加工（如粗加工）通常只选用一种加工手段。2.7.1回转面加工方法的选择回转面分外圆表面和内圆表面两种情况。每一种回转面都有很多加工方法，具体选择时应根据零件的材料、毛胚种类、结构形状、尺寸、加工精度、粗糙度、技术要求、生产类型及工厂的生产条件等因素来决定，以确保加工质量和降低生产成本。1外圆表面加工1）外圆表面加工技术的要求在各种机械中，具有外圆表面的零件占有很大的比重，例如轴类、套同类、圆盘类等零件。模具制造中圆形凸模、圆形凹模、圆形型芯、导柱导套、模柄、顶杆等零件都有外圆柱面需要加工。外圆表面的技术要求包括：尺寸与形状精度（直径与长度的尺寸精度，圆度、圆柱度等形状精度）；位置精度（与其他外圆面或孔的同轴度、与端面的垂直度等）；表面质量（粗糙度、表面硬度、残余应力等）。2）外圆表面加工方案的分析各种加工要求的外圆表面的加工方案，供选用时参考。精车半精车磨精车半精车粗磨精磨研磨或超级光磨精车半精车精车细精车研磨一般最终工序采用车加工方案的，适用于各种金属（淬火钢除外）。最终工序采用磨加工方案的，适用于淬火钢、未淬火钢和铸铁，但不宜加工强度低、韧性大的有色金属。磨削前的车削精度无需很高，长度短的大型工件，可选用立式车床；单件小批生产，宜选用卧式车床；成批生产，一般选用回轮、转塔车床加工套类及盘类零件，轴类零件则选用仿形及多刀车床；大量生产选用自动或半自动车床加工。2、孔加工1）孔加工的技术要求模具零件上的孔多种多样，常见的有；螺栓螺钉孔、销钉孔、冷却水孔、模具零件的固定孔等。孔的技术要求与外圆面的技术要求基本相同。2)孔加工方案的分析孔加工在切削机理上虽然与外圆加工有许多共同点，但在具体加工条件上却有着较大差距。孔加工刀具的尺寸，受孔径限制，一般呈细长状，刚性差。加工时刀具处在工件材料包围中，散热条件差，切削不易排除，切削液难以进入切削区。因此，加工孔要比加工同样质量要求的外圆面困难，成本也高。由于孔的功用不同，致使孔径、深径比（L/D）以及孔的尺寸精度、形位精度和粗糙度等方面的要求差别很大。为适应不同的需要和不同的生产类型，孔的加工方法很多。常用的各种孔的加工方案，供选用时参考。钻铰钻扩粗铰精铰研磨或手铰钻粗镗（半精镗）粗磨精磨研磨钻粗镗半精镗磨钻粗镗半精镗精镗精细镗钻孔适用于各种批量生产中，对各类零件和各种材料（淬火钢除外）的实体进行孔加工。(1)加工公差等级IT9的孔，如孔径小于10mm时，可采用钻铰方案；孔径小于30mm的孔，可采用钻模钻孔，或采用钻孔后扩孔；孔径大于30mm的孔，一般采用钻孔后镗孔，镗孔常用于单件小批生产。(2)加工公差等级IT8的孔，当孔径小于20mm时，可采用钻孔后铰孔；若孔径大于20mm，可视具体情况，采用钻一扩（或镗）一铰，此方案适用于加工除淬火钢以外的各种金属，但孔径应在20mm80mm范围内。此外，也可采用最终工序为精镗或拉的方案。淬火钢可采用磨削加工。(3)加工公差等级IT7的孔，当孔径小于12mm时，一般采用钻孔后进行两次铰孔的方案；孔径大于12mm时，可采用钻一扩（或镗）一粗铰一精铰的方案，或采用最终工序为精拉或精磨的方案。精拉适用于一批大量的生产，精磨适于加工淬火钢、不淬火钢和铸铁，但不宜加工硬度底、韧性大的有色金属。(4)加工公差等级IT6的孔，其最终工序要视具体情况进行选择。如果该