模具工程技术基础( 高教版 任建伟主编)教案：模具制造工艺过程实训

《模具工程技术基础》（实训）电子教案[32][实训编号]5-2[实训名称]模具制造工艺过程实训[教材版本]任建伟主编、中等职业教育国家规划教材—模具工程技术基础，北京：高等教育出版社，2002。[实训目标与要求]知识目标1、了解模具零件加工的工艺方法，包括毛坯制备方法、机械加工方法和热处理方法；2、了解模具零件加工的工艺过程；3、了解模具装配的工艺过程。二、能力目标1、能根据工艺特点正确区分模具零件加工的工艺方法；对模具零件加工工艺过程形成完整的映象；2、能根据工艺规程知识读懂模具零件加工和模具装配的工艺文件和工艺图纸。[实训重点]1、模具零件加工的工艺方法；2、模具零件加工的工艺规程；3、模具装配的工艺过程。[分析学生]学生已在课堂上学习了模具制造工艺过程相关的知识，但缺乏实践锻炼。通过实训不但能巩固所学知识，还能了解、掌握一定的技能。[实训组织方法]组织学生到有关企业参观或岗位实习。[实训安排]4课时（不包括在途时间）。实训教学策略：实训前对相关知识进行预习，明确实训任务，强调安全操作规程；实训中以小组为单位进行，认真观察或操作，注意安全；实训后要进行归纳总结。[实训内容及步骤]一、了解模具零件毛坯的制备方法；二、详细观察1－2种模具零件的加工工艺过程；三、详细观察1－2套模具的装配工艺过程。[相关知识]一、基本概念1、模具的生产过程：从投入设计工作开始，到成品模具交付用户为止的全部过程，称为模具的生产过程。模具的生产过程主要包括模具结构设计、工艺设计、原材料采购和储存、毛坯制备、零件机械加工、模具装配、试模验收、油漆包装等环节。2、模具的制造工艺过程：是指通过改变原材料或半成品的形状、尺寸和性质，使其成为成品零件，最终装配成合格模具的生产过程。模具的制造工艺过程主要由零件加工艺过程和模具装配工艺过程组成。3、零件加工工艺过程：主要包括毛坯制备、零件机械加工和热处理等环节。二、模具的制造工艺过程（一）毛坯制备方法1、铸造模具中的部分零件，如中小型冲模的上、下模座，大型覆盖件拉深模的结构和成形零件等，常采用铸铁、铸钢等材料制作，加工这些零件所用的毛坯称为铸件，铸件的制造方法称为铸造。模具零件的铸造方法一般是砂型铸造，其工艺过程主要包括造型、熔炼、浇注成形、清砂、去除浇冒口、铸件表面清理、热处理等工序。2、锻造锻件是模具零件加工常用的毛坯形式。对于模具的一般结构零件，采用锻件的目的是通过锻造使毛坯获得一定的几何形状，以便节约原材料和节省加工工时，降低成本。对于模具的主要工作零件，除了上述目的外，更为重要的是通过锻造来改善零件材料的性能。模具零件的锻造方法一般为自由锻。对于高速钢、高碳高铬工具钢等材料，应进行反复多次的镦粗和拔长锻造，锻造后应进行球化退火。3、型材下料模具的一般结构零件可以使用锻件，也可以用棒料、板料等型材下料后直接投入机械加工。此外，锻件在锻造前的坯料通常也是棒料。棒料、板料等型材在投入加工或锻造前，应利用各种下料方法切割成一定规格的毛坯。棒料的常用下料方法为弓锯机、带锯机锯割。板料的下料方法一般为火焰切割和锯割。（二）零件机械加工方法1、切削加工（1）车削车削常用于加工轴类、套类、盘类等零件上的各种回转表面，包括外圆表面、内孔表面、端面、螺纹、圆锥面等。模具零件的车削加工通常在卧式车床、数控车床上进行。车削加工可分为粗车、半精车、精车。粗车的加工精度为ITl2～IT11，表面粗糙度值Ra为25～12.5μm；半精车的加工精度为ITlO～IT9，表面粗糙度值Ra为6.3～3.2μm；精车的加工精度为IT8～IT7，表面粗糙度值Ra为1.6～0.8μm。对于尺寸精度、表面质量要求较低的表面，零件又无需淬硬时，车削加工可以作为终加工方法。对于尺寸精度要求较高的表面，或者零件需要淬硬时，应在车削时留有适当的加工余量，然后用磨削等加工方法进行精加工。（2）刨削刨削是平面的主要加工方法之一，常用于模具中各种板类零件上的平面、台阶面、斜面的加工。模具零件通常使用牛头刨床进行刨削加工，大型零件也可使用龙门刨床。刨削的加工精度一般为ITlO～IT9，表面粗糙度值Ra为6.3～3.2μm，要求更高的表面或需淬火处理的零件在刨削时应留有适当的精加工余量。（3）铣削铣削加工可以在多种类型的铣床上进行。在卧式铣床上可以铣削平面、台阶面、斜面、直槽等。在立式铣床和工具铣床上除能铣削平面、台阶面、斜面、直槽外，还能铣削沉孔、通孔、浇道、浇囗和简单形状的型腔。对于复杂形状的型腔可以在这些铣床上用铣削进行粗加工，然后在热处理后用电火花加工、坐标磨等方法进行精加工。在仿形铣床上能够加工较复杂的型腔或二维、三维型面。在数控铣床上能够加工复杂的型腔或二维、三维型面。铣削的加工精度一般可达IT9，表面粗糙度值Ra为6.3～3.2μm。直接用铣削方法加工型腔或型面时应留有一定的余量，在热处理前和热处理后进行抛光。（4）钻孔、扩孔、铰孔、镗孔钻孔、扩孔是孔的粗加工方法，加工精度为ITl2～IT11表面粗糙度值Ra为25～2.5μm。钻孔、扩孔可以在钻床上进行，也可以在车床、铣床、镗床等机床上进行。铰孔是孔的精加工方法之一，加工精度可达IT7，表面粗糙度值Ra可达1.6μm。铰孔有手铰和机铰之分，手铰用手工操作，机铰可在钻床、车床、铣床、镗床等机床上进行。铰孔除了能够加工圆孔外，还能加工锥度较小的圆锥孔。镗孔既能用于圆孔的粗加工，也能用于半精加工和精加工。粗镗的加工精度为ITl2～IT11，表面粗糙度值Ra为25～12.5μm；半精镗的加工精度为ITlO～IT9，表面粗糙度值Ra为6.3～3.2μm；精镗的加工精度为IT8～IT7，表面粗糙度值Ra为1.61μm。钻床、铣床、镗床等机床可以用来加工平行孔系。在钻床上加工平行孔系，孔的位置精度可达±0.25mm；在铣床上加工平行孔系，孔的位置精度一般可达±0.05mm，用量块和千分表找正时可达±0.01mm；在坐标镗床上加工平行孔系，孔的位置精度可达±0.01mm。2、磨削加工磨削可以在多种类型的磨床上进行。在外圆磨床上能磨削外圆柱面、锥面和端面。内圆磨床主要用于磨削圆孔和圆锥孔。平面磨床除能磨削平面外，还能通过修正砂轮或利用正弦夹具进行成形磨削，磨削斜面和凹、凸圆弧，加工截面形状简单的直通式凸模和凹模镶块。光学曲线磨床能够加工截面形状较简单的小型直通式凸模和凹模镶块。坐标磨床既能磨削加工外圆、台阶面、侧平面、内孔、台阶孔、锥孔，又能磨削加工复杂的型孔、型腔和二维、三维型面。磨削加工是模具零件的主要精加工方法之一。普通外圆磨床、内圆磨床、平面磨床的加工精度为IT7～IT6，表面粗糙度值Ra为0.8～0.2μm。光学曲线磨床的加工精度可达±0.01mm。坐标磨床的加工精度可达±0.003mm，或者更高。磨削既能加工非淬硬工件，又能加工淬硬工件。3、电加工（1）电火花加工①电火花加工的原理如图5－1所示，将工具电极和工件一起放入液体介质中，工具电极接脉冲电源的一极，工件接另一极。当电极移近工件使两者的距离达到放电间隙时，它们之间的液体介质在电脉冲的作用下被击穿电离成电子和正离子。这些电子或正离子在电场力的作用下以极高的速度轰击工件表面，使工件表面的材料被逐步蚀除，最终加工出与工具电极形状相似，凹凸相反的工件。②电火花加工的特点是：对工件材料的适应性强，任何硬、脆、软、粘的材料，不论材料是否淬硬，只要能够导电，都可以进行电火花加工；加工时无明显的机械力作用，能够加工小孔、狭槽和形状复杂的工件，最小孔径可达φ0.2；电脉冲的参数（电规准）可以根据需要进行调节，因而在同一台机床上可以连续完成工件的粗加工、半精加工和精加工。③电火花加工主要用于加工各种形状的型腔，有时也用于加工型孔、螺纹孔，或者在线切割加工硬质合金工件前加工穿丝孔。④一般电火花加工机床的加工精度为±0.02～±0.001mm，表面粗糙度值Ra为3.2～1.6μm，某些高精度电火花加工机床的加工精度为±O.002～±O.OOlmm，表面粗糙度值Ra为0.2～0.1μm（2）电火花线切割加工①电火花线切割加工的加工原理与电火花加工基本相同，只是用电极丝代替工具电极对工件进行切割加工，如图5－2所示。电火花线切割加工时，通过工作台的纵、横进给控制电极丝与工件的相对运动，可以保证工件的截面形状和尺寸精度。目前，电火花线切割机床都采用数控装置来控制工作台的纵、横进给运动，它根据操作者预先编制和输入的数控程序，自动控制机床完成工件的切割加工。②电火花线切割加工一般用于加工由直线和圆弧组成的任意截面形状的直通式零件或型孔，有时通过适当编程也能加工渐开线、摆线等非圆曲线形状，部分电火花线切割机床还具有加工锥孔的能力。目前，电火花线切割加工广泛应用于冲模零件的加工，利用数控装置的自动间隙补偿功能，可以用同一程序成套加工出凸模、凹模、凸模固定板、卸料板、推件块、顶件块等零件，容易保证相关零件之间的装配关系。③一般电火花线切割机床的加工精度为±O.01mm，表面粗糙度值Ra为3.2～1.6μm。高精度电火花线切割机床的加工精度可以达到±0.001mm，表面粗糙度值Ra可达0.8～0.4μm。4、研磨和抛光（1）研磨研磨是利用研磨工具和研磨剂从工件表面上磨掉一层微薄的材料，以提高工件精度，减小表面粗糙度值的一种精密加工方法。常用的研磨工具有油石、平板、外圆研磨环、内孔研磨芯棒等。研磨剂一般由磨料、润滑剂组成，常用的磨料有氧化铝系、碳化物系、金刚石系、氧化铁、氧化铬等类型，润滑剂有机油、煤油、植物油等。研磨的加工精度一般可达IT5，有时可以达到0.00015mm，表面粗糙度值Ra可达0.1μm以下。（2）抛光抛光的主要目的是降低零件的表面粗糙度值。模具成形零件，尤其是拉深模、冷挤压模的凹模，塑料模、压铸模的型芯、型腔等零件的成形表面以及其他零件的重要表面，经常需要在机械加工后进行抛光处理。抛光处理有机械抛光和手工抛光两种。机械抛光是指在车床上利用抛光工具对工件进行抛光，或者使用超声抛光、电化学抛光等工艺方法和专用设备对工件进行抛光。手工抛光是指利用各种手持式抛光工具对工件进行抛光。零件经抛光处理后，表面粗糙度值Ra可小于0.1μm。5、其他加工方法以上是模具零件机械加工的主要加工方法，除此之外，尚有其他加工方法在生产实际中得到应用，如型腔冷挤压加工、腐蚀法加工、电铸加工、电解加工、电解磨削加工、激光加工等。（三）零件热处理方法（1）时效铸铁件在投入机械加工前一般都应进行时效处理，目的是稳定组织，消除内应力。时效处理有自然时效和人工时效两种。自然时效的方法是在铸造后将铸件在露天存放一段时间（半年至一年）。人工时效又称铸件的去应力退火，方法是将铸件加热到500～600℃，保温一定时间后随炉冷却。（2）退火退火是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后随炉或在绝热物中缓慢冷却的一种热处理方法。模具零件的常用退火方法主要有完全退火、球化退火和去应力退火等。完全退火的加热温度为Acl或Ac3以上20～30℃；球化退火的加热温度为Ac1以上20～30℃，去应力退火的加热温度为500～600℃。中碳钢和中碳合金钢锻件在投入机械加工前应进行完全退火或去应力退火，目的是去除内应力、细化组织，以便于后续机械加工和热处理。低碳钢、低碳合金钢型腔采用冷挤压加工时，在挤压前应对坯料进行完全退火。碳素工具钢和各类合金工具钢孝件在锻造后必须进行球化退火，目的是使材料组织中的渗碳体球化，以降低材料便度，改善切削加工性，并且为淬火作组织准备。（3）正火正火是指将工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却的一种热处理方法。由于低碳钢、低碳合金钢在退火状态下的硬度过低，韧性较大，不利于切削加工，因而对于用这些材料制作的模具零件，在投入切削加工前应进行正火处理。碳素工具钢、合金工具钢在球化退火前可以先行安排一次正火，目的是消除网状渗碳体，为球化退火作组织准备。（4）淬火与回火①淬火：将工件加热到Acl或Ac3以上某一温度，保温一定时间，然后在冷却介质中急剧冷却的热处理方法，称为淬火。模具的许多零件都要进行淬火处理，目的是提高零件的强度、硬度和耐磨性，保证零件的承载能力和使用寿命。②回火：是淬火的后续处理，工件淬火后必须进行适当温度的回火处理。回火的方法是将淬火后的工件加热到Ac1或Ac3以下某一温度，然后以适当的速度冷却。回火的目的是调整钢的机械性能，消除淬火时工件内部产生的内应力，稳定工件组织和形状尺寸。回火时的加热温度对工件材料的机械性能有直接的影响。回火温度越高，则材料的硬度、强度就越低，韧性就越好。生产中常按回火温度将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三类。低温回火的加热温度在150～250℃之间，工件回火后基本上能保持淬火后的强度、硬度和耐磨性，而韧性得到提高，内应力明显消除。低温回火常用于模具成形零件、活动零件和其他重要受力零件的热处理。中温回火的加热温度在250～500℃之间，工件回火后硬度明显降低，内应力基本消除。中温回火常用于弹簧等弹性零件的热处理。高温回火的加热温度在500～600℃之间，工件回火后具有良好的综合机械性能和切削加工性能。③调质：工件淬火后再进行高温回火的热处理工艺又称为调质处理，它既能用于模具中要求较高的中碳钢结构零件的最终热处理，又可作为渗氮钢零件在渗氮以前的预备热处理。（5）化学热处理化学热处理是指将工件置于一定温度的活性介质中保温一定时间，使一种或几种化学元素渗入工件表层，以改变表层材料的化学成分、组织和性能的热处理工艺，模具零件常用的化学热处理方法为渗碳和渗氮。①渗碳的方法有气体渗碳固体渗碳和液体渗碳等。其中，气体渗碳的方法是：将工件放入密封的渗碳炉内加热到920～930℃，然后向炉内滴入煤油或丙酮。煤油或丙酮在炉内受热汽化，析出活性碳原子，渗入工件表面，形成一定深度的渗碳层。渗碳处理常用于低碳钢和低碳合金钢工件，对这些工件先进行正火处理，然后进行渗碳处理，使表层材料的碳的质量分数达到O.85%～1.05%，最后再经淬火和低温回火，使表层材料的硬度达到56～60HRC，能使工件芯部具有良好的韧性，而表层具有很高的硬度和耐磨性。②模具零件常用的渗氮方法为气体渗氮，具体方法是：将工件放入密封的渗氮罐内加热至500～560℃后保温，然后不断向罐内通入气体渗氮介质氨气。氨气在罐内受热分解产生活性氮原子，不断渗入工件表面并向内部扩散，形成一定深度的渗氮层。渗氮层的表面硬度可达1000～1200HV，相当于65～72HRC。工件在渗氮前先经调质处理，然后再经渗氮处理，就能保证其芯部具有良好的综合机械性能，表层具有优异的耐磨性和耐腐蚀性。渗氮处理的工件必须采用渗氮钢，典型的渗氮钢有38CrMoAlA、3Cr2W8V等。（四）零件加工工艺过程1、基本概念：（1）零件的加工工艺过程：根据零件的结构、材料、加工技术要求和热处理要求确定零件的毛坯制备方法、机械加工工艺方法和热处理方法，然后将它们按照一定的顺序结合起来，就构成了零件的加工工艺过程。（2）模具零件的加工工艺过程：主要是指零件的机械加工工艺过程，同时还包括毛坯制造工艺过程和热处理工艺过程。零件的机械加工工艺过程一般可以分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和光整加工阶段等四个阶段。①粗加工、半精加工常用各种切削加工方法对工件进行加工，其中：粗加工的任务是切除大部分的加工余量；半精加工的任务是为主要表面的精加工作好准备，并完成要求较低的次要表面的加工。②精加工阶段的主要加工方法是磨削加工或电加工，有时也采用车、铣、镗、铰等切削加工方法，任务是保证各主要表面达到或基本达到规定精度和表面质量要求。③光整加工阶段是对零件上要求特别高的表面进行研磨、抛光等加工，目的是提高这些表面的尺寸和形状、位置精度，减小表面粗糙度值。2、模具零件常用的加工工艺过程如下：（1）铸件的加工工艺过程铸造→时效→粗加工→半精加工→精加工→光整加工铸件的加工工艺过程适用于铸铁件，也能用于铸钢件。其中时效一般采用自然时效，铸钢件或铸铁件急用时采用人工时效。（2）低碳钢工件的加工工艺过程下料→正火→粗加工→半精加工→渗碳、淬火、回火→精加工→光整加工低碳钢工件的加工工艺过程适用于20，20Cr等制造的，要求表面耐磨，芯部有较好韧性的零件。（3）中碳钢工件的加工工艺过程①下料→粗加工→半精加工→精加工该种加工工艺过程适用于Q235、Q275等碳素结构钢零件。②下料→正火或退火→粗加工→半精加工→精加工→光整加工该种加工工艺过程适用于45钢制造的、机械性能要求一般的非淬硬零件。③下料→粗加工→调质→半精加工→精加工→光整加工该种加工工艺过程适用于45，40Cr等调质钢制造的、综合机械性能要求较高的非淬硬零件。④下料→粗加工→半精加工→淬火→低温回火→精加工→光整加工该种加工工艺过程适用于45.40Cr等制造的淬硬零件。（4）工具钢、模具钢零件的加工工艺过程①下料→锻造→球化退火→粗加工→半精加工→淬火→低温回火→精加工→光整加工该种加工工艺过程适用于大多数工具钢、模具钢，精加工采用磨削加工或电火花加工、电火花线切割加工等电加工工艺方法。②下料→锻造→球化退火→粗加工→半精加工→精加工→淬火→低温回火→光整加工该种加工工艺过程适用于大多数工具钢、模具钢，精加工采用车削、铣削、镗削等切割加工方法。③下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→精加工→渗氮→光整加工该种加工工艺过程适用于38CrMoAlA、3CrW8V等渗氮钢制作的零件。（五）模具装配工艺过程1、基本知识：（1）模具的装配工艺过程：按规定的技术要求，将零件连接、组装成模具的过程，称为模具的装配工艺过程。（2）模具装配工艺过程的主要工作内容有：研究、分析模具装配图，熟悉模具结构和装配技术要求；清洗、整理零件；检查零件加工质量；按装配顺序进行组件装配和总装；检验模具装配质量。（3）模具装配的方法：有互换装配法、修配装配法和调整装配法。①互换装配法是指将加工合格的零件连接、结合起来，无需修配、调整，就能达到规定的装配技术要求的装配方法。其优点是装配工作简单，容易保证模具装配质量，便于用户修理模具。但是，这种装配方法对零件的加工精度要求很高，需要有高精度的零件加工和测量设备。②当现有设备条件无法应用互换装配法时，可以采用修配装配法和调整装配法，这些方法都是将零件按照经济可行的加工精度进行加工的，在装配时通过对零件的修配、调整来达到模具的装配技术要求。2、模具装配工艺过程实例如图5－3中的落料模其装配工艺过程如下：（1）组装模柄①将模柄8压入上模座13，检查模柄与上