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1.3 典型模具制造

1.3.1 冲压模具制造

冲压模具制造是模具设计过程的延续,是以冲压模具设计图样为依据,通过原材料的加工和装配转变为具有使用功能的成型工具的过程,其过程如图1-1所示,主要包含以下3方面工作。

1)工作零件(凸、凹模等)的加工。

2)配购通用件、标准件及进行补充加工。

3)模具的装配与试模。

随着模具标准化和生产专业化程度的提高,现代模具制造过程已比较简化。模具标准件的精度和质量已能满足使用要求,并可从市场购买。工作零件的坯料也可从市场购买,因此模具制造的关键和重点是工作零件的加工和模具装配。

需要强调的是,模具加工集中了机械加工的精华,冲压模具加工采用了许多先进的加工方法和手段,如数控铣、数控电加工、坐标镗、坐标磨及成形磨等。

1.模具零件的工艺性分析

通过分析研究产品的装配图和零件图,可熟悉该产品的用途、性能及工作条件,明确零件在产品中的位置和作用。分析该零件各项技术要求和公差的制定依据,在此基础上审查图样的完整性和正确性,例如图样是否有足够的视图,尺寸和公差是否标注齐全,零件的材料、热处理及其他技术要求是否完整、合理。在熟悉零件图的同时,要对零件结构的工艺性进行分析。只有这样,才能综合判断零件的结构、尺寸、公差及技术要求是否合理。若有错误和遗漏,应提出修改意见。

图1-1 冲压模具制造过程

2.模具零件的毛坯选择

选择毛坯的基本任务是选定毛坯的制造方法及制造精度,毛坯的选择不仅会影响毛坯的制造工艺和费用,而且会影响到零件机械加工工艺及生产率与经济性。如选择高精度的毛坯,可以减少机械加工劳动量和材料消耗,提高机械加工生产率,降低加工成本,但却增加了毛坯的费用。因此,选择毛坯要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑,按照零件的结构形状、尺寸、材料、力学性能,结合现有的生产条件,以求得到最佳效果。

3.工艺路线的拟定

拟定工艺路线是制订工艺规程的关键步骤,其主要内容包括选择定位基准、选择加工方法和加工设备、划分加工阶段、确定工序的集中与分散、安排加工顺序等。

(1)选择定位基准 定位基准不仅会影响零件的加工精度,而且对同一个待加工表面选用不同的定位基准,其工艺路线也可能不同。机械加工的最初工序只能用毛坯上未加工过的表面作为定位基准,这种定位基准称为粗基准。用已经加工过的表面作定位基准则称为精基准。在制订零件机械加工工艺规程时,应先考虑选择怎样的精基准定位能保证零件达到设计要求,然后考虑选择什么样的粗基准定位,再把用作精基准的表面加工出来。必须指出的是,定位基准的选择不能仅考虑本工序的定位、装夹方式是否合适,而应结合整个工艺路线统一考虑,使先行工序为后续工序创造条件,使每个工序都有合适的定位基准和装夹方式。

(2)选择加工方法和加工设备 选择加工方法和加工设备时,除要考虑到生产率和经济性要求外,还要考虑到生产类型。若是大批量生产,则要采用高效率设备与专用设备,如使用各种类型的组合机床;加工平面和孔采用拉床进行拉削加工;加工轴类零件采用多刀车床、多轴车床或仿形车床;采用精密铸造或精压毛坯可减少切削加工量。若是中、小批量生产,则应选用通用设备,或采用数控机床以提高加工质量和生产率。在选择加工方法和加工设备时,应进行方案比较,选择性价比最高的方案。

选择加工方法还要考虑工件材料的性质。工件材料若是淬火钢,常采用磨削加工,也可采用振动切削加工;若是有色金属,则通常采用高速精密车削、精镗等加工方法。

选择加工方法时,首先应当选定主要表面(零件的工作表面或基准)的最后工序的加工方法。然后再确定最后加工工序以前的各准备工序的加工方法和顺序。

(3)划分加工阶段 零件的机械加工一般要经过粗加工、半精加工和精加工几个阶段才能完成,对于特别精密的零件还要进行光整加工。

1)粗加工阶段主要是切除各加工表面的大部分加工余量,并为半精加工提供定位基准。

2)半精加工阶段的任务是完成次要表面的加工,并为主要表面的精加工做好准备。

3)精加工阶段主要是保证各主要表面的尺寸、形状和位置精度以及表面粗糙度达到图样要求。

4)光整加工阶段是对精度要求很高(标准公差等级IT5以上)、表面粗糙度值要求很小( Ra 为0.2μm以下)的表面来说的。这一阶段一般不用矫正形状精度和位置精度。

加工阶段的划分是对零件加工的整个过程而言,不能以某一表面的加工或某一工序的性质来判断。在具体应用时也不可绝对化。对于有些重型或加工余量小、精度不高的零件,可以在一次的装夹中完成表面的粗加工和精加工。

(4)确定工序的集中与分散 在安排零件的加工顺序时,应考虑工序的集中与分散问题。工序集中是使每道工序所加工的表面数量尽可能多,而使零件加工总的工序数目减少,所用机床和夹具的数量也相应减少。工序集中有利于保证零件各表面之间的位置精度,简化生产,节省辅助作业时间。工序分散则是减少每道工序的加工内容,增加总的工序数目,工序分散所用设备较简单,对工人的技术水平要求较低,且生产准备工作量小,容易适应生产产品的变换。

大批量生产中,常采用工序集中原则,但也有一些工厂在大批量生产时采用工序分散原则,以便适应生产产品的不断变换。单件小批量生产中,由于不采用专用设备,工序集中受限。对于重型零件,为减少零件装卸和运输的劳动量,工序应适当集中。对于刚性差且精度高的精密零件,则工序应适当分散。由于工序集中的优点较多以及数控机床、柔性制造单元和柔性制造系统等的发展,现代生产倾向于采用工序集中来组织生产。

(5)安排加工顺序 加工顺序的安排主要包括切削加工工序、热处理工序及辅助工序的安排。

1)切削加工工序的安排。切削加工工序安排总的原则是前面工序为后续工序创造条件,做好基准准备。具体原则如下:

①先基准面后其他。用作精基准的表面,首先要加工出来。因此,第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工(有时包括精加工),然后再以精基准面定位加工其他表面。

②先主后次。零件次要表面(如键槽、紧固用的光孔和螺孔等)的加工工作量较小,它们一般都与主要表面(装配表面、工作表面)有相互位置要求,因此通常放在主要表面的半精加工之后、精加工之前进行。

③先粗后精。先安排粗加工,中间安排半精加工,最后安排精加工和光整加工。

④先面后孔。零件上的平面必须先进行加工,然后再加工孔。平面的轮廓平整,装夹和定位比较稳定可靠,若先加工好表面,就能以平面定位加工孔,保证孔和平面的位置精度。

2)热处理工序的安排。热处理的目的在于改变工件材料的性能和消除内应力。由于热处理的目的不同,使得热处理工序的内容及其在工艺过程中所安排的位置也不一样。

①预备热处理。退火、正火工序通常安排在粗加工之前。调质有时也用做预备热处理,但一般安排在粗加工之后进行。

②最终热处理。调质常作为最终热处理,一般安排在精加工之前。淬火可分为整体淬火和表面淬火两种,通常安排在精加工之前进行。表面淬火前要进行调质和正火处理,其加工路线一般为下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火→精加工。当零件需要做渗碳淬火处理时,常将渗碳工序放在次要表面加工之前,待次要表面加工完之后再进行淬硬处理,这样可以减少次要表面与淬硬表面之间的位置误差。氮化处理一般应安排在粗磨之后、精磨之前进行。

③时效处理。精度要求一般的铸件,只需进行一次时效处理,安排在粗加工后较好,有时为减少运输工作量,也可放在粗加工之前进行。精度要求较高的铸件,则应在半精加工之后安排第二次时效处理,使精度稳定。精度要求很高的零件,则应安排多次时效处理。

④表面处理。表面镀层和发蓝处理应作为工艺过程的最终工序。

3)辅助工序的安排。辅助工序主要包括检测、去毛刺、清洗、涂防锈油等。

检测工序是主要的辅助工序,是保证产品质量的有效措施之一,是工艺过程不可缺少的内容。除每道工序由操作人员自行检测外,还必须在下列情况下安排检测工序:①零件粗加工或半精加工结束之后。②重要工序加工前后。③零件全部加工结束之后。④零件从一个车间送到另一个车间之前。⑤钳工去除毛刺常安排在易产生毛刺的工序之后、检测及热处理工序之前。

除了一般性的尺寸检查,对某些零件还要安排探伤、密封、称重、平衡等特种性能检测工序。射线检测、超声波检测等多用于零件或毛坯的内部质量检测,一般安排在工艺过程的开始。磁力探伤、荧光检测主要用于零件表面质量的检测,通常安排在精加工的前后进行。密封性检测、零件的平衡和重量检测一般安排在工艺过程的最后阶段进行。

4.加工工序的设计

(1)机床和工艺装备的选择 在选择机床时要保证机床的加工范围应与零件的外轮廓尺寸相适应,机床的精度应与工序加工要求的精度相适应,机床的生产率应与零件的生产类型相适应。工艺装备的选择包括夹具、刀具和量具的选择。在单件小批生产中,应尽量选用通用夹具和组合夹具,采用通用量具;在大批量生产中,应根据工序加工要求设计制造专用夹具,并采用各种量规和高生产率的检测仪器和检测夹具等。选择刀具时一般应尽可能采用标准刀具,必要时可采用高生产率的复合刀具和其他一些专用刀具。

(2)加工余量的确定 加工余量是指加工过程中所切除的金属层厚度。它可分为加工总余量(毛坯余量)和工序余量。加工总余量是毛坯尺寸与零件图的设计尺寸之差。工序余量是相邻两工序的零件尺寸之差。在确定加工余量时,要分别确定加工总余量和工序余量。加工总余量的大小与所选的毛坯制造精度有关。用查表法确定工序余量时,粗加工工序余量不能得到,而是由加工总余量减去其他各工序余量之和得到。对于外圆和孔等旋转表面,加工余量是从直径上考虑的,实际切除的金属层厚度是加工余量的一半。平面的加工余量等于实际切除的金属层厚度。

(3)工序尺寸及其公差的确定 编制工艺规程的一个重要工作就是要确定每道工序的工序尺寸及其公差。工序尺寸及其公差的计算分为工艺基准与设计基准重合与不重合两种情况。在设计基准与工艺基准重合的情况下,表面多次加工时,首先确定各工序的工序余量,再由该表面的公称尺寸开始,即由最后一道工序开始,逐一向前推算工序尺寸,直到毛坯尺寸。如零件加工时多次转换工艺基准,引起测量基准、定位基准或工序基准与设计基准不重合,这时工序尺寸及其公差的计算需要利用工艺尺寸链来分析计算。

(4)切削用量的确定及时间定额的估算 切削用量的选择原则是效益原则,即在保证加工精度和不超过限制条件下,尽量增大切削用量。粗加工主要是为了去除加工余量,为精加工做准备,因此一般选择的背吃刀量较大,进给量也以稍大些为好,而切削速度应较小。精加工时,为达到图样规定的要求,一般尽量提高切削速度,同时减小进给量,背吃刀量也是比较小的。

时间定额是工艺规程中的重要组成部分。完成零件一道工序的时间定额称为单件时间,它由基本时间、辅助时间、布置工作地时间、休息和自然需要时间、准备与终结时间组成。基本时间和辅助时间的总和称为作业时间,是直接用于制造产品或零件所消耗的时间。在大量生产中,每个工作地点始终只完成一个固定的加工工序,所以在核算单件时间时可以不计入准备与终结时间。

5.编制工艺文件

(1)机械加工工艺过程卡片 机械加工工艺过程卡片是以工序为单位简要说明产品的零件加工过程的一种工艺文件。它以工序为单位列出零件加工的工艺路线(包括毛坯选择、机械加工和热处理等),是制订其他工艺文件的基础。在单件小批量生产时,一般只填写机械加工工艺过程卡片。

(2)机械加工工艺卡片 机械加工工艺卡片是按产品的零件机械加工阶段编制的一种工艺文件,会详细说明产品或零件在机械加工阶段中的工序号、工序名称、工序内容、工艺参数、操作要求以及采用的设备、工艺装备等。它是用来指导工人进行生产、帮助技术人员掌握零件机械加工过程的一种主要的工艺文件,多用于成批生产的零件和小批生产的重要零件。

(3)机械加工工序卡片 机械加工工序卡片是在机械加工工艺过程卡片或机械加工工艺卡片的基础上,按每道工序所编制的一种工艺文件。一般具有工艺简图,并详细说明该工序的每个工步的加工内容、工艺参数、操作要求以及所用机床设备与工艺装备等。多用于大批量生产和成批生产重要零件。

工艺简图应标示出本道工序的加工表面(加工表面一般用粗实线标示,非本道工序的加工表面用细实线标示)、工序尺寸和技术要求,同时用符号指明加工的定位基准及装夹方法等。 g8lSkf5EVW3KYquNCJ2DhR2nczltFoSdP4r1E5B0k3EZtJnXtcj5oGKFzAu5e4mC

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