2模具机械加工的理论基础课件

本章是本课程的重点章，重点章，同时，也属于复习章节。在机械制造基础上，介绍模具制造工艺规程编制、制造精度分析、加工表面质量及模具技术经济性等内容。涉及产品图样分析、定位基准选择、加工余量及工序尺寸、工装设备选择、零件的加工质量、模具的生产周期、成本和寿命等。内容简介内容简介1、掌握模具制造工艺规程的编制2、分析模具制造精度及影响因素3掌握机械加工后模具的表面质量分析方法及改善途径4了解模具的技术经济分析内容及方法学习目的与要求学习目的与要求：1、了解精度获得的方法2、掌握工艺规程的概念及工艺规程制订的方法、原则、步骤3、掌握工艺卡、工序卡的填写4、掌握零件的结构的工艺性分析 重点重点：难点难点：1掌握工艺规程制订的方法与步骤2分析模具制造精度及表面质量3如何提高模具机械加工质量4模具技术经济分析第一节 模具制造工艺规程编制 第二节 模具制造精度分析第三节 模具机械加工表面质量第四节 模具技术经济分析本章目录2.1 模具制造工艺规程编制 规定模具零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。是规范和指导模具生产过程的指导书。模具是机械产品，模具的机械加工又不同于一般机械产品的机械加工，必须具备扎实的机械制造工艺基础知识和实践经验。一、基本概念一、基本概念 1、模具的生产过程和工艺过程（一）生产过程 将原材料或半成品转变为产品的各有关劳动过程的总和。包含的主要内容有生产技术的准备过程（图纸、工艺、原材料等）；毛坯的制造过程（铸、锻、冲、锯、割等）；模具零件的各种加工过程（机加工、焊接、热处理等）；模具的装配过程（部装、总装、试模和油封等）各种生产服务活动（供应、运输、包装等辅助劳动）。模具制造过程复杂，标准化、专业化才能提高生产效率。（二）工艺过程把原材料变为成品的各种直接有关的过程，如备制毛坯、机械加工、热处理、表面处理和装配、试模等。模具的机械加工工艺过程 用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为模具零件的工艺过程。模具制造工艺规程 以文字和简图形式表述而形成的指导和规范施工的技术文件。2、模具机械加工工艺过程的组成 工艺规程工序安装、工位、工步和走刀等。工序 是工艺规程的基本单元；工序是指一个（或一组）工人，在一个固定的工作地点（如机床或钳工台），对一个（或同时几个）工件所连续完成的那部分工艺过程。划分工序的主要依据：划分工序的主要依据：零件在加工过程中工作地点（或机床）是否发生变更。零件在加工过程中工作地点（或机床）是否发生变更。工步与走刀 工序又可划分为工步；在一个工序内，当加工表面、切削工具和切削用量中的转速与进给量均不变时，所完成的那部分工序称为工步。一个工步内，分几次切削，每一次切削就是一次走刀。走刀是工步的一部分。安装与工位 加工以前，在机床或夹具上先占据一个正确的位置定位，定位后对工件进行夹紧的过程称为安装（装夹）。工位工件在机床上占据的每一个加工位置为一个工位。3、生产纲领与生产类型（一）生产纲领 工厂制造产品（或零件）的年产量称为生产纲领。在制定工艺规程时，生产纲领决定生产类型。（二）生产类型 分为单件生产和成批生产。单件生产 主要是模具工作零件的加工。成批生产 主要是模具的标准件（半成品）的生产。1、工艺规程的作用和内容 是描述由毛坯加工成为零件的过程的工艺文件。规定了加工顺序、选用的机床、工具和加工方法，技术条件和检验手段等内容。作用：指导生产和组织工艺准备2、制定工艺规程的原则 在一定的生产条件下，以最少的劳动量和最低的费用，可靠地加工出符合图纸和技术要求的零件。体现在：技术上的先进性；经济上的合理性；有良好的劳动条件。二、工艺规程设计的原则和步骤二、工艺规程设计的原则和步骤3、制定工艺规程的基本步骤 总装图和零件图的研究分析和工艺审查；确定生产类型；确定毛坯的种类和尺寸；选择定位基准和主要表面的加工方法，拟定加工路线；确定工序尺寸、公差和技术要求；确定加工机床、工艺装备、切削用量和时间定额；填写工艺文件。制定工艺规程的步骤制定工艺规程的步骤零件图的研究与工艺审查确定生产类型确定毛坯的种类和尺寸选择定位基准和主要表面的加工方法，拟订零件的加工工艺路线确定机床、工艺装备、切削用量及时间定额填写工艺文件确定工序尺寸、公差及其技术要求4、工艺文件的格式及其应用工艺过程综合卡片 列出整个零件加工的工艺路线，是编制其它工艺文件、生产技术准备、编制作业计划和组织生产的依据。工艺卡片 以工序为单位，详细描述整个工艺过程的工艺文件。工序卡片 指导工人进行操作的一种工艺文件。大批量生产中被广泛采用。1、零件结构的工艺分析 零件结构的工艺性 分析：形状、尺寸、组合 按零件结构和加工工艺过程的相似性：轴类、套类、板类、腔类2、零件的技术要求分析主要加工表面的尺寸精度；主要加工表面的几何形状精度；主要加工表面之间的相互位置精度；零件表面质量；零件材料、热处理及其他要求。三、产品图样的工艺分析三、产品图样的工艺分析1、毛坯形式（1）模具材料的类别（2）模具零件几乎形状特征和尺寸关系2、毛坯形式（1）原型材 钢厂提供的棒料、丝料、板料、其他截面的型材；不需要专门的毛坯制造过程，所以价格相对低廉，供应及时，被广泛地应用于普通模板和杆件的制造中。中碳钢、高碳钢及它们的合金钢气割后在气割表面会形成淬硬层而影响模具零件的机械加工，所以往往增加退火工序。四、毛坯设计四、毛坯设计（2）锻件 自由锻、模锻 锻造毛坯是制造中、小型模具成型件毛坯的主要方法，也是其他模板的主要选用毛坯方式之一。其目的主要是为了改善成型件材料的金相组织结构和力学性能，同时也为了获得特定大小和形状的毛坯。（3）铸件 铸铁件具有良好的铸造成型性能、切削性能、耐磨与润滑性能，并具有良好的吸振性和一定的强度，价格也低，故常用于标准冲模模架的上、下模座和大型模具的基础性主体。铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁和合金耐热铸铁等。（4）半成品件基准是用来确定加工对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。分为设计基准和工艺基准。1设计基准在设计图样上所采用的基准称为设计基准。2工艺基准 在工艺过程中采用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。五、定位基准的选择五、定位基准的选择图2-1 设计基准2工件的安装 定位和夹紧 六点定位原则 完全定位和不完全定位 过定位和欠定位 （1）直接找正法 （2）划线找正法 （3）夹具安装 模具零、部件安装的过定位结构 模具结构设计时，常采用过定位结构，例如用三导柱、四导柱进行导向。常采用的过定位结构及其要求如下。模具，特别是其中的成型件、导向件是在承受多个方向拉、压、挤和冲击力反复作用下进行工作的。采用过定位结构，以提高其刚度和工作时的可靠性、安全性，是必要和合理的。模具中相邻零、部件采用过定位结构的必要条件是：提高相关零件和部件定位面的配合精度和形状、位置精度，以使其加工误差达到所允许的范围。3定位基准的选择 选择工件的定位基准十分重要最最初初工工序序只只能能用用工工件件毛毛坯坯上上未未经经加加工工的的表表面面作作定定位位基基准，这种定位基准称为粗基准。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。用已经加工过的表面作定位基准，则称为精基准。基准重合原则；基准统一原则；自为基准原则；互为基准原则。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局。包括：表面加工方法、加工阶段划分、工序集中与分散、加工 顺序。六、零件工艺路线分析与拟定六、零件工艺路线分析与拟定七、加工余量与工序尺寸七、加工余量与工序尺寸八、工艺装备八、工艺装备 机床的选择、夹具的选择、刀具的选择、量具的选择。2.2 模具的制造精度 一、概述一、概述 模具的制造精度：工作零件的精度、相关部位的配合精度。模具零件的加工质量包括两个方面：零件的机械加工精度；零件成形表面的质量 零件机械加工精度定义：零件加工后的实际几何参数与设计几何参数的符合程度。零件机械加工精度的内容：尺寸精度、形状精度、位置精度。影响模具精度因素制件的精度模具加工技术手段的水平模具装配钳工的技术水平模具的寿命制造的生产方式和管理水平二、影响模具零件制造精度的因素二、影响模具零件制造精度的因素 1、工艺系统的误差对加工精度的影响 加工原理误差 采用近似成形运动或近似刀刃轮廓进行加工而产生的差。如数控铣曲线或曲面，齿轮滚刀加工等。调整误差 每道工序中都有夹具和刀具的安装和调整，产生的误差。工艺系统的调整有试切法和调整法两种。机床误差 导轨和主轴的精度产生的误差。夹具的制造误差与磨损 夹具的制造精度和装夹精度对加工表面的位置精度影响最大 刀具的制造误差与磨损 采用定尺寸刀具加工时（铰刀拉刀钻头键槽铣刀）直接影响零件尺寸精度；采用成形刀具加工时直接影响形状精度；采用展成刀具（滚刀、插齿刀）直接影响形状精度；一般刀具制造对加工无影响，主要是磨损的影响。2、工艺系统受力变形产生的加工误差 在切削力、夹紧力和重力的作业下，工艺系统组成件产生变形，静态位置和动态位置发生变化从而产生误差。工艺系统产生的变形属于弹性变形，克服弹性变形的能力称为工艺系统刚度。工艺系统刚度对加工精度的影响 切削力作用点位置的变化产生工件形状误差；切削力大小的变化产生加工误差；夹紧力和重力产生加工误差；传动力和惯性力对加工精度的影响。减少工艺系统受力变形对加工精度影响的措施 减少工艺系统受力变形是提高加工精度的有效途径一。采取的措施：提高工艺系统刚度；减小载荷及其变化。提高刚度的方法：合理设计工艺装备的结构；提高连接表面的接触刚度；采用合理的装夹和加工方式。减小载荷及其变化的方法 合理选择刀具的几何参数和切削用量，减小切削力。毛坯分组，使一次调整中余量均匀，减少切削力变化。减少工件残余应力产生的变形 内应力会使零件产生变形，破坏已加工零件的加工精度。方法：增加消除内应力的热处理工序，如去应力退火、时效等 合理安排工艺过程；改善零件的结构，减少内应力的发生。3、工艺系统的热变形对加工精度的影响 工件热变形对加工精度的影响 工件与刀具之间的切削和摩擦产生热量，热胀冷缩影响加工精度。刀具热变形对加工精度的影响 几何参数选择不当，切削力和摩擦力加大，刀具受热伸长，影响加工精度，如连续车加工长轴会产生锥度等。机床热变形对加工精度的影响 受内外热源的影响，机床各部件变形不均匀，影响了加工的精度，尤其是数控机床和精密机械加工设备。4 4、提高加工精度的途径、提高加工精度的途径 机械加工误差是由工艺系统中的原始误差引起的。控制原始误差是提高加工精度的主要方面。两大措施：误差预防技术；误差补偿技术。图51.3 模具机械加工的表面质量 一、模具零件的表面质量一、模具零件的表面质量 1、加工表面质量的含义 零件机械加工的表面质量又称表面完整性，包含表面的几何特征和表面层的物理力学性能两方面的内容。表面几何特征表面粗糙度 较小间距和峰谷组成的微观几何特征，主要是刀具运动轨迹造成，一般波高与波长比1/50。表面波度 宏观几何形状误差和表面粗糙度之间的几何形状误差，是刀具偏移和振动造成，一般波高与波长比为1/501/100。表面加工纹理 表面微观结构的主要方向，取决于加工方法，即主运动和进给运动的关系。伤痕 材料的内部或表层缺陷，随机分布。图16表面层的物理力学性能 加工硬化；金相组织；残余应力2、零件表面质量对使用性能的影响 表面质量对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大，磨损增加，太小磨损也会加剧，零件摩擦表面的粗糙度有一个最佳值。如图16 表面层的加工硬化会提高耐磨性，太硬又会变脆加剧磨损 表面质量对疲劳强度的影响 粗糙度和缺陷处在交变载荷作用下会产生疲劳裂纹，光整加工，提高疲劳强度。加工硬化能提高疲劳强度，但硬化程度过大容易产生脆裂残余应力为压应力时，防止裂纹扩展，提高疲劳强度，拉应力时，降低疲劳强度。表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 粗糙度愈小，耐腐蚀性愈好，不易积聚腐蚀性物质。残余压应力不易让腐蚀物进入，增强耐腐蚀性能。表面质量对零件配合性质和其它方面的影响 粗糙度过大，在间隙配合中，加剧磨损；过盈配合中，凸峰被挤平，有效过盈量小，影响配合的可靠性。二、影响表面质量的因素和提高的途径1、影响加工表面几何特征的因素和改进措施 在构成加工表面几何特征的四个方面中，粗糙度是主要内容 切削加工后的表面粗糙度 主要取决于切削残留面积的高度，影响因素有：刀尖圆弧半径r、主偏角kr、副偏角kr和进给量f等影响切削后的表面粗糙度还有其它的因素：切削速度低速宽刀精切和高速切削 材料脆性材料比塑性材料好 金相组织晶粒细小均匀较好 切削液和增大刀具前角有利于降低粗糙度。刀尖切削：圆弧刀刃切削：磨削加工后的表面粗糙度 主要取决于砂轮的几何因素和零件表面层的塑性变形。几何因素的影响砂轮的组织和磨粒的大小，单位面积磨粒数愈多，粗糙度愈小。磨削表面层的塑性变形对粗糙度的影响 磨削时磨料一般为负前角，压力大温度高（900），晶粒会被拉长，容易发生相变或烧伤，容易产生塑性变形，从而增大表面粗糙度。采取的措施：磨削用量砂轮转速要高，磨削深度要小，减小塑性变形砂轮的选择不同材料选择不同类型的砂轮。如砂轮的粒度、硬度、组织、材料等合理选择磨削液2、影响表面层金属力学性能的因素和改进措施 金属切削加工时，物理力学性能主要的变化是：显微硬度、金相组织、产生残余应力。表面层的加工硬化（冷作硬化）冷作硬化是由于机械加工过程中引起塑性变形的原因所产生的。评定冷作硬化的指标：表层金属的HV、硬化深度h、硬化程度N。切削加工磨削用量：磨削深度大，磨削力增大，塑性变形加剧；加大纵向进给速度，磨削力也会增大；高速磨削时硬化程度比低速磨削时要低。砂轮的粒度愈大，磨粒的载荷愈小，硬化程度愈小。磨削加工 切削力愈大，塑性变形就愈大。变形速度（切削速度）愈快，塑性变形将不充分。切削温度高，回复再结晶作用大，硬化程度就小。加工材料的塑性好，硬化程度会增加。影响表面冷作硬化的因素冷作硬化的测定方法 测定HV和h，然后计算硬化程度N，测量方法是采用斜截面测量法。表面层金属金相组织的变化磨削加工时的金相组织的变化 机械加工时温度会升高，容易产生相变，一般切削不会很高，而磨削时，温度会很高，组织会变化。对于淬火钢，表层硬度会下降，颜色呈氧化膜颜色，称为磨削烧伤。影响零件使用性能。烧伤的三种形式：淬火烧伤、回火烧伤、退火烧伤。影响磨削烧伤的因素和改善措施 温度是主要原因，三个方面考虑：合理选择磨削用量；正确选择砂轮；改善冷却条件。图111 表层金属的残余应力 产生的原因：表层塑性变形与里层不变形而引起。表面强化工艺 定义：通过冷压加工方法，产生塑性变形，降低粗糙度，提高表面硬度并在表面产生残余压压力的工艺方法。方法：喷丸强化、滚压加工、挤压加工等。2.4 模具的技术经济分析 正确把握关系是寻求模具经济技术指标最佳值，创造模具最佳经济效益的关键。模具技术经济指标内容：模具的技术经济指标模具的精度（静态精度和动态精度）和刚度模具的生产周期模具的生产成本模具的寿命模具的精度与刚度 模具的精度主要体现在模具工作零件的精度和相关部位的配合精度。工作部位的精度高于制件的精度。精度分为静态精度和动态精度。模具的刚度对动态精度影响较大。模具的生产周期 定义：接受订货任务到模具试模鉴定交付合格所用的时间 影响周期的主要因素：标准化程度 专业化程度 加工手段的先进程度经营和管理水平。模具的生产成本生产成本企业为生产和销售模具支付的费用总和。模具生产成本包括：原材料费、外购件费、外协加工费、设备折旧费、经营开支等等。影响模具生产成本的主要因素：1.模具结构的复杂程度和模具功能的高低；2.模具精度的高低；3.模具材料的选择；4.模具的加工设备；5.模具的标准化程度和企业的专业化程度。模具的寿命 定义：开始使用到不能使用所加工制件的总数量。模具的损坏形式有四种：磨损、变形、断裂和啃伤。影响模具寿命的主要因素：1.模具结构;2.模具材料;3.模具的加工质量;4.模具的工作条件;5.被加工材料状况。