模具的精加工控制与分析

目录

引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程„„„„„„„ 3

模具的真空热处理技术„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 模具的表面处理技术 „„„„„„„„„„„„„„„„ 4 模具材料的预硬化技术 „„„„„„„„„„„„„„„„ 5

机械加工工艺过程的组成„„„„„„„„„„„„„„„ 5

工艺过程的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 工艺规程 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

机械加工工艺规程设计„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

零件的工艺分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 毛坯的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 定位基准选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 高速铣削加工„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

模具精加工的过程控制„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 零件热处理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 零件的磨削加工„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12 电加工控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 表面处理及组配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

模具的精加工控制与分析

07模具一班 高元平

摘要:在国内大多数的模具制造企业，精加工阶段采用的方法一般是磨削，电加工及钳工处理。在这个阶段要控制好零件变形，内应力，形状公差及尺寸精度等许多技术参数，在具体的生产实践中，操作困难较多，但仍有许多行之有效的经验方法值得借鉴。

Abstract: in most of the mold manufacturing enterprises, finishing stage approach in General is grinding, EDM and fitters. At this stage to control the good parts deformation, stress, shape tolerances and dimensional accuracy and many other technical parameters, in specific production, more difficult, but there are still many proven experience method reference.

关键词:模具,精加工,控制,分析

引言一幅模具型腔的精加工工序是模具加工的最后一道工序，是直接影响模具质量好坏的最重要的一环，它占整个模具加工量的30%～40%左右，因此倍受国内外专家的重视。在我国尽管模具加工的大部分工序（车、铣、刨、磨、电火花、线切割等）已经实现了高度自动化，但模具的精整加工大部分仍采用手工加工的方式，在一定程度上严重影响了我国模具的发展.合理安排零件的生产工序,最优地选用并确定各个工艺参数的大小和变化范围,合理设计模具结构,选择加工方法和设备等,使零件的整个生产过程达到优质.高产.低耗.安全的目的.

模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程

它对模具的如下性能有着直接的影响。

模具的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。

模具的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度（硬度）达不到设计要求。

模具的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。

模具的制造成本：作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。

正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，相互促进，共同提高。20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。

一.模具的真空热处理技术

真空淬火保温时间参考值

材料 低合金刚 材料举例 保温时间min 预热情况 40Gr.35GrMo.65Mn Gr Mn.9GrS.5Gr N Mo Gr12 Mo V. HI3.3Gr2 WS W6Mo5Gr4 V2.18-4-1 5~10 650℃预热一次 中合金刚 10~20 650℃预热一次 高合金刚 20~40 650℃.850℃预热两次 650℃.850℃预热两次 高速钢 15~20

真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度。真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。 按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。为保持工件（如模具）真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷。 对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件（模具），它可以提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、而腐蚀性等。

热处理过程的计算机模拟技术（包括组织模拟和性能预测技术）的成功开发和应用，使得模具的智能化热处理成为可能。由于模具生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使

得模具的智能化热处理成为必须。模具的智能化热处理包括：明确模具的结构、用材、热处理性能要求；模具加热过程温度场、应力场分布的计算机模拟；模具冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟；加热和冷却工艺过程的仿真；淬火工艺的制定；热处理设备的自动化控制技术。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。

二. 模具的表面处理技术

模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。

模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式，每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮，技术可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小，因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。

模具渗碳的目的，主要是为了提高模具的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，由此引入的技术思路是，用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料，从而降低制造成本。 三. 模具材料的预硬化技术

模具在制造过程中进行热处理是绝大多数模具长时间沿用的一种工艺，自上个世纪70年始，国际上就提出预硬化的想法，但由于加工机床刚度和切削刀具的制约，预硬化的硬度无法达到模具的使用硬度，所以预硬化技术的研发投入不大。随着加工机床和切削刀具性能的提高，模具材料的预硬化技术开发速度加快，到上个世纪80年代，国际上工业发达国家在塑料模用材上使用预硬化模块的比例已达到30％（目前在60％以上）。我国在上世纪90年代中后期开始采用预硬化模块（主要用国外进口产品）。

模具材料的预硬化技术主要在模具材料生产厂家开发和实施。通过调整钢的化学成分和配备相应的热处理设备，可以大批量生产质量稳定的预硬化模块。我国在模具材料的预硬化技术方面，起步晚，规模小，目前还不能满足国内模具制

造的要求。

采用预硬化模具材料，可以简化模具制造工艺，缩短模具的制造周期，提高模具的制造精度。可以预见，随着加工技术的进步，预硬化模具材料会用于更多的模具类型。

机械加工工艺过程的组成

一.工艺过程的组成

1.工序——工人，在工作地对工件所连续完成的工艺过程。 2．安装——经一次装夹后所完成的工序内容

装夹——定位——加工前工件在机床或夹具上占据一正确的位置 夹紧——使正确位置不发生变化 增加安装误差

增加装夹时间——应尽量减少安装次数

3．工位——工件与工装可动部分相对工装固定部分所占的位置 多工位加工——提高生产率、保证加工面间的相互位置精度 4．工步——加工表面和加工工具不变条件下所完成的工艺过程 一次安装中连续进行的若干相同的工步→1个工步 用几把不同刀具或复合刀具加工→复合工步 5．走刀——每进行一次切削——1次走刀 二、工艺规程

1．工艺规程的作用——①指导生产 ②组织生产和管理生产 ③新建、扩建或改建工厂及车间

2．工艺规程的设计原则——①技术上的先进性 ②经济上的合理性 ③良好的劳动条件

§机械加工工艺规程设计 一.零件的工艺分析

1．零件技术要求分析 ①加工表面的尺寸精度 ②主要加工表面的形状精度

③主要加工表面之间的相互位置精度

④各加工表面粗糙度以及表面质量方面的其他要求 ⑤热处理要求及其它技术要求（如动平衡等）。

1）零件的视图、技术要求是否齐全——主要技术要求和加工关键

2）零件图所规定的加工要求是否合理 3）零件的选材是否恰当，热处理要求是否合理 2．零件结构及其工艺性分析

①结构组成——内外圆柱面、圆锥面、平面、螺旋面、齿形面、成形面 ②结构组合——轴类、套筒类、盘环类、叉架类、箱体类

③结构工艺性——保证使用要求的前提下，能否以高生产率和低成本制造 二、毛坯的选择 1．毛坯种类的选择

铸件、锻件、焊接件、型材、冲压件、粉末冶金件和工程塑料件 2．确定毛坯的形状和尺寸——尽量与零件接近

毛坯加工余量——毛坯制造尺寸与零件相应尺寸的差值——加工总余量 毛坯公差——毛坯制造尺寸的公差 ①为工件安装稳定，有些毛坯需工艺凸台

②为加工方便，一些零件作整体毛坯——半圆形零件→合成整圆 小零件（垫圈）→合成1件 3．选择毛坯时应考虑的问题

①零件的材料及力学性能要求——铸铁、有色金属→铸 重要件→锻

②零件的结构形状与尺寸——复杂件→铸 小台阶轴→棒料，大台阶轴→锻

③生产纲领的大小——大批量→先进方法 ④现有生产条件

⑤采用新工艺、新技术、新材料 三、定位基准选择

1．基准的概念——确定其他点、线、面的位置所依据的点、线、面 (1)设计基准——零件图上的基准——尺寸→尺寸线的起点 相互位置→基准符号

(2)工艺基准——工艺中用的基准——①工序基准 ②定位基准 ③测量基准 ④装配基准

2.定位基准的选择——毛坯面定位→粗基准 已加工面定位→精基准

(1)精基准的选择——可靠保证主要加工表面间的相互位置精度 1）基准重合原则——选设计基准为定位基准

2）基准统一原则——尽可能在多数工序中用一组精基准定位 3）定位稳定准确，简单方便的原则——选面大、精度高的面为精基准

4）互为基准原则——为加工余量均匀，位置精度高——反复加工 5）自为基准原则——要求余量小而均匀——选加工面本身为精基准 ●辅助基准——人为制造的基准——工艺需要而作的工艺凸台、中心孔 提高精度——一面两孔定位

机械加工工艺过程卡片

天津职业大学 A3 毛坯种类 工序名称 粗加工底面 精加工底面 加工上表面 加工上表面 52×52 型腔并倒R10的圆角 52×52型腔并倒R10的圆角 机械加工工艺过程卡片 板材 毛坯外型尺寸 工序内容 产品型号 产品名称 120×120×25 设备 普通立铣 普通立铣 普通立铣 普通立铣 数控立铣 数控立铣 铣削下平面,以上表面为基准,保留0.5mm的精加工余量。 铣削下平面,以上表面为基准,提高主轴转速和切削速度。 铣削上面,以上表面为基准,保留0.5mm的精加工余量 铣削上面,以上表面为基准,提高主轴转速和切削速度。 铣削型腔，以底面和侧面为基准，保留0.5mm的精加工余量。 铣削型腔，以底面和侧面为基准，提高主轴转速和切削速度。

目前，我国对模具型腔精加工方法仍然是机械加工和电加工两大方面，并且有电加工越来越占优势的趋势；另外就是模具CAD/CAM技术的应用，但由于模具本身的特点，形状复杂难于规范化，所以型腔模CAD/CAM的开发不如冲模及塑料模在CAD/CAM上开发的那样快，那么成熟。尽管如此，这仍是型腔模加工方法的一个发展方向。在这些加工方法中，发展较快的是机械加工中的铣削技术、磨削技术和电加工中的电火花成形加工技术。分别简介如下。

（1）铣削加工技术的崛起——高速铣削加工

铣削加工是型腔模的重要加工手段，特别适用于中、大型锻模的加工。近年来铣削加工获得了迅速的发展，主要体现在以下几个方面：

◆高精度化：认为铣削加工是普通加工的时代已经过去。机床的定位精度从80年代的±12mm/800mm，已提高到90年代的±2～5mm/全行程。采用了精密机

床的热平衡结构，以及主轴冷却等措施，以控制热变形，其控制分辨率已由原来的1mm提高到0.2mm。这样使加工精度由原来的±10mm提高到±2～5mm，精密级可达±1.5mm，使铣削加工机床进入了精密机床的领域。

◆加工效率高速化：随着刀具、电机、轴承、数控系统的进步，高速铣削技术迅速崛起。目前主轴转速已从4000～6000r/min提高到14200r/min。切削进给速度提高到1～6m/min，快速进给速度由8～12m/min提高到30～40m/min，换刀时间由5～10s降到1～3s，这就大幅度提高了加工效率。高速铣削与普通的加工方式相比，加工效率可提高5～10倍。

◆铣削材料的高硬度化：高速铣削技术与新型刀具(金属陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬质合金刀具等)相结合，可对硬度为36～52HRC的工件进行加工，甚至可加工60HRC的工件。

高速铣削加工技术的发展，促进了模具加工技术的进步。特别是对汽车，家电行业等中、大型型腔模具制造方面注入了新的活力。

◆电火花成形加工的技术进步：由于微精加工脉冲电源、工作液、混硅粉加工工艺等相关技术的进步，使电火花成形加工表面粗糙度达到Rmax0.6～0.8mm，而且可以进行大面积加工。并且由于电极损耗不断降低（最小达0.1%）以及对微加工加工余量的精确控制等，可以说电火花成形加工已进入了精密加工领域。

模具高速加工技术是多种先进加工技术的集成，不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。 模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，大力发展和推广应用模具高速加工技术对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。

模具精加工的过程控制

模具零件的加工，一个总的指导思想是针对不同的材质，不同的形状，不同的技术要求进行适应性加工，它具有一定的可塑性，可通过对加工的控制，达到好的加工效果。

根据零件的外观形状不同，大致可把零件分三类：轴类、板类与异形零件，其共同的工艺过程大致为：粗加工——热处理(淬火、调质)——精磨——电加工——钳工(表面处理)——组配加工。

零件热处理

零件的热处理工序，在使零件获得要求的硬度的同时，还需对内应力进行控制，保证零件加工时尺寸的稳定性，不同的材质分别有不同的处理方式。随着近年来模具工业的发展，使用的材料种类增多了，除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬质合金外，对一些工作强度大，受力苛刻的凸、凹模，可选用新材料粉末合金钢，如V10、ASP23等，此类材质具有较高的热稳定性和良好的组织状态。

针对以Cr12MoV为材质的零件，在粗加工后进行淬火处理，淬火后工件存在很大的存留应力，容易导致精加工或工作中开裂，零件淬火后应趁热回火，消除淬火应力。淬火温度控制在900-1020℃，然后冷却至200-220℃出炉空冷，随后迅速回炉220℃回火，这种方法称为一次硬化工艺，可以获得较高的强度及耐磨性，对于以磨损为主要失效形式的模具效果较好。生产中遇到一些拐角较多、形状复杂的工件，回火还不足以消除淬火应力，精加工前还需进行去应力退火或多次时效处理，充分释放应力。

针对V10、APS23等粉末合金钢零件，因其能承受高温回火，淬火时可采用二次硬化工艺，1050-1080℃淬火，再用490-520℃高温回火并进行多次，可以获得较高的冲击韧性及稳定性，对以崩刃为主要失效形式的模具很适用。粉末合金钢的造价较高，但其性能好，正在形成一种广泛运用趋势。

零件的磨削加工

磨削加工采用的机床有三种主要类型：平面磨床、内外圆磨床及工具磨具。精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的产生，即使是十分微小的裂纹，在后续的加工使用中也会显露出来。因此，精磨的进刀要小，不能大，冷却液要充分，尺寸公差在0.01mm以内的零件要尽量恒温磨削。由计算可知，300mm长的钢件，温差3℃时，材料有10.8μm左右的变化，10.8=1.2×3×3(每100mm变形量1.2μm/℃)，各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。

精磨时选择好恰当的磨削砂轮十分重要，针对模具钢材的高钒高钼状况，选用GD单晶刚玉砂轮比较适用，当加工硬质合金、淬火硬度高的材质时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨利性好，磨出的工件粗糙可达Ra=0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN砂轮，也即立方氮化硼砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨，坐标磨床，CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锐利，当砂轮钝化后，会在工件表面滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。

板类零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常会遇到一种长而薄的薄板零件，此类零件的加工较难。因为加工时，在磁力的吸附作用下，工件产生形变，紧贴于工作台表面，当拿下工件后，工件又会产生回复变形，厚度测量一致，但平行度达不到要求，解决的办法可采用隔磁磨削法，磨削时以等高块垫在

工件下面，四面挡块抵死，加工时小进刀，多光刀，加工好一面后，可不用再垫等高块，直接吸附加工，这样可改善磨削效果，达到平行度要求。电加工控制

现代的模具工厂，不能缺少电加工，电加工可以对各类异形、高硬度零件进行加工，它分为线切割与电火花二种。

线切割加工中，通常采用人工碰火花的方法来确定加工时电极丝的位置。该方法虽然简便、易行，但电极丝逐步逼近工件基准面时，开始产生脉冲放电的距离往往并非正常加工条件下电极丝与工件的放电距离。因此，对于位置精度要求较高的模具零件，很难用人工碰火花的方法来保证其精度。

如图1所示，要在某尺寸为120ⅹ70mm的工件上加工出一个直径大小为φ20mm的圆孔。由于该圆孔的位置要求较高，为±0.01mm，很难用人工碰火花的的方法直接保证。

此时，可以采用预先加工“工艺孔”的办法来保证其精度。如图2所示，先采用人工碰火花的操作步骤在图纸所示的圆孔中心处切割一边长为4ⅹ4mm的正方形孔作为工艺孔。之后，用量具测量一下方孔的中心位置是否与圆孔的中心位置一致，若有误差，可以在切割圆孔时作适当的调整，以保证所切割的圆孔的中心位置符合图纸的要求。这样，就可以很好地保证该圆孔的中心位置的精度。

慢走丝线切割加工精度可达±0.003mm，粗糙度Ra=0.2μm。加工开始时，要先检查机床的状况，查看水的去离子度，水温，丝的垂直度，张力等各个因素，确保良好的加工状态。线切割加工是在一整块材料上去除加工，它破坏了工件原有的应力平衡，很容易引起应力集中，特别是在拐角处，因此当R＜0.2(特别是尖角)时，应向设计部门提出改善建议。加工中处理应力集中的方法，可运用矢量平移原理，精加工前先留余量1mm左右，预加工出大致形状，然后再进行热处理，让加工应力在精加工前先行释放，保证热稳定性。

加工凸模时，丝的切入位置及路径的选择要仔细考虑。如图3所示，工件左端夹持，加工时选择路线①比路线②要好，因为路线①工件与材料的夹持部位联接紧密，加工稳定，若采用路线②，第一遍进刀后，工件成悬壁状，受力差，影响后续几遍加工。路线③，采用打孔穿丝加工，效果最佳。高精线切割加工，通常切割遍数为四次，可以保证零件质量。当加工带有锥度的凹模时，见图4，本着快速高效的立场，第一遍粗加工直边，第二边锥度加工，接着再精加工直边，这样可不需进行X段垂直向精加工，只精加工刃口段直边，既节约时间又节约成本。

电火花加工先要制作电极，电极有粗、精之分。精加工电极要求形状符合性好，最好用CNC数控机床加工完成。电极的材质选择上，紫铜电极主要用于一般钢件加工。Cu-W合金电极，综合性能好，特别是加工过程中消耗量明显比紫铜小，配合足量的冲刷液，很适合难加工材料加工及截面形状复杂件精加工。Ag-W合金电极比Cu-W合金电极性能更优，但其价格高，资源少，一般较少采用。制作电极时，需要计算电极的间隙量及电极数量，当进行大面积或重电极加工时，工件和电极装夹要牢固，保证具有足够的强度，防止加工松动。进行深台阶加工时，对电极各处的损耗及因排液不畅引起的电弧放电，要予以注意。

表面处理及组配

零件表面在加工时留下刀痕、磨痕是应力集中的地方，是裂纹扩展的源头，因此在加工结束后，需要对零件进行表面强化，通过钳工打磨，处理掉加工隐患。对工件的一些棱边、锐角、孔口进行倒钝，R化。一般地，电加工表面会产生6-10μm左右的变质硬化层，颜色呈灰白色，硬化层脆而且带有残留应力，在使用之前要充分消除硬化层，方法为表面抛光，打磨去掉硬化层。

在磨削加工、电加工过程中，工件会有一定磁化，具有微弱磁力，十分容易吸着一些小东西，因此在组装之前，要对工件作退磁处理，并用乙酸乙脂清洗表面。组装过程中，先参看装配图，找齐各零件，然后列出各零件相互之间的装备顺序，

列出各项应注意事项，然后着手装配模具，装配一般先装导柱导套，然后装模架和凸凹模，然后再对各处间隙，特别是凸凹模间隙进行组配调整，装配完成后要实施模具检测，写出整体情况报告。对发现的问题，可采用逆向思维法，即从后工序向前工序，从精加工到粗加工，逐一检查，直到找出症结，解决问题。 .结束语

实践证明，良好的精加工过程控制，可以有效减少零件超差、报废，有效提高模具的一次成功率及使用寿命.

参考文献

[1]西安交通大学材料力学教研室.材料力学

[2]悲仁清.机床的微机控制技术.上海科技技术文献出版社. [3]林东.数控技术北京理工大学出版社. [4]机械专家网.