鑄造金屬模具設(shè)計與制作分析

(鄭州煤礦機械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013)

鑄造金屬模具設(shè)計與制作分析

張 磊

(鄭州煤礦機械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013)

本文介紹了當(dāng)前常用的金屬鑄造模具加工工藝及工藝改進(jìn)措施、對應(yīng)機械設(shè)備及加工刀具的選用方法，并以缸蓋鑄造模的加工為實例，簡要說明金屬鑄造模具加工工藝路線的確定過程。

金屬鑄造模具;加工工藝及設(shè)備;刀具選用

1 引言

由于當(dāng)前機械、電子、輕工、儀表、交通等工業(yè)部門的蓬勃發(fā)展，對金屬鑄造模具的需求在數(shù)量上越來越多，質(zhì)量要求越來越高，供貨期越來越短。因此引起了當(dāng)前有關(guān)部門對金屬鑄造模具工業(yè)的高度重視，在加工方面，數(shù)控機床的廣泛使用不僅保證了金屬鑄造模具零件的加工精度和質(zhì)量，而且以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工質(zhì)量為主要特征的加工技術(shù)，比傳統(tǒng)的切削加工效率提高幾倍甚至十幾倍。一些上規(guī)模、上水平的金屬鑄造模具廠不斷涌現(xiàn)，使當(dāng)前的金屬鑄造模具工業(yè)又有了長足的發(fā)展。

2 金屬鑄造模具的常用加工工藝及設(shè)備

就目前情況來看，金屬鑄造模具的加工工藝可分為鑄造方法、切削加工工藝和特種加工工藝3大類。根據(jù)工藝要求的不同，金屬鑄造模具常用的設(shè)備也有所不同，一般包含車削加工用的各種車床、加工孔類的鉆床、鏜床，成型各種平面或曲面的銑床、磨床及成型較細(xì)微的特征或LOGO的雕刻機械等?，F(xiàn)階段，這些加工設(shè)備往往都有普通型機床及數(shù)控型機床之分，普通型機床往往加工精度、效率較低，但其使用靈活性高，適應(yīng)性較強，數(shù)控型機床加工精度、效率高但一般使用前需要編程，使用靈活性不足。

表1 鑄造模具常用加工方法及工藝特點

3 金屬鑄造模具加工刀具的選用

3.1 金屬鑄造模具加工常用刀具的材料

模具加工使用的刀具材料應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性，足夠的強度和韌性，較高的耐熱性和傳熱性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，較高的抗枯結(jié)、抗擴散、抗氧化性能，較好的抗塑性變形件能和耐熱沖擊性能和較好的工藝性和經(jīng)濟性，其中前三項常常作為是刀具材輯應(yīng)具備的基本性能。常用的刀具材料按照材質(zhì)不同來劃分，一般有:工具鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼)、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬刀具材料。

3.2 常用刀具材料的性能對比

現(xiàn)階段模具加工刀具材料日常使用最多的是高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷。高速鋼的特點是工藝性能好，具有較高的硬度、強度、耐磨性和韌性。可用于制造各種刃形復(fù)雜的刀具。高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。普通高速鋼又分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類。粉末冶金高速鋼適于制造切削難加工材料的刀具，特別適于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具。

硬質(zhì)合金的主要成分是合金碳化物，具有高硬度、高熔點和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點。因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性均超過高速鋼，切削溫度達(dá)800℃ ～1000℃時仍能進(jìn)行切削，且切削速度可提高4～10倍。其缺點是抗彎強度低，沖擊韌性差。高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多，因此到目前為止，高速鋼仍是世界各國制造復(fù)雜、精密和成形刀具的基本材料，是應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。陶瓷刀具適用于鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效;但不適于機械沖擊和熱沖擊大的加工場合。

3.3 一般金屬鑄造模具加工刀具的選用

一般金屬鑄造模具加工刀具的選用，應(yīng)根據(jù)加工的坯料切削加工性能、所使用的切削液、坯料已加工的表面狀況、加工設(shè)備的狀況選擇合適材質(zhì)、幾何參數(shù)的刀具及合理的切削用量。合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機床性能合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機床性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，使得切削效率最高和加工成本最低的切削用量。

制定切削用量就是確定工序中切削三要素背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度以及刀具耐用度的大小，要綜合考慮生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和加工成本。硬度是影響金屬切削性能的一個重要因素。一般規(guī)律是鋼越硬，就越難加工。高速鋼(HSs)可用于加工硬度最高為330—400HB的材料:高速鋼+鈦化氮(TiN)涂層，可加工硬度最高為45HRC的材料;而對于硬度為65—70lHRC的材料，則必須使用硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷和立方氮化硼(CBN)。隨著刀具業(yè)的發(fā)展，高速鋼一般應(yīng)用在成型刀具較普遍，加工40HRC以下的普通鋼等材料時，我們一般選用金屬陶瓷刀具，這種刀具在v=300m/min以上的高速切削條件下，可獲得良好的加工表面粗糙度與較長的刀具壽命。對于加工HT250、QT500等鑄鐵材料，我們一般可以采用硬質(zhì)合金和陶瓷刀具，近年來CBN(立方氮化硼)燒結(jié)體刀具應(yīng)用逐年增加，其切削速度可達(dá)1000m/min以上，而且刀具壽命非常穩(wěn)定，這個速度遠(yuǎn)勝于硬質(zhì)合金和陶瓷材料的刀具。

4 缸蓋鑄造模實例

以下用金寶公司的客戶美國某重型車輛系統(tǒng)的產(chǎn)品缸蓋鑄造模為例，簡要說明金屬鑄造模具加工工藝路線的確定過程。缸蓋產(chǎn)品鑄件如下圖:

圖1 缸蓋產(chǎn)品鑄件圖

該鑄件因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝較繁雜，僅取其局部舉例說明。首先，根據(jù)模具設(shè)計工藝要求，材料是HT250鑄造毛坯(鑄件:拋丸清理態(tài)交付給車間)，為消除鑄造應(yīng)力、改善金屬組織和加工性能力進(jìn)行正火處理，然后按照各零件圖要求預(yù)留加工下工序加工余量，進(jìn)行加工，開粗前需要經(jīng)過確定尺寸基準(zhǔn)，確定裝夾方式及位置，最后根據(jù)車間生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀況，精度要求確定使用機床，編好工藝卡并審核批準(zhǔn)后下發(fā)工藝文件至操作者實施，下工序類似。

具體流程如下(模板材質(zhì)HT250):

1.下料:鑄造HT250材質(zhì)毛坯，毛坯尺寸為實體尺寸單邊加5mm余量。

2.開粗:選用刨床加工毛坯六面留0.6mm磨量，直角尺校正垂直度。

3.磨底面:選用平面磨床磨底平面光潔度到Ra0.8，作為Z向高度基準(zhǔn)面;X、Y向取中線為基準(zhǔn)。

4.粗銑型腔:選用加工中心或者數(shù)控銑床，一次裝夾利用刀庫自動換刀高速鋼銑刀銑出型腔，余量一般留0.3mm。

5.精銑型腔:同粗加工機床及裝夾不動，精加工、清角，高速鋼(精加工)和硬質(zhì)合金(清角)。刀具長度或直徑不足已加工到工序尺寸的深度，多采用電加工或設(shè)計為鑲嵌結(jié)構(gòu)，減少加工難度，降低加工成本，也節(jié)約時間。一般需預(yù)留拋光余量0.05 ～0.1左右。

6.磨修:精加工后一般還需要打磨拋光，配模試制等工作，如果需要還應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

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TP311

A

1003－5168(2013)07－0086－02

張磊(1977年—)，女，河南鄭州人，本科學(xué)歷，講師，研究方向:金屬材料與熱處理。