(鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013)

鑄造金屬模具設(shè)計(jì)與制作分析

張 磊

(鄭州煤礦機(jī)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(duì)應(yīng)機(jī)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(shí)例，簡(jiǎn)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(jī)械、電子、輕工、儀表、交通等工業(yè)部門的蓬勃發(fā)展，對(duì)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(duì)金屬鑄造模具工業(yè)的高度重視，在加工方面，數(shù)控機(jī)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(zhǎng)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(jī)械等?，F(xiàn)階段，這些加工設(shè)備往往都有普通型機(jī)床及數(shù)控型機(jī)床之分，普通型機(jī)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(qiáng)，數(shù)控型機(jī)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(diǎn)

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(qiáng)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(kuò)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(jì)性，其中前三項(xiàng)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(duì)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(diǎn)是工藝性能好，具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性?？捎糜谥圃旄鞣N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(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。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(shí)仍能進(jìn)行切削，且切削速度可提高4～10倍。其缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)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(guó)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(duì)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(jī)械沖擊和熱沖擊大的加工場(chǎng)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(jī)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(jī)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(gè)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)的刀具壽命。對(duì)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(gè)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(shí)例

以下用金寶公司的客戶美國(guó)某重型車輛系統(tǒng)的產(chǎn)品缸蓋鑄造模為例，簡(jiǎn)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(jì)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(jī)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(shí)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(shí)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(dòng)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(jī)床及裝夾不動(dòng)，精加工、清角，高速鋼(精加工)和硬質(zhì)合金(清角)。刀具長(zhǎng)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(jì)為鑲嵌結(jié)構(gòu)，減少加工難度，降低加工成本，也節(jié)約時(shí)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

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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。