模具制造工艺学标准教案.docx

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模具制造工艺学标准教案

应用科学学院

课

程

教

案

课程名称:

模具制造工艺学

任课教师:

张聚国

教材:

《模具制造工艺学》（出版社）

所在系（部）:

机电工程系

教研室:

金属材料教研室

第一章绪论

第1节模具制造工艺学绪论

课时：

3

教学重点、难点：

介绍模具在国民经济中的地位、加工特点和工艺。

教案内容：

1.1模具工业在国民经济中的地位

1、模具成型方法在现代工业的主要部门，如机械、电子、轻工、交通和国防工业中得到了极其广泛的应用。

例如70％以上的汽车、拖拉机、电机、电器、仪表零件，80％以上的塑料制品，70％以上的日用五金及耐用消费品零件，都采用模具成型的方法来生产。

因此德国把模具称为“金属加工中的帝王”，把模具工业视为“关键工业”；美国把模具称为“美国工业的基石”，把模具工业视为“不可估量其力量的工业”；日本把模具说成是“促进社会富裕繁荣的动力”，把模具工业视为“整个工业发展的秘密”。

我国将模具工业视为整个制造业的“加速器”。

2、从另一方面来看，机床、刀具工业素有“工业之母”之称，在各个工业发达国家中都占有非常重要的地位。

由于模具工业的重要性，模具成型工艺在各个工业部门得到了广泛的应用，使得模具行业的产值已经大大超过机床、刀具工业的产值。

从我国的情况来看，不少工业产品质量上不去，新产品开发不出来，老产品更新速度慢，能源消耗指标高，材料消耗量大，这都与我国模具生产技术落后，没有一个强大的、先进的模具工业密切相关。

近年来，我国模具技术的发展进步主要表现在：

（1）、研究开发了模具新钢种及硬质合金、钢结硬质合金等新材料，并采用了一些新的热处理工艺，延长了模具的使用寿命。

（2）、开发了一些多工位级进模和硬质合金模等新产品，并根据国内生产需要研制了一批精密塑料注射模。

（3）、研究开发了一些模具加工新技术和新工艺。

如三维曲面数控、仿形加工；模具表面抛光、表面皮纹加工及皮纹辊制造技术；模具钢的超塑性成型技术和各种快速成型技术等。

（4）、模具加工设备已得到较大发展，国内已能批量生产精密坐标磨床、计算机数字控制（CNC）铣床、CNC电火花线切割机床和高精度电火花成型机床等。

（5）、模具计算机辅助设计和制造（模具CAD/CAM/CAE）已在国内得到了广泛的开发应用。

我国的模具技术虽然得到了较大的发展，但仍然不能满足国民经济高速发展的需要，还需花费大量资金从国外进口模具，其原因是:

（1）专业化生产和标准化程度低。

当前专业化程度小于10％；标准化程度小于20％；

（2）模具品种少，生产效率低，经济效益较差；

（3）模具生产制造周期长，精度不高，制造技术落后；

（4）模具寿命短，新材料使用量少；

（5）模具生产力量分散，管理落后。

根据我国模具技术发展的现状及存在问题，今后的发展方向是：

（1）开发和发展精密、复杂、大型、长寿命的模具，以满足国内外市场的需要；

（2）加速模具的标准化和商品化，以提高模具质量，缩短模具生产周期;

（3）大力开发和推广应用模具CAD/CAM/CAE技术，提高模具制造过程的自动化程度；

（4）积极开发模具新品种、新工艺、新技术和新材料；

（5）发展模具加工成套设备，以满足高速发展的模具工业需要。

1.2模具制造的要求、特点、过程和方法

1、模具制造的基本要求和特点

在模具生产中，除了正确进行模具设计、采用合理的模具结构外，还必须以先进的模具制造工艺作为保证。

制造模具时，应满足以下几个基本要求。

（1）制造精度高为了生产合格的产品和发挥模具的效能，设计、制造的模具必须具有较高的精度。

模具的精度主要是由模具零件精度和模具结构的要求来决定的。

为了保证制品精度，模具工作部分的精度通常要比制品精度高2～4级；模具结构对上、下模之间的配合有较高要求，因此组成模具的零件都必须有足够的制造精度。

（2）使用寿命长模具是比较昂贵的工艺装备，其使用寿命长短直接影响产品成本的高低，因此，除了小批量生产和新产品试制等特殊情况外，一般都要求模具有较长的使用寿命。

在大批量生产的情况下，模具的寿命是先决条件。

（3）制造周期短模具制造周期的长短主要取决于制模工艺和生产管理水平的高低。

为了满足生产需要，提高产品竞争能力，必须在保证质量的前提下尽量缩短模具制造周期。

（4）模具成本低模具成本与模具结构的复杂程度、模具材料、制造精度要求及加工方法等有关，必须根据制品要求合理设计模具和制定其加工工艺。

上述四项指标是相互关联、相互影响的，片面追求模具精度和使用寿命必然会导致制造成本的增加。

当然，只顾降低成本和缩短制造周期而忽视模具精度和使用寿命的做法也是不可取的。

在设计与制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，即在保证制品质量的前提下，选择与制品生产量相适应的模具结构和制造方法，使模具成本降低到最低限度。

模具制造属于机械制造范畴，但与一般机械制造相比，它具有许多特点。

（1）单件生产用模具成型制品时，每种模具一般只生产1～2副，所以模具制造属于单件生产。

每制造一副模具，都必须从设计开始，制造周期比较长。

（2）制造质量要求高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。

一般来说，模具工作部分制造公差应控制在±0.01mm；工作部分的表面粗糙度Ra。

要求小于0.8μm。

（3）形状复杂模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而不是一般机械的简单几何体。

（4）材料硬度高模具实际上相当于一种机械加工工具，硬度要求高，一般采用淬火工具钢或硬质合金等材料，采用传统的机械加工方法制造有时十分困难。

2.模具制造的工艺过程

模具制造的工艺过程如图1.1所示，首先根据制品零件图或实物进行工艺分析，然后进行模具设计、零件加工、装配调整、试模，直到生产出符合要求的制品。

（1）分析估算在接受制造模具的委托时，首先根据制品零件图样或实物分析研究采用什么样的成型方案、确定模具套数、模具结构及主要加工方法，然后估算模具费用及交货期等。

（2）模具设计经过认真的工艺分析，然后进行模具设计。

①装配图设计模具设计方案及结构确定后，就可绘制装配图。

②零件图设计根据装配图拆绘零件图，使其满足装配关系和工作要求，并注明尺寸、公差、表面粗糙度等技术要求。

（3）零件加工每个需要加工的零件都必须按照图样制定其加工工艺，然后分别进行毛坯准备、粗加工、半精加工、热处理及精加工或修研抛光。

（4）装配调整装配就是将加工好的零件组合在一起构成一副完整的模具。

除紧固定位用的螺钉和销钉外，一般零件在装配调整过程中仍需一定的人工修研或机械加工。

（5）试模装配调试好的模具，需要安装到机器设备上进行试模。

检查模具在运行过程中是否正常，所得到的制品是否符合要求。

如有不符合要求的则必须拆下模具加以修正，然后再次试模，直到能够完全正常运行并能加工出合格的制品。

3.模具零件的主要加工方法

模具零件绝大多数为金属材料，主要的加工方法有机械加工、特种加工和表面精加工等。

（1）机械加工机械加工（即传统的切削与磨削加工）与现代数控机床加工，是模具制造中不可缺少的一种重要加工方法。

即使采用其他方法加工制造模具，机械加工也常作为零件粗加工和半精加工的主要方法。

机械加工的主要特点是加工精度和生产效率高，通用性好，用相同的设备和工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。

但是，用机械加工方法加工形状复杂的工件时，其加工速度很慢，高硬度材料难以加工。

（2）特种加工特种加工是有别于传统机械加工的加工方法，因为它不是用力进行加工的，所以不要求工具的硬度大于工件的硬度。

它是直接利用电能、声能、光能、化学能等来去除工件上的余量，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成型加工、电火花线切割加工、超声波加工、激光加工、化学加工等。

1.3模具的经济技术指标

图1-2影响模具经济技术指标的因素

图1-3影响模具精度的因素

图1-4影响模具生产周期的因素

图1-5影响模具生产成本的因素

图1-6影响模具寿命的因素

第二章模具制造工艺过程的编制

第1节基本概念

课时：

3

教学重点、难点：

介绍模具在国民经济中的地位、加工特点和工艺。

教案内容：

2.1基本概念

2.1.1模具制造的生产过程

模具的生产过程，是指将用户提供的产品信息和制件的技术信息通过结构分析、工艺性分析，设计成模具；并基于此，将原材料经过加工、装配，转变为具有使用性能的成型工具的全过程。

整个生产过程可用图2-1表示。

图2-1模具制造生产过程图

具体地说，模具生产过程分以下六个阶段。

（1）、模具方案确定分析产品零件结构、尺寸精度、表面质量要求以及成型工艺。

（2）、模具结构设计进行成型件造型、结构设计；系统结构（包括定位、导向、卸料以及相关参数设定等）设计，即总成设计。

　　（3）、生产准备成型件材料、模块等坯料加工；标准零、部件配购；根据造型设计，编制NC、CNC加工代码组成的加工程序；以及刀具、工装等。

（4）、模具成型零件加工根据加工工艺规程，采用NC、CNC加工程序进行成型加工、孔系加工；或采用电火花、成型磨削等传统工艺进行加工，以及相应的热处理工艺。

　　（5）、装配与试模根据模具设计要求，检查标准零、部件和成型零件的尺寸精度、位置精度，以及表面粗糙度等要求；按装配工艺规程进行装配、试模。

　　（6）、验收与试用根据各类模具的验收技术条件标准和合同规定，对模具试冲制件（冲件、塑件等）和模具性能、工作参数等进行检查、试用，合格后则验收。

如图2-2所示。

图2-2模具生产过程具体示意图

2.1.2工艺过程及其组成

生产过程中为改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等。

使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。

1．工序

工序是一个或一组工人。

在一个工作地点对同一个或同时对几个工件进行加工所连续完成的那一部分工艺过程。

它是组成工艺过程的基本单元。

图1-1所示为模柄的机械加工工艺过程，可划分为三道工序，见表2-1。

表1-1模柄的工艺过程

工序编号

工序内容

设备

1

车两端面钻中心孔

车床

2

车外圆（φ32留磨削余量）车槽并倒角

车床

3

磨φ32外圆

外圆磨床

2．安装

（1）夹紧

工件在加工之前，应使其在机床上（或夹具中）处于一个正确的位置并将其夹紧。

（2）装夹

工件具有正确位置及夹紧的过程称为装夹。

（3）安装

工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。

在工序中应尽量减少装夹次数。

如图2-3所示。

3．工位

为了完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起，相对于刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置称为工位。

图2-4所示是利用万能分度头使工件依次处于工位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ来完成对凸模槽的铣削加工。

图2-3模柄

4．工步

工步是在加工表面和加工工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序。

（1）当工件在一次装夹后连续进行若干相同的工步时，常填写为一个工步，如图2-5所示。

（2）复合工步

用几把刀具或复合刀具，同时加工同一工件上的几个表面，称为复合工步。

在工艺文件上，复合工步应视为一个工步。

如图2-6所示是用钻头和车刀同时加工内孔和外圆的复合工步。

如图2-7所示是用复合中心钻钻孔、锪锥面的复合工步。

图2-4多工位加工

1-分度头2-三爪自定心卡盘3-工件4-铣刀5-尾座

图2-5具有四个相同的工件图2-6多刀加工

图2-7钻孔、锪锥面复合工步

5．进给

刀具从被加工表面每切下一层金属层即称为一次进给。

一个工步可能只一次进给，也可能要几次进给。

2.1.3生产纲领和生产类型

1．生产纲领

企业在计划内应生产的产品量（年产量）和进度计划称为生产纲领。

年产量计算公式：

N=Qn（1+α%+β%）

2．生产类型的确定

企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类称为生产类型。

（1）单件生产

产品品种繁多，每种产品仅生产一件或数件，工作地的加工对象经常改变。

（2）批量生产

产品品种多，同一产品有一定的数量。

一次投入或生产的同一产品（或零件）的数量称为生产批量。

可分为小批量生产（工艺方面接近单件生产）、中批量生产、大批量生产。

（3）大量生产

产品品种单一而固定，工作地长期进行一个零件某道工序的加工。

表2-2所列是按产品年产量划分的生产类型。

表2-2生产类型与生产纲领的关系

生产类型对工厂的生产过程和生产组织起决定性的作用。

各种生产类型的工艺特征见表2-3。

表2-3各种生产类型的工艺特征

类型

特点

单件生产

成批生产

大量生产

加工对象

经常改变

周期性改变

固定不变

毛坯的制造方法及加工余量

铸件用木模、手工造型；锻造用自由锻。

毛坯精度低，加工余量大

部分铸件用金属模，部分锻件采用模锻。

毛坯精度中等，加工余量中等

铸件广泛采用金属模机器造型。

锻件广泛采用模锻以及其它高生产率的毛坯制造方法。

毛坯精度高，加工余量小

机床设备及其布置形式

采用通用机床。

机床按类别和规定大小采用“机群式”排列布置

采用部分通用机床和部分高生产率的专用机床。

机床设备按加工零件类别分“工段”排列布置

广泛采用高生产率的专用机床及自动机床。

按流水线形式排列布置

工艺装备

多用标准夹具，很少采用专用夹具，靠划线及试切法达到尺寸精度

采用通用刀具与万能量具

广泛采用专用夹具部分靠划线进行加工较多采用专用刀具和专用量具

广泛采用先进高效夹具，靠夹具及调整法达到加工要求

广泛采用高生产率的刀具和量具

对操作工人的

要求

需要技术熟练的操作工人

操作工人需要一定的技术熟练程度

对操作工人的技术要求较低，对调整工人的技术要求较高

工艺文件

有简单的工艺过程卡片

有较详细的工艺规程，对重要零件需编制工艺卡片

有详细编制的工艺文件

零件的互换性

广泛采用钳工修配

零件大部分有互换性，少数用钳工修配

零件全部有互换性，某些配合要求很高的零件采用分组互换

生产率

低

中等

高

单件加工成本

高

中等

低

2.1.4工艺规程

规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件称为工艺规程。

1．工艺规程的作用

（1）是指导生产的重要技术文件

（2）是生产组织和生产管理工作的基本依据

（3）是新建或扩建工厂或车间的基本资料

制定工艺规程的基本原则：

保证以最低的生产成本和最高的生产效率，可靠地加工出符号设计图样要求的产品。

2．工艺规程的种类

（1）机械加工工艺过程卡片

主要用于单件小批生产和中批生产的零件。

其格式见表2-4。

表2-4机械加工工艺过程卡片

（2）机械加工工序卡片

用于大批、大量生产中的加工零件，中批生产以及单件小批生产中的某些复杂零件。

其格式见表2-5。

表2-5机械加工工序卡片

3．对工艺规程的要求

（1）生产质量的可靠性

（2）工艺技术的先进性

（3）经济性

（4）有良好的劳动条件

4．编制工艺规程的步骤

（1）研究产品的装配图和零件图进行工艺分析

（2）确定生产类型

（3）确定毛坯

（4）拟订工艺路线

（5）确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及其公差

（6）选择各工序使用的机床设备及刀具、夹具、量具和辅助工具。

（7）确定切削用量及时间定额。

（8）填写工艺文件。

第二章模具制造工艺过程的编制

第2节零件的工艺分析

课时：

1

教学重点、难点：

零件结构和工艺的分析。

教案内容：

2.2.1零件结构的工艺分析

基本表面内、外圆柱表面、圆锥面和平面

零件形状构成

特殊表面螺旋面、渐开线齿轮表面、其它成形表面

零件的结构工艺性：

是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，其制造的可行性和经济性。

零件的结构工艺性好，就有利于优质高产。

结构工艺性的优劣，除与各个零件本身特点有关之外，还应考虑整机的装配工艺性和生产类型。

如图2-6列出了几种零件的结构并对零件结构的工艺性进行对比。

表2-6零件结构的工艺性比较

2.2.2零件的技术要求分析

1．零件的技术要求：

尺寸精度、几何形状精度、各表面的相互位置精度、表面质量、零件材料、热处理及其它要求。

2．通过分析，判断其可行性和合理性，合理选择零件的各种加工方法和工艺路线。

第二章模具制造工艺过程的编制

第3节毛坯的选择

课时：

1

教学重点、难点：

毛坯种类和尺寸的确定。

教案内容：

2.3.1毛坯的种类和选择

1．种类：

锻件、铸件、焊接件、各种型材及板料等

2．选择原则

（1）零件材料的工艺性及组织和力学性能要求。

（2）零件的结构形状和尺寸

（3）生产类型

（4）工厂生产条件

2.3.2毛坯形状与尺寸的确定

图2-8一坯多件的毛坯

a）零件b）毛坯

1．毛坯余量（加工总余量）

毛坯尺寸与零件的设计尺寸之差。

2．毛坯公差

毛坯尺寸的制造公差。

3．毛坯长度如图1-6所示。

L=20n+（n-1）B

第二章模具制造工艺过程的编制

第4节定位基准的选择

课时：

4

教学重点、难点：

粗基准和精基准的选择原则和装夹方法。

教案内容：

2.4.1基准及其分类

1．设计基准

在设计图样上所采用的基准称为设计基准。

如图2-9所示。

图2-9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。

可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。

（1）工序基准

在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准。

如图2-10所示。

图2-10工序基准

（2）定位基准

在加工时，为了保证工件相对于机床和刀具之间的正确位置（即将工件定位）所使用的基准称为定位基准。

（3）测量基准

测量时所采用的基准称为测量基准。

如图2-11所示。

图2-11测量基准

1—工件2—游标深度尺

（4）装配基准

装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。

如图2-12所示的定位环孔D（H7）的轴线是设计基准，在进行模具装配时又是模具的装配基准。

图2-12装配基准

a）定位环b）装配好的定位环

1—定位环2—凹模3—螺钉4—销钉

2.4.2工件定位的基本原理

1．工件定位

工件正确定位应满足的要求：

（1）应使工件相对于机床处于一个正确的位置。

如图2-13所示零件，为保证被加工表面（φ45r6）相对于内圆柱面的同轴度要求，工件定位时必须使设计基准内圆柱面的轴心线O-O与机床主轴的回转轴线重合。

图2-13导套

图2-14所示凸模固定板，加工时为保证孔与Ⅰ面垂直，必须使Ⅰ面与机床的工作台面平行。

图2-14凸模固定板

（2）要保证加工精度，位于机床或夹具上的工件还必须相对于刀具有一个正确位置。

1）试切法

试切——测量——调整——再试切，反复进行到被加工尺寸达到要求为止的加工方法。

如图2-15a所示。

多用于单件小批生产。

图2-15零件加工

a）试切法加工b）调整法加工

2）调整法

先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸的方法。

如图2-15b所示。

多用于成批和大量生产。

2．工件定位的基本原理

如图2-16所示的工件。

可沿三个垂直坐标轴方向平移到任何位置，通常称工件沿三个垂直坐标轴具有移动的自由度，分别以X、Y、Z表示。

图2-16工件的六个自由度

图2-17工件定位

2.4.3定位基准的选择

1．粗基准

（1）定义：

机械加工的最初工序只能用工件毛坯上未经加工的表面做定位基准，这种定位基准称为粗基准。

（2）选择

1）为保证加工表面与不加工表面之间的位置尺寸要求，应选不加工表面作粗基准。

如图2-18所示。

图2-18不加工表面为粗基准

2）若要保证某加工表面切除的余量均匀，应选该表面作粗基准。

如图2-19所示。

图2-19粗基准的选择

3）为保证各加工表面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量小的表面作粗基准。

4）选作粗基准的表面，应尽可能平整，不能有飞边、浇注系统、冒口或其它缺陷。

5）一般情况下粗基准不重复使用。

2．精基准

（1）用已经加工过的表面作定位基准则称为精基准。

（2）选择

1）基准重合原则选设计基准作定位基准，容易保证加工精度。

如图2-20a所示零件，加工平面3时，选平面2为定位基准则符号重合原则，采用调整法加工，直接保证的尺寸为设计尺寸

。

选平面1作定位基准时，则不符号基准重合原则，采用调整法加工，直接保证的尺寸为

，如图2-20b所示。

图2-20基准重合与不重合的示例

a）以平面2定位b）以平面1定位

2）基准统一原则

应选择几个被加工表面（或几道工序）都能使用的定位基准为精基准。

即便于保证各加工表面间的位置精度，又有利于提高生产率。

3）自为基准原则

精加工或光整加工工序要求加工余量小而均匀，这时应尽可能用加工表面自身为精基准。

4）互为基准原则

两个被加工表面之间位置精度较高，要求加工余量小而均匀时，多以两表面互为基准进行加工。

如图2-21所示。

图2-21采用互为基准磨内孔和外圆

a）工件简图b）用三爪卡盘磨内孔c）在心轴上磨外圆

以上每条都只说明一个方面的问题，在实际应用时有可能出现相互矛盾的情况，因此一定要全面考虑，灵活应用。

加工限制的自由度如图2-22所示。

定位基准选择不能单单考虑本工序定位、夹紧是否合适，而应结合整个工艺路线进行统一考虑，使先行工序为后续工序创造条件，是每个工序都有合适的定位基准和夹紧方式。

2.4.4工件的装夹方法

1．找正法装夹工件

（1）直接找正法

用百分表、划针或目测在机床上直接找正工件的有关基准，使工件占有正确的位置称为直接找正法。

如图2-23所示。

多用于单件和小批生产。

图2-22用示意号指示基准

图2-23找正法装夹工件

a）在内圆磨床上找正工件b）在刨床上找正工件

（2）划线找正法

在机床上用划线盘按毛坯或半成品上预先划好的线找正工件，使工件获得正确的位置称划线找正法。

如图2-24所示。

多用于单件小批生产。

图2-24划线找正法

2．用夹具装夹工件

利用夹具上的定位元件使工件获得正确位置。

一般用于成批和大量生产。

第二章模具制造工艺过程的编制

第5节工艺路线的拟定工艺路线是工艺设计的总体布局

课时：

1

教学重点、难点：

工艺阶段和工序的划分原则。

教案内容：

2.5.1表面加工方法的选择

选择加工方法时总是根据各种工艺方法所能达到的加工经济精度和表面粗糙度等因素来选定它的最后加工方法。

零件表面加工方法选择原则：

（1）被加工表面的精度和零件的结构形状

一般所采用加工方法的经济精度，应保证零件所要求的加工精度和表面质量。

（2）零件材料的性质及热处理要求

（3）生产率和经济性要求

（4）现有生产条件

2.5.2工艺阶段的划分

（1）粗加工阶段

切除加工表面上的大部分余量。

（2）半精加工阶段

为主要表面的精加工作好必要的精度和余量准备，并完成一些