鑄造金屬模具設計與制作分析

(鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450013)

鑄造金屬模具設計與制作分析

張 磊

(鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450013)

本文介紹了當前常用的金屬鑄造模具加工工藝及工藝改進措施、對應機械設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;加工工藝及設備;刀具選用

1 引言

由于當前機械、電子、輕工、儀表、交通等工業部門的蓬勃發展，對金屬鑄造模具的需求在數量上越來越多，質量要求越來越高，供貨期越來越短。因此引起了當前有關部門對金屬鑄造模具工業的高度重視，在加工方面，數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量，而且以高切削速度、高進給速度和高加工質量為主要特征的加工技術，比傳統的切削加工效率提高幾倍甚至十幾倍。一些上規模、上水平的金屬鑄造模具廠不斷涌現，使當前的金屬鑄造模具工業又有了長足的發展。

2 金屬鑄造模具的常用加工工藝及設備

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。根據工藝要求的不同，金屬鑄造模具常用的設備也有所不同，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、磨床及成型較細微的特征或LOGO的雕刻機械等。現階段，這些加工設備往往都有普通型機床及數控型機床之分，普通型機床往往加工精度、效率較低，但其使用靈活性高，適應性較強，數控型機床加工精度、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，良好的化學穩定性，較高的抗枯結、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濟性，其中前三項常常作為是刀具材輯應具備的基本性能。常用的刀具材料按照材質不同來劃分，一般有:工具鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼)、高速鋼、硬質合金、陶瓷、超硬刀具材料。

3.2 常用刀具材料的性能對比

現階段模具加工刀具材料日常使用最多的是高速鋼、硬質合金、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雜的刀具。

硬質合金的主要成分是合金碳化物，具有高硬度、高熔點和化學穩定性好等特點。因此，硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性均超過高速鋼，切削溫度達800℃ ～1000℃時仍能進行切削，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合金好得多，因此到目前為止，高速鋼仍是世界各國制造復雜、精密和成形刀具的基本材料，是應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，應根據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、加工設備的狀況選擇合適材質、幾何參數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、進給量、切削速度以及刀具耐用度的大小，要綜合考慮生產率、加工質量和加工成本。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，則必須使用硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷和立方氮化硼(CBN)。隨著刀具業的發展，高速鋼一般應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合金和陶瓷刀具，近年來CBN(立方氮化硼)燒結體刀具應用逐年增加，其切削速度可達1000m/min以上，而且刀具壽命非常穩定，這個速度遠勝于硬質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的產品缸蓋鑄造模為例，簡要說明金屬鑄造模具加工工藝路線的確定過程。缸蓋產品鑄件如下圖:

圖1 缸蓋產品鑄件圖

該鑄件因結構復雜，加工工藝較繁雜，僅取其局部舉例說明。首先，根據模具設計工藝要求，材料是HT250鑄造毛坯(鑄件:拋丸清理態交付給車間)，為消除鑄造應力、改善金屬組織和加工性能力進行正火處理，然后按照各零件圖要求預留加工下工序加工余量，進行加工，開粗前需要經過確定尺寸基準，確定裝夾方式及位置，最后根據車間生產狀況、設備狀況，精度要求確定使用機床，編好工藝卡并審核批準后下發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HT250):

1.下料:鑄造HT250材質毛坯，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向高度基準面;X、Y向取中線為基準。

4.粗銑型腔:選用加工中心或者數控銑床，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，多采用電加工或設計為鑲嵌結構，減少加工難度，降低加工成本，也節約時間。一般需預留拋光余量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，如果需要還應做適當調整。

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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，本科學歷，講師，研究方向:金屬材料與熱處理。