落料凹模的工艺设计与制造

毕业设计论文

课题名称: 落料凹模的工艺设计与制造

系 别 机 电 工 程 系

专 业 模具设计与制造

班 级 模具200701班

姓 名 何 祥 月

学 号 200703071127

指导教师 郭 胜

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目 录

设计任务 ......................................................................................................................................................... 2 一、绪论 ......................................................................................................................................................... 4 （一）概述 ................................................................................................................................................... 4 （二）冲压技术的进步 ............................................................................................................................... 4 （三）模具的发展与现状 ........................................................................................................................... 4 （四）模具CAD/CAE/CAM技术 ............................................................................................................. 5 二、工艺方案的制定 ..................................................................................................................................... 6 （一）零件的结构及工艺分析 ................................................................................................................... 6

1. 模具的结构分析 .............................................................................................................................. 6 2. 模具材料及热处理分析 .................................................................................................................. 6 3. 零件毛坯形式选择 .......................................................................................................................... 7 4. 精度要求分析 .................................................................................................................................. 7 （二） 拟定工艺方案 ................................................................................................................................. 7

1.拟定工艺方案 .................................................................................................................................... 8 2.工艺过程的制定 ................................................................................................................................ 8 3.落料凹模数控线切割加工程序的编制 ............................................................................................ 8 （三）Cr12钢线切割开裂的原因与预防措施 ........................................................................................ 10 落料凹模加工工艺卡 ................................................................................................................................... 11 总 结 ........................................................................................................................................................... 12 谢 辞 ........................................................................................................................................................... 12 参考文献 ....................................................................................................................................................... 13

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设计任务

工件制品如图0-1所示，单件生产，根据落料凹模的图纸和质量技术要求，拟定合理的工艺方案，完成落料凹模的加工。

名称：落料凹模 材料：Cr12

技术要求：尺寸精度为IT7-8级，热处理后硬度为60～HRC 批量：单件

图0-1

本模具的设计过程： 1. 分析工件的工艺性 2. 拟定工艺方案 3. 制定工艺过程 4. 编写数控加工程序 5. 编制加工工序卡

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落料凹模的工艺设计与制造

【摘要】在现代工业生产中，模具已经成为生产各种工业产品不可缺少的重要工艺装备，随着我国工业的不断发展，模具的重要性更是不可代替。提高模具制造水平，保证模具质量、降低生产成本以及先进模具制造技术的开发应用是模具制造业的重要课题。

本设计说明书包括: 模具结构的分析、材料性能的分析、材料的热处理、落料凹模板类成型零件的加工工艺、数控线切割加工编程的编制、制品的基本参数的计算及设备的选用及落料凹模结构草图的绘制等。

本设计分析了典型落料凹模板类成型零件的加工工艺、零件材料及热处理要求，提出了可采用的工艺方案及规程，对于型孔类成型零件采用数控线切割加工的程序编制方法及要点。通过本设计，可以对落料凹模有一个基本的认识，注意到设计中的某些细节问题，了解模具结构及其加工工艺。

【关键词】落料凹模；热处理；数控线切割编程

abstract

In modern industrial production, mold production of various industrial products has become an indispensable technology and equipment, along with the continuous development of our industry, the importance of the mold is irreplaceable. Raise the level of mold manufacturing, mold to ensure quality, reduce production cost and advanced technology development and application of mold is the mold manufacturing industry an important issue. The design specification include: the analysis of die structure, the analysis of material properties, materials, heat treatment, forming a template class blanking concave parts processing, CNC wire cutting program preparation, the basic parameters of products and equipment used in the calculation and drop die structure of materials such as drawing sketches.

The design of a typical Au template class blanking processing molding parts, parts materials and heat treatment requirements proposed Process and procedures can be used for the type Hole forming parts using CNC wire cutting of programming methods and elements. Through this design, blanking die can have a basic understanding of the design of some of the details of the note issue, understand the mold structure and processes.

[key word] Blanking die; heat treatment; CNC wire cutting program

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一、 绪 论

(一) 概述

冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有

很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。

在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。

(二) 冲压技术的进步

进几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃[1]。

现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造(如图)。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。

冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式—计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。

(三) 模具的发展与现状

模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐日益加快，“十一五期间”产品发展重点主要应表现在 ： （1）汽车覆盖件模； （2）精密冲模；

（3）大型及精密塑料模；

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（4）主要模具标准件；

（5）其它高技术含量的模具。

目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，其中，冲压模占模具总量的40%以上，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距。

(四) 模具CAD/CAE/CAM技术

冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。

20世纪60年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。

模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化[4]。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。

模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快，应用范围更广。

我国从上世纪90年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等。

展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展，本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在：

（1）模具CAD/CAM的专业化程度不断提高；

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（2）基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪； （3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目； （4）与先进制造技术的结合日益紧密。

二、工艺方案的制定

（一）零件的结构及工艺分析

如图2-1所示零件为一落料凹模，零件材料为Cr12，要求热处理后硬度为60～HRC，其它技术要求见图。

图2-1

1. 模具的结构分析

由图1可知该零件为典型的型孔板类零件，其外形尺寸为120mm x 80mm x 17mm，成型部分为不规则型孔，由线段和凸、凹圆弧组成，其下端加工有漏料孔，另有直径为8mm的安装孔及直径为4mm的定位孔，均为通孔。

从模具制造工艺的角度来分析，该成型零件可按单型孔板类零件来加工。

2. 模具材料及热处理分析

模具材料是模具的制造基础，合理选择材料，正确实施热处理工艺是保证模具寿命，提高模具质量和使用效能的关键技术。选择模具材料应考虑其使用性能要求和工艺性能要

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求。该零件为落料凹模，选择低变形冷作模具钢Cr12作为模具材料，其主要化学成份(w%):

碳C:2.00～2.30 硅Si: ≤0.40 锰Mn: ≤0.40 硫S:≤0.030 磷P: ≤0.030 铬Cr:11.5～13.0

镍Ni:允许残余含量≤0.25 铜Cu:允许残余含量≤0.30 钴Co: ≤1.00。 Cr12是应用广泛的冷作模具钢，由于它具有高的含碳量和含铬量，形成大量的碳化物和高合金度的马氏体，使钢具有高硬度、高耐磨性，铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性，但冲击韧性差。Cr12主要用作冲击负荷较小，要求耐磨的冷冲模及冲头、冷切剪刀、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺纹滚模等。

Cr12的力学性能：退火269～217HBS，压痕直径3.7～4.1mm，淬火后＞60HRC Cr12淬火温度：

Cr12具有良好的淬透性，在950℃～980℃淬火油冷后，二次回火550℃，硬度可达59～63HRC。

3. 零件毛坯形式选择

根据该零件结构、材料及使用性能要求确定毛坯为锻件，锻造时采用多向镦拔法，锻件残余网状碳化物，带状碳化物及碳化物偏析三项<2级，锻后进行等温球化退火。

4 .精度要求分析

该零件为成型零件，有较高的加工精度要求。选择加工工艺及方法时应充分考虑这方面的要求，进而保证零件的使用质量及使用寿命。

(1)尺寸精度：主要是成型部分尺寸精度及定位孔的尺寸精度要求较高。

(2)形位精度：山下外表面有平行度要求，相邻外表面有垂直度要求，成型部分应保证形状精度。

(3)表面粗糙度：成形部位Ra1.6，重要定位面Ra0.8，其它部位为Ra0.8~Ra6.3。

5.加工设备的选择

综合分析零件各部分结构及学校设备，选择普通铣床、万能磨床、普通钻床、及数控线切割机等设备。

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（二） 拟定工艺方案

1.拟定工艺方案

对复杂型面凹模制造工艺应根据凹模形状、尺寸、技术要求并结合本单位设备情况等具体条件来进行制定。该落料模零件可考虑采用以下两种加工方案：

（1）下料－锻造－退火－铣（刨）六面－平磨－钳（划线，做各孔）－钳工压印－精铣内形－钳修至成品尺寸－淬火－回火－平磨－钳磨抛光。

（2）下料－锻造－退火－铣（刨）六面－平磨－划线－钳工（做各孔及钻中心工艺孔）－铣落料孔－淬火－回火－平磨－数控线切割－钳工研磨。

第一种方案为传统的加工方法做，先用仿形刨或精密铣床等设备将凸模坯上压印，然后借助精铣和钳工研配的方法来加工凹模。

第二种方案采用电火花线切割设备加工。淬火前划线铣出漏料孔，淬火后电火花线切割成形部分；若凸模设计为直通式结构，也可使用同一线切割程序加工，这样可以保证凸、凹模形状及配合间隙。

2. 工艺过程的制定

本文采用数控线切割加工方案来制定具体的工艺过程，主要工艺见下表： 序号 工序名称 工序主要内容 1 下料 锯床下料Ф56x105mm 2 锻造 锻六方125x85x22mm 3 热处理 退火≤230HBS 4 立铣 铣六方至120.6x80.6x17.6mm 5 平磨 磨六面 对90° 6 钳 倒角、去毛刺、划线，做各孔 7 工具铣 钻线切割穿丝孔、铣漏料孔 8 热处理 淬火、回火60—HRC 9 平磨 磨上、下及基准面，对90° 10 线切割 找正，切割型孔留研磨量0.01—0.02mm 11 钳 研磨型孔

3.落料凹模数控线切割加工程序的编制

（1）设电极丝直径为Ф0.15mm，单边放电间隙为0.01mm。

（2） 建立图2编程坐标系，按平均尺寸计算凹模刃口轮廓坐标交点及圆心，具体数据如下表：

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图 2

交点及 X Y 交点及 X Y 圆心 圆心

A 4.1124 11.2987 F -52.025 -16.0125 B -8.0843 16.0125 G -8.0843 -16.0125 C -52.025 16.0125 H 4.1124 -11.2987 D -52.025 8.9242 O 0 0 E -52.025 -8.9242 O’ -60 0

间隙补偿量为：ƒ = r+δ=(0.075+0.01)mm = 0.085mm

选O点为穿丝孔，按O－A－B－C－D－E－F－G－A－O的顺序切割，程序如下：

AM. ISO

G92 X0 Y0 G41 D85

G01 X4112 Y11299 G01 X-8084 Y16013 G01 X-52025 Y16013 G01 X-52025 Y24

G02 X-52025 Y-24 I-7975 J-24 G01 X-52025 Y-16013 G01 X-8084 Y-16013 G01 X4112 Y-11299

G02 X4112 Y11299 I-4112 J11299 G40

G01 X0 Y0

M02

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（三）Cr12钢线切割开裂的原因与预防措施

产生线切割裂纹的主要原因：

1.被切削表面产生了二次淬火层；

2.线切割造成的人为创伤，导致应力集中，工件即会发生开裂；

3.回火温度不够造成工件内部残余应力过大，而一般磨削不会造成应力集中，但线切割的细小缝隙可以造成很大的应力集中，因而磨削过程中没有开裂，可是在线切割时会开裂；

4.热处理淬火时保温时间和回火时间不当。 改进措施，预防模具开裂

1.对于硬度要求大于60HRC，型腔几何形状复杂的凸凹模，可在前先机加工成型孔（预留下加工余量），再进行热处理淬火回火（随炉冷却最好），线切割加工成型；

2.对于硬度要求在58-62HRC的凸模，回火温度要≥200℃（注意Cr12钢避开290-330℃脆弱区），最好随炉冷却； 3.淬火加温时温度保持在1000℃±40℃，对于小型模具（200x160mm以下）一定要保温2h左右，对于中型模具（200x160mm以上），温度到了以后，一定要保温4h左右，注意保护表面，不要被氧化； 4.充分消除淬火残余应力；

5.合理地预留线切割余量，线切割余量5-8mm，避开淬硬层余未淬硬层之间的过度区；

6.增加切通引留的释放支路，以释放内应力；

7.Cr12系列材料制作的大型模具，为了保证后续的磨削加工，线切割加工硬度不宜超过60HRC。

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落料凹模加工工艺卡

产品名称 工序 工装定位夹具 序号 1 2 3 4 5 6 铣削大平面A面； 以A面为基准面，铣削A面的对面，尺寸为17.6mm，保证与A面的平行度； 以A面为基准面，铣削A面的侧面B面，并保证与A面垂直； 以A面为基准面，铣削B面的对面，尺寸为120.6mm，保证与A面垂直； 以A面为基准面，铣削A面的侧面C面，并保证与A面垂直； 以A面为基准面，铣削C面的对面，尺寸为80.6mm，保证与A面垂直。 端铣刀 端铣刀 端铣刀 端铣刀 端铣刀 端铣刀 工作内容 落 落料凹模 1 平口钳 图号 工序名称 定位面 平面加工铣削 A面 刀具 产量 送检频次 定位方向 切削速度 37-80m/min 37-80m/min 37-80m/min 37-80m/min 37-80m/min 37-80m/min 刀口尺 游标卡尺 直角尺 游标卡尺 直角尺 游标卡尺 3 2 2 2 2 单件 铣削完检查一次 横向 量具 自测 频数 1 工 件 示 意 图 检查数目 编制 日期 何祥月 2010年4月8日 审核 日期 批准 日期 第11页 共13页

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总 结

此次毕业设计是我们从大学毕业生走向工作岗位极为重要的一步，从最初的选题、开题到计算、绘图、拟定工艺方案，最后到车间加工工件直到完成设计，其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改说明书，不断向车间的师傅们请教，每一个过程都是对自己能的一次检验和充实。

通过这次实践，我了解了落料凹模加工的基本程序，熟悉了简单模具的设计步骤，锻炼了自己模具设计与制造的实践能力，此次毕业设计是我对专业知识和专业基础知识的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析材料和模具的结构，学会了许多绘图技巧和对CAD/CAM的应用能力，较全面的掌握了Word编辑功能知识的运用，懂得了模具制造过程出现一些简单问题的解决方法，同时也对模具的发展前景有了一个更深层次的认识，使我更加明确了自己的发展方向。 毕业设计也暴露出了自己专业基础的很多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的性能不是很了解，不能分析得很透彻等，这些都显现出了我一千万的知识学得不够牢固，但这些问题都在郭老师的悉心指导和同学们的热情帮助下一一解决，这才使我能够较好的完成毕业设计任务，在此我向老师和同学们致以诚挚的谢意！

最后，由于我水平有限，设计中难免存在一些不足之处，诚恳期盼各位老师予以指正。

谢 辞

经过近半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的老师郭胜老师。郭老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等，整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是郭老师仍然细心地纠正设计中的错误。除了敬佩郭老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校——黄冈职业技术学院，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！

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参考文献

［1］李舒燕等编 《模具制造工艺》 大连理工大学出版社 2008.2 ［2］大连理工大学工程教研室编. 《机械制图》 高等教育出版社 1993.5 ［3］杨关全等编 《冷冲压工艺与模具设计》 大连理工大学出版社 2007.8 ［4］胡如祥等编 《数控加工编程与操作》 大连理工大学出版社 1990.7 [5]丁松聚丁主编《冷冲模设计》 北京机械工业出版社

[6]《互换性与测量技术基础》 湖南大学出版社 1998.10 [7]丁仁亮主编《金属材料及热处理》 北京机械工业出版社

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