铸造金属模具的加工

铸造金属模具的加工
何奕华唐朝
韶铸集团有限公司热精锻分厂广东韶关 512031
摘要：本文介绍了现今常用的铸造模具加工方法及工艺特点、对应机械设备及加工刀具的选用方法，并以缸盖铸造模的加工为实例，简要说明铸造模具加工工艺路线的确定过程。
关键词：铸造模具加工方法及设备刀具选用
1 引言
由于我国机械、电子、轻工、仪表、交通等工业部门的蓬勃发展，对铸造模具的需求在数量上越来越多，质量要求越来越高，供货期越来越短。因此引起了我国有关部门对铸造模具工业的高度重视，在加工方面，数控机床的广泛使用不仅保证了铸造模具零件的加工精度和质量，而且以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，比传统的切削加工效率提高几倍甚至十几倍。一些上规模、上水平的铸造模具厂不断涌现，使我国的铸造模具工业又有了长足的发展。
2 铸造模具的常用加工方法及设备
就目前情况来看，铸造模具的加工方法可分为铸造方法、切削加工方法和特种加工方法3大类。表2-1为铸造模具常用加工方法及工艺特点。
表2-1 铸造模具常用加工方法及工艺特点
加工方法分类加工
精度主要
技术加工技术要求后工序加工
型腔类通孔类
铸造法制造模具
锌合金铸造 √ √ 一般铸造型腔制作不需要
低熔点合金铸造 √ 一般铸造型腔制作不需要
肖氏铸造法 √ 一般铸造型腔制作表面处理
铍铜合金铸造 √ 一般铸造型腔制作不需要
合成树脂浇注 √ 一般铸造型腔制作不需要
切削加工法制造模具
普通切削机床加工 √ √ 一般熟练手工精加工
精密切削机床加工 √ 精密熟练不需要
仿型铣床加工 √ 精密一般仿型模型手工精加工
雕刻机加工 √ √ 一般一般仿型模型手工精加工
图形显示仪粗一般手工精加工
数控机床加工 √ √ 精密一般编程手工精加工
特种加工方法制造模具
冷挤压加工 √ 精密冷挤冲头不需要
超声波加工 √ √ 精密悬挂模型手工精加工
电加工 √ √ 精密电极制造手工精加工
电解加工 √ √ 粗电极制造手工精加工
电解磨削 √ 精密成型模型不需要
电铸 √ 精密模型不需要
腐蚀加工一般图纸不需要
根据工艺要求的不同，铸造模具常用的设备也有所不同，一般包含车削加工用的各种车床、加工孔类的钻床、镗床，成型各种平面或曲面的铣床、磨床及成型较细微的特征或LOGO的雕刻机械等。现阶段，这些加工设备往往都有普通型机床及数控型机床之分，普通型机床往往加工精度、效率较低，但其使用灵活性高，适应性较强，数控型机床加工精度、效率高但一般使用前需要编程，使用灵活性不足。
3 铸造模具加工刀具的选用
3.1铸造模具加工常用刀具的材料
模具加工使用的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，较高的耐热性和传热性，良好的化学稳定性，较高的抗枯结、抗扩散、抗氧化性能，较好的抗塑性变形件能和耐热冲击性能和较好的工艺性和经济性，其中前三项常常作为是刀具材辑应具备的基本性能。
常用的刀具材料按照材质不同来划分，一般有：工具钢（碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料。
3.2 常用刀具材料的性能对比
现阶段模具加工刀具材料日常使用最多的是高速钢、硬质合金、陶瓷。高速钢的特点是工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。
高速钢按切削性能可分为普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。粉末冶金高速钢适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。
硬质合金的主要成分是合金碳化物，具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性均超过高速钢，切削温度达800℃～1000℃时仍能进行切削，且切削速度可提高 4～10倍。其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差。
高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多，因此到目前为止，高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。
陶瓷刀具适用于钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。
3.3 一般铸造模具加工刀具的选用
一般铸造模具加工刀具的选用，应根据加工的坯料切削加工性能、所使用的切削液、坯料已加工的表面状况、加工设备的状况选择合适材质、几何参数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机床性能合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能(功率、扭矩)，在保证质量的前提下，使得切削效率最高和加工成本最低的切削用量。
制定切削用量就是确定工序中切削三要素背吃刀量、进给量、切削速度以及刀具耐用度的大小,要综合考虑生产率、加工质量和加工成本。
硬度是影响金属切削性能的一个重要因素。一般规律是钢越硬，就越难加工。高速钢(HSs)可用于加工硬度最高为330—400HB的材料：高速钢+钛化氮(TiN)涂层，可加工硬度最高为45HRC的材料；而对于硬度为65—70lHRC的材料，则必须使用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷和立方氮化硼(CBN)。
随着刀具业的发展，高速钢一般应用在成型刀具较普遍，加工40HRC以下的普通钢等材料时，我们一般选用金属陶瓷刀具，这种刀具在v=300m/min以上的高速切削条件下，可获得良好的加工表面粗糙度与较长的刀具寿命。对于加工HT250、QT500等铸铁材料，我们一般可以采用硬质合金和陶瓷刀具，近年来CBN（立方氮化硼）烧结体刀具应用逐年增加，其切削速度可达1000m/min以上，而且刀具寿命非常稳定，这个速度远胜于硬质合金和陶瓷材料的刀具。

4 缸盖铸造模实例
以下用金宝公司的客户美国某重型车辆系统的产品缸盖铸造模为例，简要说明铸造模具加工工艺路线的确定过程。
缸盖产品铸件如下图：

2-2 缸盖产品铸件图
该铸件因结构复杂，加工工艺较繁杂，仅取其局部举例说明。
首先，根据模具设计工艺要求，材料是HT250铸造毛坯（铸件：抛丸清理态交付给车间），为消除铸造应力、改善金属组织和加工性能力进行正火处理，然后按照各零件图要求预留加工下工序加工余量，进行加工，开粗前需要经过确定尺寸基准，确定装夹方式及位置，最后根据车间生产状况、设备状况，精度要求确定使用机床，编好工艺卡并审核批准后下发工艺文件至操作者实施，下工序类似。
具体流程如下(模板材质HT250)：
1、下料：铸造HT250材质毛坯，毛坯尺寸为实体尺寸单边加5mm余量；
2、开粗：选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：选用平面磨床磨底平面光洁度到Ra0.8，作为Z向高度基准面；X、Y向取中线为基准；
4、粗铣型腔：选用加工中心或者数控铣床，一次装夹利用刀库自动换刀高速钢铣刀铣出型腔，余量一般留0.3mm；
5、精铣型腔：同粗加工机床及装夹不动，精加工、清角，高速钢（精加工）和硬质合金（清角）。刀具长度或直径不足已加工到工序尺寸的深度，多采用电加工或设计为镶嵌结构，减少加工难度，降低加工成本，也节约时间。一般需预留抛光余量0.05～0.1左右；
6、磨修：精加工后一般还需要打磨抛光，配模试制等工作，如果需要还应做适当调整。
参考文献：
[1] 符炜实用切削加工手册湖南科学技术出版社 2003
[2] 肖诗纲刀具材料及其合理选择(第二版) 机械工业出版社 1981
[3] 胡石玉精密模具制造工艺东南大学出版社2004
[4] 陆建中金属切削原理与刀具第4版机械工业出版社2006
[5] 王健石机械加工常用刀具数据速查手册机械工业出版社2005
[6] 陈锦渠金属切削原理与刀具 21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材中国林业出版社 2009