凹模机械加工课程设计

引言

本课程设计是在完成《模具制造工艺学》学习的基础上，为了达到理论和实践结合的目的而进行的，对本人而言，我相信通过本次课程设计对自己未来从事的工作有一定的作用，从中锻炼自己处理问题、分析问题的能力，为今后很快的适应工作打下基础。

本课程设计包括以下几个方面的内容：

第一章、零件的技术要求分析

主要包括功能结构、尺寸精度、形位公差、表面质量、硬度要求等。

第二章、毛坯的选择及工艺分析

毛坯的选择，根据零件的要求，进行毛坯尺寸和公差等零件锻件图的确定。

第三章、机械加工工艺设计

机械加工工艺设计，包括对零件的铣削和磨削，零件的孔隙加工，工艺路线及工序内容的确定。

第四章、机械加工工艺过程卡

填写工艺过程综合卡片，根据前述各项内容以及加工简图，一并填入机械加工工艺过程卡片中。

第一章零件技术要求及结构分析

型腔是模具的重要成型零件，其主要作用是成形制件的外形表面，其精度和表面质量要求较高。型腔种类、形状、大小有很多种，有的表面还有花纹、图案、文字等，属于复杂的内成形表面。因此，其制造工艺过程复杂，制造难度较大。

型腔按其结构形式可分为整体式、镶拼式和组合式。按型腔的形状大致可分为回转曲面和非回转曲面两种。

对回转曲面的型腔，一般用车削、内圆磨削或坐标磨削进行加工制造，工艺过程比较简单。而非圆回转曲面型腔的加工制造要困难得多，其加工工艺概括起来有以下3个方面：

1.用机械切屑加工配合钳工修整进行制造，该工艺不需要特殊的加工设备，采用通用机床切除型腔的大部分多余材料，在由钳工精加工修整。它的劳动强度大，生产率低，质量不易保证。在制造过程中应充分利用各种设备的加工能力，尽可能减少钳工的工作量。

2.应用仿形、电火花、超声、电化学加工及化学加工等专用设备进行加工，可以大大的提高生产效率，保证型腔的加工质量。但工艺准备周期长，在加工中工艺控制复杂，有的还污染环境。

3.采用数控加工或模具计算机辅助设计与制造（即模具CAD/CAM）技术，可以加快模具的研制速度，缩短模具的生产周期，优化模具制造工艺和结构参数，提高模具的寿命。这种方法是模具制造技术的方

向。

1.1零件的作用

透镜注射模具定模型腔（如图1.1），位于模具中心位置。它是注射机的重要组成部分，模具的主要零件一般都是通过螺纹、导柱和导套等连接，已构成一副完整的模具。该四腔模具在起连接作用的同时，还起导向作用。该模具通过螺纹固定在定模座板上，属于定模部分，通过和动模的闭合决定制品的几何尺寸。

图 1.1二维平面图

上表面

下表面

图1.2三维零件图（ｐｒｏ／ｅ绘制）

1.2零件技术要求分析

一、上下表面技术要求

A．上下两配合面以保持平行，平行度偏差不超过0.02。

B．固定定模型腔的螺纹孔位置应该与定模座板孔一致，而且要求螺纹孔的轴线与上下表面垂直。

二、图纸总体分析

加工位置包括上下配合表面、四个侧面、四个环形（内环半径为30mm，外环半径为34mm）的型腔表面和四个半径为1mm的浇口、四个M10的螺纹孔和一个Φ12mm套孔。孔Φ12mm采用IT7级精度；C与A、B面垂直度误差不超过0.015mm，所以孔和螺纹孔的轴线与下表面垂直，上下表面即A、B面的平行度误差不超过0.02；每个加工表面满足图纸上的加工要求，即上表面粗糙度不超过0.8μm，所有型腔及流道，浇道表面的粗糙度不超过0.4μm，四个侧面表面的粗糙度不超过1.6μm，其余表面粗糙度不超过3.2μm。

该零件长宽均为130mm，外形尺寸采用IT6级精度，高为30mm 的板类零件，它由4个部分成型面，浇口、浇注系统和4个螺纹孔组成。其中4个螺纹孔用于安装连接固定定模座板.。

1.3硬度等机械性能要求

45钢是最常用的碳素结构钢，用于强度要求较高、韧性中等的零件，常在调质或正火状态下使用。

45钢调质后再高频要比未调质高频效果要好得多.高频淬火的主要原理是通过快速加热获得较大的过热度。奥氏体晶粒来不及转化而保持较细的晶粒来达到强化的目的。调质主要是为了使组织均匀化,增加高频淬火时奥氏体形核数量,避免碳偏析形成软点，有利于细化晶粒，因此高频后性能较好。

1.4零件结构工艺分析

零件的结构工艺性是指在满足使用性能的条件下，是否能以较高的生产率和最低的本钱方便地加工出来的特性。为了多快好省地把所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行具体的分析。零件切屑加工的结构工艺性涉及到零件加工时的装夹、对刀、测量、切屑效率等。零件的结构工艺性差会造成加工困难，耗费工时，甚至无法加工。结构工艺性好坏是相对的，与生产的工艺过程、生产批量、

装配条件和技术条件等因素有关。

对于四腔模可做如下分析：

（1）由图可知，结构尺寸都是规范化的，这样可以采用标准刀具和通用量具，使生产成本降低。

（2）型腔的结构形状简单，布局合理，并且各加工表面相互平行或垂直，这样方便了加工和测量。

（3）型腔对于各表面的精度和表面粗糙度要求合理。

（4）该零件，便于安装，易于定位，夹紧可靠，有相互垂直的表面，基本能在一次装夹加工中完成。

第二章毛坯的选择及工艺设计

2.1选择毛坯的类型

一、毛坯选择依据

确定毛坯主要考虑下列因素：

a.零件的材料及力学性能

零件材料大致确定了毛坯的种类，而力学性能的高低。也会一定程度上的影响毛坯的种类，如力学性能的要求较高的钢件，其毛培最好用锻件而不用型材。本零件选用锻件为佳。

b.生产类型

不同的生产类型决定厂不同毛坯制造方法。在大批量生产中，应采用精度和生产率都较高的先进的毛坯制造方法。该零件为锻件，因采用模锻口还应考虑用新工艺、新技术和新材料的可能性。

c.零件的结构形状和外形

在从分考虑上述两种因素外，有时零件的结构形状和外形也会影响毛坯的种类和制造方法。该设计为板类零件应选用锻件制坯。

为了满足定模板硬度及刚度要求，可选择零件材料为45钢。查文献5表1-1可知，45钢为中碳钢，热处理状态为退火或正火，其HB为175~225，可用硬质合金和高速钢刀进行切屑加工。考虑到注射模在工作过程中所需压力要求高，所以应选择锻件，已使零件金属纤维尽量不被破坏，保持零件工作可靠性。由于该零件坯料只需单件小批量生产，且零件坯料结构简单，查文献9表2-10可选自由锻。

二、毛坯结构尺寸的确定

毛坯形状和尺寸，基本上取决于零件形状和尺寸。零件和毛坯的主要差别，在于在零件需要加工的表面上，加上一定的机械加工余量，即毛坯加工余量。毛坯制造时，同样会产生误差，毛坯制造的尺寸公差称为毛坯公差。毛坯加工余量和公差的大小，直接影响机械加工的劳动量和原材料的消耗，从而影响产品的制造成本。所以现代机械制造的发展趋势之一，便是通过毛坯精化，使毛坯的形状和尺寸尽量和零件一致，力求作到少、无切削加工。毛坯加工余量和公差的大小，

与毛坯的制造方法有关，生产中可参考有关工艺手册或有关企业、行业标准来确定。毛坯尺寸如下图所示：

图2.1 毛坯尺寸

2.2毛坯制造工艺设计

自由锻工序：

自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，简称自由锻。

自由锻造的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等。

板类毛坯是用板材冲裁出来的可以是圆形，也可以是八边形或六边形。在用于锻造前的一些准备工序一般有：板材→冲压→退火→润

滑处理→自由锻。

第三章、机械加工工艺设计

3.1零件的机械加工工艺过程（工艺路线）

一、制定工艺路线

制定工艺路线的出发点，因当是零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能达到合理的保证。在以确定的生产纲领为单件小批生产的条件下，可以考虑采用立式铣床加工。除此之外，还应当考虑所选定的加工方法能否达到所需的加工精度和表面粗糙度，并符合经济性的要求。

据图1.1上零件粗糙度的要求，确定各工序加工路线如下：

平面加工：查文献3图2-1，要使外侧四面的粗糙度达1.6μm，可确定加工方案为粗铣→半精铣→精铣，要使配合面的精度达到0.8μm，可确定加工路线为粗铣→半精铣→磨削。

孔加工：查文献3图2-2，要使直径为12mm的孔和直径为10mm 的螺纹的粗糙度值不超过3.2μm，可确定加工路线为钻孔→扩孔→攻螺纹。

型腔和浇注系统加工：四个型腔和浇注系统要求精度值0.4μm，可确定加工方案为粗铣→半精铣→粗磨→精磨。

工艺路线方案：

工序1备料按140×140×35锻造毛坯

工序2热处理退火硬度小于等于240HB

工序3铣4边铣4边至图样要求尺寸

工序4粗磨上下面粗磨上下表面，留余量0.4

工序5划线划4*M10、Φ12孔中心线工序6铣浇道铣浇道圆球铣SR4

工序7加工孔系加工Φ12、4*M10孔

工序8铣型腔及浇口

工序9攻螺纹

工序10热处理

工序11磨六个面

工序12磨所有型腔及浇道，浇口

工序13检验

3.2工序内容的确定

一、机械加工的内容设计

1.工件的定位装夹、定位基准的选择

（1）工件的定位装夹

工件定位的方法有三种：

（a）直接找正法定位

直接找正法定位是利用百分表、划针或目测等方法在机床上直接找正工件加工面的设计基准使其获得正确位置的定位方法。

这种方法的定位精度和找正的快慢取决于找正工人的水平，一般来说，此法比较费时，多用于单件小批生产或要求位置精度特别高的工件。

(b）划线找正法定位

划线找正法定位是在机床上使用划针按毛坯或半成品上待加工处预先划出的线段找正工件，使其获得正确的位置的定位方法。

此法受划线精度和找正精度的限制，定位精度不高。主要用于批量小，毛坯精度低及大型零件等不便于使用夹具进行加工的粗加工。

(c) 使用夹具定位

夹具定位即是直接利用夹具上的定位元件使工件获得正确位置的定位方法。由于夹具的定位元件与机床和刀具的相对位置均已预先调整好，故工件定位时不必再逐个调整。此法定位迅速、可靠，定位精度较高，广泛用于成批生产和大量生产中。

本设计为单件小批量生产而且精度要求较高，可用直接找正法定位进行装夹。

（2）定位基准的选择

基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择的正确与合理可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。否则，加工工艺过程中会出现问题，更为严重的还会造成零件大批量的报废，使生产无法正常

进行。

（a）粗基准的选择

因为定模板型腔属于板类零件，根据基准选择原则可选用下表面为粗基准。

(b)精基准的选择

主要应该考虑基准统一原则。采用同一基准可以简化加工工艺和夹具的设计与制造工作，减少加工中的位置误差。定模板属板类零件的加工用上表面作为精基准，采用多次装夹分别加工个表面，保证型腔精度。

2.加工余量（工序余量）达到工序尺寸

一、六个平面加工余量

（1）粗铣查表取粗铣后半精铣加工余量z1=1.7mm，用盘铣刀进给速度为0.2m/min。

(2)半精铣半精铣后留磨削加工余量z2=0.3mm。

二、各工序内容的设计

工序1

备料按140×140×35mm将毛坯锻造成型。

由于定模板在工作压力状态中承受能力要求较高，而且结构形状简单所以选用锻件毛坯比较合理。为了满足为了满足定模板的硬度和刚度要求，可选择零件材料45钢，刀具选YT30硬质合金刀。选用三向镦拔的方式锻成方形毛坯。始锻温度1050-1100℃，终锻温度800-850℃,700℃以上风冷，加热时要经常翻动，加热时间为1-1.5min，

最后得到所要锻件。

工序2

热处理

退火：将工件加热到Ac1(+20~30℃)或Ac3(+30~50℃)以上（发生相变）或Ac1(+20~30℃)以下（不发生相变），保温后，缓冷下来，通过相变已获得珠光体型组织，或不发生相变以消除应力降低硬度的一种热处理方法。

锻件的退火工艺：选择高温保温时间3h，低温降火时间3h。

退火主要目的：

（1）降低硬度，提高塑性，改善切屑加工性能和压力工作性能。

（2）细化晶粒，调整组织，改善机械性能，为下步工序作准备。

工序3

铣4边：铣4边至图样要求尺寸。

工序4

粗磨上下面：磨上下表面，留余量0.4。

工序5

划线：根据孔径尺寸，手工进行划线。弹簧中心冲用于划线和打中心眼。使用时，将锥尾装入9机床主轴锥孔内，利用硬质合金顶尖在工件上划线或打中心眼。打中心眼时，只要转动手轮，是手轮上的斜面将栓销向上推，顶尖提升并压缩弹簧。当栓销达到斜面后位置

而继续以划线为定位基准，首先利用弹簧中心冲在工件各孔中心上画出互相垂直的线，而后，移动工作台利用光学中心测定器进行找正时机床主轴中心对准被加工的中心。

工序6

铣浇道：按照孔的直径大小先选用立式钻床Z518 功率为1KW 转速为940r/min 选择直柄麻花钻（GB1436－85）加工达到尺寸要求，留有精加工余量，再通过铣床对其进行粗铣，半精铣留磨削余量工序0.3mm。

工序7

加工孔系：钻Φ12孔并扩孔、Φ10mm螺纹孔。选择钻头分别对12和10的孔进行加工，转速为0.25mm/r，材料为S2、S3，切屑速度为21m/min，钻好后换扩孔钻对12的孔进行扩孔使符合尺寸要求，在进行绞孔。

工序8

铣型腔及浇口：选择半径为1mm的球头铣刀，对号中心眼，选粗向里进给（3-0.81）mm的量，留0.81的余量，在精铣进给0.5mm，留0.31mm的磨削余量。在换2mm的球头铣刀，对好中心眼，先粗铣向里进给（4-0.81）mm，在精铣进给0.5mm，留0.31mm的磨削余量。

工序9

攻M10螺纹：根据直径选高速钢螺母丝W18Cr4V的材料，对个直径为10mm的螺纹查表的取其螺距P=1.5mm的，速度为15m/min，进给到一定深度。攻完后在铣螺纹，使螺纹达到技术要求。

热处理：整体热处理是对工件整体加热，然后以适当哦能够有的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火是将工件加热到一定的温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为近一步淬火作组织准备。

正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切屑性能，也有时用于对一些要求不高的的零件作为最终热处理。

淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

回火是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。

磨平面和轮廓面：根据板类零件的尺寸选择卧式轴矩台，平面磨床类型为MM7112，功率为2.625kw，砂轮轴转速为2810r/min。先粗磨0.2mm的量，在精磨0.1mm的量即达到要求。

工序12

精磨所有型腔及浇道，浇口：选内圆磨床MZ208进行粗磨所有型腔及浇口，预留精磨余量0.1mm，再选MM7132卧式轴矩台平面磨床磨浇道，预留精磨余量工序0.1mm在精磨，预留研磨余量0.01mm.再选研磨机对所有型腔、浇道、浇口进行研磨达到技术要求。

工序13

检验：按图纸检验是否符合要求。

三、热处理工序设计

1.预先热处理

为解决最终热处理中难以解决的问题或使最终热处理的可靠性提高的热处理都可以称为“预先热处理”。比如：退火、调质、去应力、正火等。

预先热处理主要是细化晶粒，使组织均匀化，这样也可以降低材料自身的残余应力，而淬火过程中的加热时间相对较短难以达到此效果。粗大的晶粒，不均匀的组织及较大的残余应力都会增大淬火裂纹出现的概率，所以一般要进行预先热处理。

2.最终热处理

最终热处理的目的是提高硬度、耐磨性和强度等力学性能。

（ 1 ）淬火淬火有表面淬火和整体淬火。其中表面淬火因为变形、氧化及脱碳较小而应用较广，而且表面淬火还具有外部强度高、耐磨性好，而内部保持良好的韧性、抗冲击力强的优点。为提高表面淬火零件的机械性能，常需进行调质或正火等热处理作为预备热处理。其一般工艺路线为：下料--锻造--正火（退火）--粗加工--调质--半精加工--表面淬火--精加工。

（ 2 ）渗碳淬火渗碳淬火适用于低碳钢和低合金钢，先提高零件表层的含碳量，经淬火后使表层获得高的硬度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性和塑性。渗碳分整体渗碳和局部渗碳。局部渗碳时对不渗碳部分要采取防渗措施（镀铜或镀防渗材料）。由于渗碳淬火变形大，且渗碳深度一般在0.5~ 2mm 之间，所以渗碳工序一般安排在半精加工和精加工之间。其工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗、半精加工→渗碳淬火→精加工。

当局部渗碳零件的不渗碳部分采用加大余量后，切除多余的渗碳层的工艺方案时，切除多余渗碳层的工序应安排在渗碳后，淬火前进行。

（ 3 ）渗氮处理渗氮是使氮原子渗入金属表面获得一层含氮化合物的处理方法。渗氮层可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳强

度和抗蚀性。由于渗氮处理温度较低、变形小、且渗氮层较薄（一般不超过0.6~ 0.7mm ），渗氮工序应尽量靠后安排。

第四章、机械加工工艺过程卡

4.1机械加工工序卡