铸造模具技术讲课(2015年7月13日+方建儒)

NC 加工式
模具图
一、模具行业宏观论述
模具设计与加工流程
从零件设计至装配调试前的流程展开：
零件设计
客户图档
修补残缺及尺寸调整
零件检查
浇注模拟
决定浇铸口
分析零件拔模斜度及厚度
指定缩尺
模具设计
模具中心及模仁辅料
决定分模面位置
产生公母模
模具图
组合模芯与模座
决定顶针位置
制作浇道
制作水道
NC加工
选择机器
选择刀具
一、模具行业宏观论述
2015年4月将开始兑现和实施《京都议定书》中关于 削减二氧化碳排放的计划与约定内容，各行各业都 在开始为之准备和布局产业结构，模具行业为先导 行业，必将迎来一次大的机遇。2014年中国铸件连 续15年蝉联世界首位，总产量达到了4450万吨，产 值达到了7500亿元人民币。金属铸造模具是铸造生 产中最重要的工艺装备之一，占到中国模具总量的 9%左右。
(1)加工精度高，形状复杂。
模具的工作部分一般都是二维或三维的复杂曲面。一般来说，模具工作
部分的制造公差都应控制在±0.01 mm以内，模具加工后的表面不仅不 允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8 ，需应
用各种先进的加工方法才能保证加工质量。复杂模具由数百上千个零件
组成，价格高的模具每套几百万元。
翻边零件 压筋零件
塑料模具制品
模具标准件
塑料模具
冲压模具
模具生产机床
一、模具行业宏观论述
铸造是指将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固， 并进行处理后，最终成为金属制品的一种生产方式。 根据铸造生产工艺的不同又可分为砂型铸造、压力 铸造、重力铸造、熔模铸造、壳型铸造、消失模铸 造等。铸造方法不同，所用的铸造模具就有所不同， 其中砂型铸造和压力铸造是两种铸件产量比较大的 铸造方法。
二、铸造模具行业发展现状
铸造模具高寿命技术 1. 高性能压铸模具和低压铸造模具材料几乎全 部为进口； 2. 各类铸造模具基本上无表面处理； 3. 模具寿命偏低； 4. 砂型铸造模具以普通厢式炉热处理为主，压 铸模具开始采用真空热处理技术。
三、铸造模具先进制造技术
1. 与国际先进水平相比，铸造模具精度偏低，铸 件废品率偏高，铸造模具寿命偏低，导致大量 高端模具依赖进口。 2. 在汽车结构件高真空压铸模具等方面还处于空 白阶段。 3. 对高端发动机缸体、高档自动变速器等大型精 密压铸模具技术缺乏开发经验； 4. 在无机树脂铝合金缸盖重力铸造模具和结构件 挤压铸造模具方面，处于起步阶段；
一、模具行业宏观论述
模具的主要加工方法
将模具材料(金属或非金属)加工成模具的方法，主要有常规机械加工 、特种加工以及塑性加工、铸造和焊接加工方法等。
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1. 常规机械加工
常规机械加工(即传统的切削加工)是模具制造中不可缺少的一种重要 的加工方法。例如车削加工、铣削加工、磨削加工、钻削加工等。
常规机械加工的明显特点是用相同的机床和工具可以加工出各种形 状和尺寸的工件。但是，用常规机械加工方法加工复杂的形状时， 其加工速度很慢，硬的材料也难于加工；材料的利用率不高；而且 还要求有熟练的操作工人。尽管如此，在模具制造过程中常规机械 加工仍然是主要的加工手段。
、制造周期都比较长。
一、模具行业宏观论述
模具的生产和工艺特点
(4)生产周期短。
当前由于新产品更新换代的加快和市场的竞争，客观上要求模具生
产周期越来越短。
(5)试模和试修。
由于模具生产的上述特点和模具设计的经验性，模具在装配后必须 通过试冲或试压，最后确定是否合格。同时有些部位需要试修才能最
后确定。因此在生产进度安排上必须留有一定的试模周期。
一、模具行业宏观论述
模具行业产品的分类
模具行业属于专用设备制造业且品种繁多，共有10大类
46小类，包括冲压、塑料、橡胶、铸造、锻压、挤压等类 型，是一种涵盖各种用于金属和非金属成形的特殊装备。
根据调查与统计，人们常见的工业产品有60%～90%的零件需要用模具成形。
一、模具行业宏观论述
多工位级进模具
三、铸造模具先进制造技术
模具CAD/CAE/CAM/CAPP技术
铸件设计
模具设计
铸造模拟
铸造生产
铸造合金材料 铸造工艺选择与确定 铸件结构设计
加工余量 收缩率 浇注系统 溢流系统 冷却系统 加热系统 液压系统 电控系统
优化
流动模拟 凝固模拟 疏松模拟 热节模拟 热平衡模拟 结构分析
工艺参数的设臵与调试 铸件检测及质量控制
遍，使模具加工向高技术密集型发展。
一、模具行业宏观论述
模具的生产和工艺特点
2. 模具的工艺特点
由于我国模具加工的技术手段还普遍偏低，同时又有上述生产特点， 当前我国模具制造上的工艺特点主要表现如下： (1)模具加工上尽量采用万能通用机床、通用刀量具和仪器，尽可能 地减少专用二类工具的数量。
(2)在模具设计和制造上较多的采用“实配法”、“同镗法”等，使 得模具零件的互换性降低，但这是保证加工精度，减小加工难度的有 效措施。今后随着加工技术手段的提高，互换性程度将会提高。 (3)在制造工序安排上，工序相对集中，以保证模具加工质量和进度 ，简化管理和减少工序周转时间。
一、模具行业宏观论述 随着我国汽车制造业快速发展和轻量化制造技术进步， 铸造模具（主要是汽车铸造模具）迎来了快速发展的大 好时机。近年来，随着国家节能减排战略的实施，高真 空压铸、低压铸造、差压铸造以及挤压铸造等轻合金铸 造技术高速发展，铸造模具产值以超过25%以上的速度 逐年增长。铸造模具近年来虽然取得了较大的技术进步， 但与发达国家仍然具有很大的差距。随着汽车轻量化战 略的实施，未来十年甚至二十年越来越多的汽车发动机 系统、变速器系统、悬架系统、甚至车身结构件将逐渐 实现由黑色金属向铸造有色金属的转变，铸造模具将进 入一个高速发展的黄金时期。同时，也将有力的促进电 子、航空、航天、建筑等行业的发展。
时并存。大部分企业主要以数字控制阶段为主，但同时仍有不少企业
停留在手工操作加机械化阶段。纯粹手工操作阶段已成为历史，今后 的发展方向是CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化。模具无纸化制造
将逐渐替代传统的设计和加工。
一、模具行业宏观论述
模具设计与加工流程
零件设计
浇注模拟
模具设计
选择模座
装配调试
电极及线 切割加工
三、铸造模具先进制造技术
1、模具高真空技术
模具的密封是高真空压铸的难点，包括分型面、全部杆件、其它活动及漏 气部分。密封方式一般采用密封条或高温油脂密封。真空压铸生产稳定性 是衡量真空系统及模具密封结构优劣的重要条件。
三、铸造模具先进制造技术
2、模具热平衡技术
热平衡系统智能化、自动化是压铸模具热平衡系统发展的终极目标。模具的重要部位 设臵温度传感器，通过压铸机的智能控制系统自动调整模具的工作温度，实现压铸过 程温度控制自动化的目标。快速冷却技术，高导热材料，钨基粉末冶金材料等。
造中得到越来越广泛的应用，并成为模具加工中的一种重要方法。
一、模具行业宏观论述
模具的主要加工方法
一、模具行业宏观论述
模具的主要加工方法
特种加工方法的分类
二、铸造模具行业发展现状
名称 产值 主要产品 主要用户 设 编 计 程 人员 数 钳 控 工 主要设备 总 数 深 三 人 控 孔 坐 数 钻 标 60 320 37 2 3 合 模 机 3
宁波合 力模具
宁波辉 旺机械 广州型 腔模具
共立精 机司 一汽铸 模
压铸模具（缸体 皮尔博格、 5 18 0 EA211、变速箱）、 上汽 重力浇注模(EA211、 EA888)、热冲压模具 1.0亿 压铸模具（缸体、变 吉利、徐 2 12 0 航等 （出口 速器、结构件） 0.3亿） 北美出口 1.5亿 压铸模具（缸体、变 重庆长安、 3 8 （出口 速器、电梯级、结构 广州鸿图 2 0.6亿） 件） 等、 欧洲出口 1.0 压铸模具（缸体、变 本田汽车 - 速器）
一、模具行业宏观论述
模具的生产和工艺特点
(6)模具加工向机械化、精密化和自动化发展。 目前产品零件对模具精度的要求越来越高，高精度、高寿命、高 效率的模具越来越多。而加工精度主要取决于加工机床精度、加工
工艺条件、测量手段和方法。
目前精密CNC高速铣床、五轴加工中心、精密数控电火花线切割机
床、以及三坐标测量机、白光扫描仪等先进设备的应用越来越普
一、模具行业宏观论述
模具的生产和工艺特点
(2)模具材料优异，硬度高。 模具的主要零件多采用优质合金钢制造。这类钢材从毛坯锻造、加 工到热处理均有严格的要求。热处理变形也是加工中需认真对待的问
题。
(3)单件生产。
模具不是直接使用的产品，而是为生产产品而制造的工艺装备，这就
使模具生产具有单件小批生产的特点。通常，每制造一副模具，都必 须从设计开始，大约需要一个多月甚至几个月的时间才能完成，设计
三、铸造模具先进制造技术
压铸模具整体优化设计
压铸动态过程
压铸过程整体有 限元模型建立 模具温度场 铸件应力
模具热平衡
模具热应力 整体单元710万
-350 -300 -250
Stress(MPa)
-200 -150 -100 -50 0 50 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
设定程序
路径编辑
产生GM码
产生加工程序单
一、模具行业宏观论述
模具制造流程
一、模具行业宏观论述
模具的生产和工艺特点
模具制造属于机械制造的研究范畴，但一个机械制造能力较强的企业
，未必都能承担模具制造任务，更难保证制造出高质量的模具。因为模 具生产制造难度较大，与一般机械制造相比，有许多特点：
1. 模具的生产特点
一、模具行业宏观论述
模具的主要加工方法
特种加工相对于常规机械加工，有如下特点： (1) 加工情况与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚。 (2) 工具与工件一般不接触，加工过程不必施加明显的机械力。 (3) 可加工各种复杂形状的零件。 (4) 易于实现加工过程自动化。
正因为特种加工有上述这些可贵的特点，所以特种加工在模具制
一、模具行业宏观论述
模具的主要加工方法
2. 特种加工
特种加工从广义上说，是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需 要在加工过程中施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、声 能、光能等来除去工件上的多余部分，以达到一定的形状、尺寸和表 面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成形加工、电火花线切割 加工、电解加工、电化学抛光、电解磨削、电铸、化学蚀刻、超声波 加工、激光加工等。
Gleeble 1500D
Strain
模具热疲劳
热平衡曲线
三、铸造模具先进制造技术
模架的拓扑结构优化
红色区域为 在不影响刚 度和强度情 况下可去除 的材料
压铸前
压铸中
压铸前
压铸中
实施效果：采用结构拓扑优化方法对压铸模架进行分析，指出了不影响刚度和强度情况 下，可去除材料的区域，为模架的轻量化设计提供方案。
二、铸造模具行业发展现状
铸造模具数值化制造技术 1. CAD/CAM/CAE一体化技术已经逐步在中国 铸造模具企业开始采用； 2. 数控铣已经广泛应用于模具加工，新工厂高 速加工和五轴加工已经开始投入应用,但高速 五轴编程技术、编程模拟技术、刀具技术、 刀柄技术还有待提高； 3. 电火花、线切割、钻孔技术还广泛应用于铸 造模具制造业； 4. 3D打印、智能化检测、逆向工程、企业生产 管理信息化刚刚起步。
1.2亿 压铸模具、金属模、 浇注模、砂箱小车 一汽 2 12 4
2.5亿
46
32
30 110 22
2
2
2
32
20 180 26
2
3
3
60
-
99
-
1
4
2
40 280 82
二、铸造模具行业发展现状
铸造模具设计技术 1. 以三维设计为主，模具主要是分散设计， 没有明确的设计分工; 2. 压铸模具普遍实行充填和凝固模拟;芯盒模 具开始进行射砂模拟. 3. 经验积累主要靠设计员之间的传帮带，数 据归档整理欠佳,设计标准化刚刚起步,。 4. 辅助件逐步采用标准件
机密文件 不得外传
铸造模具概况
主讲：方建儒
博士
2015年7月13日
一、模具行业宏观论述
模具行业的地位
模具是现代工业，特别是汽车、航空、电子电器、仪器仪表、
武器、日用品等必不可少的工艺装备，因此模具质量的高低决定
着产品质量的高低，模具行业也被称之为“百业之母”。
依据相关资料统计，模具带动其相关产业的比例大约是1:100。
一、模具行业宏观论述
模具设计和加工技术
模具制造（包括设计和加工）技术大致可分为5个发展阶段： – 手工操作阶段 – 手工操作加机械化（普通通用机床与工具）阶段 – 普通通用机床与工具 – 数字控制阶段 – 计算机化阶段和CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化阶段 我国模具制造企业众多，目前技术发展水平参差不齐，各个阶段同