凹模的加工与凸

6.1.4　凸、凹模的加工与凸、凹模的加工实例

1．冲裁凸、凹模技术要求

（1）尺寸精度

凸模、凹模、凸凹模、侧刃凸模加工后，其形状、尺寸精度应符合模具图样要求。配合后应保证合理的间隙。

（2）表面形状

1）凸模、凹模、凸凹模、侧刃凸模的工作刃口应尖锐、锋利，无倒锥、裂纹、黑斑及缺口等缺陷。

2）凸模、凹模刃口应平直（斜刃除外），不得有倒锥，但允许有向尾部增大的小于15°的锥度。

3）冲裁凸模，其工作部分与配合部分的过渡圆角处，在精加工后不应出现台肩的棱角，应圆滑过渡，过渡圆角半径一般为3～5mm。

4）新制造的凸模、凹模、侧刃凸模，无论是刃口还是配合部分，一律不允许烧焊。

5）凸模、凹模、凸凹模的尖角（刃口除外）图样上未注明的部分，允许按R=0.3mm制作。

（3）位置精度

1）冲裁凸模刃口四周的相对两侧面应相互平行，但允许稍有斜度，其垂直度误差应不大于0.01～0.02mm，大端应位于工作部分。

2）圆柱形配合的凸模、凹模、凸凹模，其配合面与支撑台肩的垂直度误差不大于0.01～0.02mm。

3）圆柱形凸模、凹模工作部分直径相对配合部分直径的同轴度误差不得超过工作部分直径偏差的1/2。

4）镶块凸模与凹模的结合面缝隙不得超过0.03mm。

（4）表面粗糙度

加工后的凸模与凹模工作表面粗糙度等级一定要符合图样要求。一般刃口部分表面粗糙度值R_a为1.6～0.8μm，非工作部分允许R_a为2.5～12.5μm。

（5）硬度

1）加工后的凸模与凹模应有较高的硬度和韧性，一般要求：凹模硬度：60～64HRC；凸模硬度：58～62HRC。

2）当凸模用铆接方法固定时，允许在自1/2高度处开始向配合（固定板位置）部分硬度逐渐降低，但最低不应小于38～40HRC。

2．冲裁凸、凹模的加工原则

（1）设计落料模时先确定凹模刃口尺寸。以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得；设计冲孔模时先确定凸模刃口尺寸。以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。

（2）根据冲模在使用过程中的磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则取接近或等于工件孔的最大极限尺寸。

模具磨损预留量与工件制造精度有关。

（3）由于凸模、凹模长时间工作受磨损后会引起凸模、凹模之间间隙值Z的增大，因此，在制造新的冲裁模时，冲裁（设计）间隙一般选用最小合理间隙值（Z_min）。

（4）选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，既要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。

（5）工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“入体”原则标注为单向公差。但对于磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。

（6）凸模与凹模的精度（公差值）应随制品零件的精度而定。一般情况下，圆形凸模与凹模应按IT5～IT6级精度加工，而非圆形凸模和凹模，可取制品公差的1/4精度来加工。

3．凸、凹模的加工工艺

（1）凸模常用加工方法。凸模工作表面的加工方法与其形状有关，圆形凸模（见图6-1）的加工比较简单，圆柱面可在车床上加工，工作面留适当精磨余量，经热处理后，用外圆磨床精磨至所需尺寸再刃磨即可，必要时还需抛光。非圆形凸模的工作表面通常采用压印修锉加工和仿形刨削这两种加工方法。这两种方法是在热处理前进行的，凸模的加工精度必然会受到热处理变形的影响。如果选用的材料热处理变形较小，热处理工艺合理，凸模热处理后的微小尺寸变化可由钳工进行修整。所以，这两种加工方法现在仍然被采用。对于非圆凸模的工作表面，还可用仿形刨削加工。较先进的加工方法是电火花线切割加工和成型磨削，因为它们是在凸模热处理后才进行的，所以尺寸精度容易保证。

图6-1　圆形凸模

1）压印修锉加工。压印修锉是一种钳工加工方法。压印时，把凸模垂直放置在已经加工好并已淬硬的成品凹模型孔上，在手动螺旋压力机上施以压力，通过凹模的挤压和切削作用，在凸模上产生印痕，如图6-2所示，钳工按印痕锉去工作表面的部分加工余量后再压印、再修锉，反复进行，修锉完毕后，根据图样上规定的间隙，保留0.01～0.02mm的双面余量，在热处理之后由钳工进行研磨，使其达到规定的间隙值。

图6-2　用凹模压印

1—凸模；2—凹模

压印前，应先在车床或刨床上对凸模毛坯的各面进行加工，并在凸模上划出工作表面的轮廓线。然后，在立式铣床上按照划线找正，加工凸模的工作表面，并留0.15～0.25mm的单面锉削余量。

压印深度会直接影响凸模表面的粗糙度。为使压印工作顺利进行和保证压印表面的粗糙度，首次压印深度应为0.2～0.5mm，以后各次的压印深度可以大一些。

为改善压印表面的粗糙度，可用油石将锋利的刃口磨出0.1mm左右的圆角，并在凸模表面上涂一层硫酸铜溶液，以减少摩擦。

压印加工所需设备简单，在缺乏模具加工设备的条件下，它是模具钳工经常采用的加工方法，最适合于无间隙冲裁模工作零件的加工。对于间隙较大的冲裁模，压印后需由钳工按单面初始间隙修锉凸模工作表面，修锉完毕后留0.01～0.02mm的单面余量，待热处理之后再由钳工研磨至规定的间隙值。

压印修锉法劳动强度大，生产效率低，模具精度受热处理变形的影响，现已逐步被机械加工方法和特种加工所代替。

2）仿形刨削加工。对于工作表面由圆弧和直线所组成的各种复杂形状的凸模，其精加工可在仿形刨床上进行，如图6-3所示。仿形刨削的加工精度可达到±0.02mm，表面粗糙度R_a可达1.6～0.8μm。在仿形刨削加工前，先在车床、铣床或刨床上对凸模毛坯进行预加工，并将必要的辅助面（包括凸模端面）磨平，然后在凸模端面上划线，并在铣床上加工凸模轮廓，留有0.2～0.3mm的单面精加工余量，最后用仿形刨床精加工。如果在精加工凸模之前凹模已经加工好，则可利用它在凸模上压出印痕，然后按此印痕用仿形刨削对凸模进行精加工。凸模经仿形刨削加工后，还应与凹模配修，热处理之后还需要研磨和抛光工作表面，以保证凸模与凹模的间隙适当而均匀。

仿形刨削加工的特点为：①制造凸模比较方便，加工精度高；②固定板易加工；③用于凹模淬火变形小或精度要求不高的情况。

图6-3　仿形刨削加工

与压印修锉法相比，仿形刨削加工可减轻工人的劳动强度，但生产率也不高，凸模的精度同样受热处理变形的影响。因此，它已逐渐被电火花线切割加工和成型磨削所代替。

3）线切割加工。对于直通式凸模，如果尺寸未超过线切割机床的加工范围，可将电火花线切割作为其工作表面的最后加工，以提高加工精度和加工生产率，缩短生产周期。电火花线切割加工时，应考虑工件的装夹、切割路线等。在凸模线切割以前，应将毛坯锻造成六面体，并去除其中多余的余量，使切割轮廓线与毛坯之间的余量不小于5mm，并注意留出线切割时的装夹部位。电火花线切割是在凸模热处理后进行的，加工的尺寸精度高，质量好，制造周期短；但被加工工件的尺寸受机床的限制，而且加工出的工作表面呈条纹状的加工痕迹较为明显，最后需要由钳工研磨减少表面粗糙度值。

4）成型磨削。如果是直通式凸模，还可用成型磨削作为其工作表面的最后加工。成型磨削是将被磨削轮廓划分成单一的直线和圆弧逐段进行磨削，并使它们在衔接处平整光滑而达到设计要求的一种加工方法，如图6-4所示。成型磨削有成型砂轮磨削法和夹具成型磨削法。成型砂轮磨削法是将砂轮修整成与凸轮工作表面完全吻合的形状，磨削加工后获得所需要的成型表面的一种方法。如果磨削凸轮工作表面的成型砂轮是利用数控装置控制安装在工作台上修整，或由数控装置控制机床的垂直运动和横向进给运动，完成磨削加工，便形成数控成型磨削法。成型磨削具有高精度、高效率等优点。

成型磨削前，首先确定采用哪一种方法，以便于有效地利用各种工夹具和成型砂轮，然后，根据凸模的形状选择合理的基准面及工艺孔基准，并进行必要的工艺尺寸换算，最后制定出相应的磨削程序。选择基准和制定磨削程序时应考虑如下几点：

① 当凸模有内成型孔时，先加工内成型孔并以其为基准加工凸模外形。

图6-4　成型磨削加工

② 选择大平面作为基准面，先磨基准面及有关平面，以增加加工的稳定性并易于测量。如无大平面时，可添加工艺平面。

③ 先磨削精度要求高的部位，后磨削精度要求低的部位，以减少加工中的积累误差。

④ 先磨削平面后磨削斜面及凸圆弧，先磨削凹圆弧后磨平面及凸圆弧，先磨大圆弧后磨小圆弧。这样的顺序便于加工成型及达到精度要求。

⑤ 最后磨去添加的工艺基准及装夹部分。

对复杂型面凸模的制造工艺应根据凸模形状、尺寸、技术要求并结合生产实际的设备情况等具体条件来进行制定。不同凸模的加工方法见表6-3。

表6-3　冲裁凸模常用加工方法

（2）凹模常用加工方法。凹模的加工与凸模的加工既有相似之处，又有不同之处，凹模的主要工作面为其型孔，冲裁凹模的型孔，用于制件外形的成型，这些型孔都有将制件从条料中切离下来的锋利刃口，此外还有用于安装的基准面、用于定位的销孔和用于紧固的螺钉孔，以及用于安装其他零部件用的孔、槽等。因此它们在工艺上的不同主要体现在工作表面的加工上，在工艺分析中如何保证刃口的质量和形状及各孔之间的位置精度是至关重要的。

1）圆形型孔的加工

① 圆形单型孔凹模的加工。当凹模只有一个型孔且为圆形时，加工的过程比较简单。毛坯经锻造和退火后，在车床上粗加工底面、顶面及外形，并用钻或镗等加工方法对型孔进行粗加工，然后由钳工划线并在钻床上钻出所有固定用的孔，攻螺纹、铰定位销孔，经淬火与回火热处理后，再磨削底面、顶面和型孔即可。型孔的磨削可在万能磨床或内圆磨床上进行，磨孔的精度可达IT5～IT6级，表面粗糙度为R_a=0.8～0.2μm。

这一类凹模的典型工艺路线是：备料→锻造→退火→车削→平磨→划线→钳工（螺孔及销孔）→淬火→回火→万能磨床磨内孔及上端面→平磨下端面→钳工装配。

当型孔直径小于5mm时，多半是在淬火前进行钻孔和铰孔精加工，热处理后用砂布抛光型孔。

② 圆孔孔系的加工。在多孔冲裁模或级进模中，凹模往往带有一系列型孔，各孔的尺寸及相对位置都有一定的精度要求，这些孔称为孔系。当凹模上的圆孔形成孔系时，可在立式铣床上加工，也可在坐标镗床或坐标磨床上加工。

在缺乏精密加工机床（如坐标镗床和坐标磨床），而且型孔的位置精度要求又不太高的情况下，可在立式铣床上用坐标法加工孔系。加工时，若直接利用工作台纵、横方向的移动来确定孔的位置，则孔距精度较低，一般为0.06～0.08mm。当铣床工作台纵、横方向移动均带有数显装置时，其孔距精度一般可达±0.02mm，有时可达±0.01mm。

当型孔的孔距精度要求较高时，需用坐标镗床。坐标镗床是专门用于加工孔系的精密机床，孔距精度高，加工表面也比较光洁，但由于此机床是在凹模热处理前利用钻头、镗刀、铰刀等刀具进行加工的，因此，其加工精度将受到热处理变形的影响。当模具型孔精度要求很高（如精冲凹模）时，为了保证加工精度，往往把坐标镗床加工作为孔系的预加工工序，热处理后用坐标磨床对孔系中的各型孔进行精加工。

2）非圆形型孔的加工

如果凹模的型孔为非圆形，对型孔的加工，传统的加工方法有样板锉削法和压印锉削法，目前常用的加工方法主要有电火花线切割加工和电火花成型加工。对于尺寸较大的非圆形型孔常用数控铣床进行平面轮廓仿形加工，而精度要求特别高的型孔，则需用坐标磨床进行精密磨削。若将凹模设计成镶拼结构的话，还可应用成型磨削方法加工型孔。

由于模具一般为单件生产，凹模的毛坯通常是用自由锻造的方法锻造成实心六方体，所以在对凹模的非圆形型孔精加工之前，首先要除去型孔中心的余料。去除中心余料的方法有两种：一种是先在凹模上划出型孔轮廓线，然后在轮廓线内划出与型孔轮廓线相似的钻孔中心轮廓线，两线的间距为+(0.2～0.5)mm。以钻孔中心轮廓线上的点为圆心，划出一系列直径为d的圆，各圆之间保留0.5～1mm距离，如图6-5所示，并在各圆的中心处钻中心眼，然后在钻床上顺序钻孔。钻完孔后用錾子凿通整个轮廓，敲出中间一块废料。这种方法生产率低，劳动强度大，而且残留的加工余量也很大。

图6-5　钻孔法

另一种方法是用带锯机切除中心余料。在用带锯机切除余料之前，也要划线，但只需在型孔转折处钻出圆孔，然后将已剪断的锯条（有些带锯机本身带有切断装置）穿入预钻孔，利用带锯机上的电阻对焊装置将锯条焊接，并进行退火、磨平焊缝，加工时，操纵工件使锯条沿型孔轮廓进行切削，去除中间废料。带锯机的加工效率高，精度也较高，为了提高生产率，并使操作方便，目前国外已制成自动带锯机。加工前，将工件夹紧在工作台上，沿着型孔的划线轮廓把白线带贴在模具表面上，以此作为模型。加工时，用光电跟踪装置控制工作台沿X、Y坐标移动和回转，从而锯出所需的型孔。

将型孔中心余料切除后，在缺少精密加工机床的情况下，可用样板锉削或压印锉削等方法进行型孔的精加工。

① 样板锉削加工。锉削前，先根据凹模图样制作一块凹模的型孔样板，并按照样板在凹模表面划线，然后用各种形状的锉刀加工型孔，并随时用凹模型孔样板检验，反复修锉至样板刚好能放入型孔内为止。然后用透光法观察样板周围的间隙，判断间隙是否均匀一致，锉削完毕后，将凹模热处理，然后用各种形状的油石研磨型孔，使其达到图样要求。

② 压印锉削加工法。如果凸模已加工为成品并已淬硬，可用压印修锉法加工凹模。此方法是利用已加工好的凸模对凹模进行压印的，其压印方法与凸模的压印加工基本相同。如图6-6所示为凹模型孔的压印过程，将凹模水平放置在压力机工作台上，把已经加工好的成品凸模垂直放置在相应的凹模型孔上，放置时应对准凹模型孔轮廓，保证修锉余量均匀，然后用压力机对凸模施以压力，通过凸模的挤压和切削作用，在凹模上产生印痕，钳工按印痕锉去型孔下的部分加工余量后再次压印，再修锉型孔，如此反复进行。压印时，第一次压印深度为0.2～0.5mm，以后各次的压印深度可以大些，每次压印都要锉去多余的金属，直至压印深度达到图样要求为止。凹模在压印前的轮廓加工应留有0.1～0.2mm的单边修锉余量。压印后需由钳工修锉出单面初始间隙（用样板随时测量），并留出0.01～0.02mm的单面研磨余量。修锉好的凹模经热处理淬火回火后再由钳工研磨凹模型孔表面至所需的间隙值。

图6-6　压印加工

1—成品凸模；2—凹模；3—垫块；4—角尺

压印修锉适合于无间隙冲裁模工作零件的加工。当用此法加工大间隙的冲裁凹模时，为了减少修间隙的困难，可以制造一件与凹模型孔尺寸相近的样件，用它对凹模进行压印。

样板修锉法和压印修锉法同样存在着效率低和加工精度受热处理影响的问题。

③ 电火花线切割加工型孔。凹模型孔的线切割在热处理后进行。

电火花线切割加工凹模工件的一般工艺过程为：下料→锻造→退火→粗加工→淬火与回火→线切割→钳修。在淬火前，要预先加工出直径为3～10mm的穿丝孔，对淬透性差的凹模材料，应将型孔的部分材料去除，单边留3～5mm切割余量。当凹模型孔较大时，为减少线切割的加工高度，需将型孔以下漏料部分铣（或车）去，只切割刃口高度。线切割加工出的型孔孔壁呈条纹状，需要由钳工进行研磨抛光。

对整体结构复杂的非圆形凹模（见图6-7），其工艺路线为：备料→锻造→退火→刨六面→平磨→划线→铣内孔→钳工（钻螺孔、销孔等）→淬火→回火→平磨→线切割→钳工研磨。

图6-7　非圆形凹模

材料：Cr12MoV；热处理58～62HRC；成型尺寸与凸模间隙0.04mm；其余R_a=3.2μm。

如果没有电火花切割设备，其工艺可按传统的加工方法：即先用仿形刨或精密铣床等设备将凸模加工出来，用凸模在凹模坯上压印加工，然后借助精铣和钳工研配的方法来钳修至成品尺寸→淬火回火→平磨→研磨抛光。

④ 电火花加工型孔。如果刃口形状复杂的非圆凹模采用的是整体结构，用普通切削加工方法难以加工时，可采用电火花加工。电火花加工型孔也是在凹模热处理后进行的。所加工出的型孔表面呈颗粒状麻点，有利于润滑，能提高冲件质量和延长模具寿命。但由于电极的损耗使型孔产生斜度。冲裁模用电火花加工时可利用此斜度作为落料斜度。电火花加工前，必须根据电火花机床的特性及凹模型孔的加工要求设计、制造电极。凹模电火花穿孔加工有直接法、间接法、混合法和二次电极法。当凹模制造有困难时，可采用二次电极法，见表6-4。

表6-4　一次电极为凸形的二次电极法

不同凹模形状，用不同方法加工，适用范围也各不相同，具体情况见表6-5。

表6-5　冲裁凹模常用加工方法

4．典型冲裁凸、凹模的加工

材料：Cr12MoV；热处理58～62HRC；型面R_a=0.4；其余R_a=6.3μm。

（1）冲孔凸模。某冲孔凸模如图6-8所示，它的制造方法采用“实配法”加工时，凸模是“基准件”，凸模的刃口尺寸决定制件尺寸，凹模型孔加工是以凸模制造时刃口的实际尺寸为基准来配制冲裁间隙的，以凸模制造时刃口的实际尺寸为基准来制造凹模，凹模是“非基准零件”。因此凸模在冲孔模中是保证产品制件型孔的关键零件。冲孔凸模零件“外形表面”是矩形，尺寸为22mm×32mm×45mm，在零件开始加工时首先保证“外形表面”尺寸。零件的“成型表面”是由mm组成的曲面，零件的固定部分是矩形，它和成型表面呈台阶状，该零件属于小型工作零件，成型表面在淬火前的加工方法可以采用仿形刨削或压印法；淬火后的精密加工可以采用坐标磨削和钳工修研的方法。采用压印法加工需要制作基准件，用凹模做基准显然不合理，做个基准件又增加了二级工具，实际生产设备又没有坐标磨床。采用仿形刨削作为淬火前的主要加工手段，在淬火中控制热处理变形量，淬火后的精加工通过模具钳工的加工来保证。

图6-8　典型冲孔凸模

零件的材料是Cr12MoV，热处理硬度为58～62HRC，是低合金工具钢，也是低变形冷作模具钢，具有良好的综合性能，它的耐磨性较好，淬火不变形性较好，淬火均匀性好，淬透性好。零件为实心零件，各部位尺寸差异不大，热处理较易控制变形，达到图样要求。

对复杂型面凸模的制造工艺应根据凸模形状、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订。

此类结构凸模的加工方案的不足之处就是淬火之前机械加工必须成型，这样势必带来热处理的变形、氧化、脱碳、烧蚀等问题，影响凸模的精度和质量。在选材时应采用热变形小的合金工具钢如Cr12MoV、CrWMn等，采用高温盐浴炉加热、淬火后采用真空回火炉回火，防止过烧和脱碳现象。

该零件成型表面为二维曲面。在模具生产中，对于二维曲面的复杂成型面，用通用量具不便直接检测时，广泛采用型面样板法和光学投影仪上通过放大图来检验。采用型面样板二级工具，可利用型面检验样板的透光度检验成型表面是否合格。

如图6-8所示冲孔凸模的一般加工工艺路线为：备料→锻造→热处理→刨（或铣）六面→平磨（或万能工具磨）六面→成型面加工→钳工粗研→热处理→平磨上、下面→钳工精研及抛光。具体工艺过程见表6-6。

表6-6　典型冲孔凸模的加工工艺过程

冲孔凸模的型面检验样板如图6-9所示。

图6-9　冲孔凸模型面检验样板

（2）凹模的加工工艺。如图6-10所示为某零件落料凹模，材料采用Cr12MoV，其加工工艺过程见表6-7。

图6-10　典型落料凹模

表6-7　典型落料凹模加工工艺过程

（3）冲裁凸凹模的加工工艺。如图6-11所示为冲裁制件外形和两个圆形孔的凸凹模零件，材料采用Cr6WV，热处理硬度58～62HRC。

图6-11　典型冲裁凸凹模

该零件的外形尺寸是104mm×40mm×50mm。冲裁时利用凸凹模的外形冲制落料件外形，其外成型表面分别由R14^*mm、φ 40^*mm、R5^*mm的五个圆弧面和五个平面组成，形状比较复杂。φ4.06和φ 7.1为冲孔凹模。该零件是直通式的凸凹模，外成型表面的精加工可以采用电火花线切割、成型磨削和连续轨迹坐标磨削等方法加工。该零件的底面有两个M8的螺纹孔，其作用是在成型磨削时夹紧固定用。凸凹模零件的两个内成型表面为圆锥形，带有15°的斜度，在热处理前可以用非标准锥度铰刀铰削，在热处理后进行研磨，保证冲裁间隙。因此，应进行二级工具锥度铰刀的设计和制造。如果具有切割斜度的线切割机床，两内孔可以在线切割机床上加工。

Cr6WV属于高强度微变形冷冲压模具钢。锻造性能好，共晶碳化物数量少，有良好的切削加工性能，而且淬火后变形均匀，几乎不受锻件质量的影响。淬透性和Cr12钢相近。它的耐磨性、淬火变形均匀性不如Cr12MoV钢。零件毛坯形式应为锻件。

工艺方案：根据一般工厂的加工设备条件，拟定了两个方案：

方案一：备料→锻造→退火→铣六方→磨六个平面→钳工划线钻孔→镗内孔及粗铣外形→热处理→研磨内孔→成型磨削外形。

方案二：备料→锻造→退火→铣六方→磨六面→钳工加工螺孔及穿丝孔→热处理→电火花线切割内、外形。

工艺过程制定。采用第一套方案加工，其工艺过程见表6-8。

表6-8　典型冲裁凸凹模零件加工工艺过程