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【兆恒機(jī)械】模具零件精密加工工藝控制

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  • 添加日期:2021年03月31日

每一套模具都是由許多零件構(gòu)成,其中一部分是工藝零件,另一部分是結(jié)構(gòu)零件。工藝零件直接對成型產(chǎn)品質(zhì)量造成影響,工藝零件的最終品質(zhì)在當(dāng)下的模具加工企業(yè)里均用精加工手段來最后完成,如何控制精密加工過程關(guān)系到模具壽命和成型產(chǎn)品能否交付。

  在模具制造企業(yè)中,精加工階段除采用慢走絲線切割、割一多修的工藝手段外,另采用的方法即是在半精加工后,熱處理基礎(chǔ)上磨削加工,在這個階段要控制好零件的變形、內(nèi)應(yīng)力、形狀公差及尺寸精度等許多技術(shù)參數(shù)。在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中,操作困難較多,但仍有許多行之有效的經(jīng)驗(yàn)方法值得借鑒。

  一、模具精加工的過程控制

  模具零件的加工,總的指導(dǎo)思想是針對不同的模具零件、不同的材質(zhì)、不同的形狀和不同的技術(shù)要求進(jìn)行適應(yīng)性加工,選擇性方案很多。但是,通過對加工過程的控制,達(dá)到最好的加工效果和經(jīng)濟(jì)性是我們關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)模具零件的外觀形狀,零件主要可分為三類:軸類、盤類、板類與成型異類零件。這三類零件的工藝過程一般為:粗加工——半精加工——(淬火、調(diào)質(zhì))——精密磨削——電加工——鉗工修整——組裝加工。

  (一)模具零件熱處理

  模具零件要獲得所要求的熱處理硬度,必要對零件熱處理內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行控制,使零件加工時和加工后尺寸公差、形位公差能夠穩(wěn)定,針對不同材質(zhì)的零件作用,有不同的熱處理方式。其工藝要考慮的是經(jīng)濟(jì)性、材料淬透性、淬硬性、過熱敏性以及脫碳敏感性。隨著近年來模具工業(yè)的發(fā)展,使用的材料種類很多,除了CrWMn、Cr12、40Cr、GCr15、Cr12MoV、9Mn2V硬質(zhì)合金外,對一些工作強(qiáng)度大,受力苛刻的凹模、凸模,可選用新材料粉末合金鋼,如S2、S3、V10、APS23S1、G2、G3、G4、G8等等。此類材料具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的組織狀態(tài)。

  淬火后一般工件都存留內(nèi)應(yīng)力,容易導(dǎo)致后續(xù)精加工或工作中開裂,零件淬火后應(yīng)趁熱回火,消除淬火應(yīng)力。形狀復(fù)雜、內(nèi)外轉(zhuǎn)角較多的工件,回火有時還不足以消除淬火應(yīng)力,精加工前還需進(jìn)行去應(yīng)力退火或多次時效處理,充分釋放應(yīng)力。根據(jù)不同的要求采取不同的方法。以Cr12為材質(zhì)的零件為例,在粗加工后進(jìn)行淬火處理,淬火時僅僅冷卻方式就有:空氣冷卻(將加熱后的工件置于空氣中冷卻,此法操作簡便、工件變形小,但硬度偏低,表面易氧化。適合于尺寸小、精度高、厚薄不均的工件)、油冷卻(將工件加熱后置于油中,冷卻到300℃~200℃,取出在空氣中冷卻。此法操作簡便,工件硬度較高,但變形較大,易產(chǎn)生工件變形,適用于尺寸較大,形狀簡單的工件)、平板夾緊在空氣中冷卻(將加熱后的工件置于兩塊鐵板或銅板之間壓緊,在空氣中冷卻。此法操作較繁,但工件變形小,只適合于某種特殊形狀的工件)、分級淬火(將工件加熱后置高于Ms點(diǎn)溫度的硝鹽中,停留一定時間,待工件的內(nèi)外溫度基本一致后,取出在空氣中冷卻。此法既能保證工件的硬度,又能減少工件的變形,廣泛用于形狀復(fù)雜變形要求小的工件)。如對V10、APS23等粉末合金鋼零件,因其能承受高溫回火,淬火時可采用二次硬化工藝,1040℃~1080℃淬火,再用490℃~520℃高溫回火并進(jìn)行多次,可以獲得較高的沖擊韌性及穩(wěn)定性,對以崩刃為主要失效形式的模具很適用。

  (二)模具零件磨削加工

  磨削加工采用的機(jī)床有三種主要類型:平面磨床、內(nèi)外圓磨床及工具成型磨削機(jī)床。精加工磨削時要嚴(yán)格控制磨削變形和磨削裂紋的出現(xiàn),哪怕是工件表面的顯微裂紋,否則在后續(xù)的工作中也會漸漸顯露出來。因此,精密磨削時的進(jìn)刀量要小,磨削中冷卻要充分,盡量選擇冷卻液介質(zhì),加工余量在0.01mm內(nèi)的零件要盡量恒溫磨削。

  磨削工件時一定要謹(jǐn)慎選擇磨削砂輪:針對模具鋼材的高鎢、高釩、高鉬、高合金狀況,工件硬度高的特點(diǎn),可選用PA鉻鋼和GC綠碳化硅砂輪;當(dāng)加工硬質(zhì)合金、淬火硬度高的材質(zhì)時,優(yōu)先采用有機(jī)粘結(jié)劑的金剛石砂輪,有機(jī)粘結(jié)劑砂輪自磨利性好,磨出的工件精度在IT5以上,粗糙度可達(dá)Ra=0.16μm的要求。隨著新材料的應(yīng)用,近年CBN立方氮化硼砂輪的應(yīng)用,顯示出了良好的加工效果,在數(shù)控成型磨、坐標(biāo)磨床、CNC內(nèi)外圓磨床上精加工,效果甚至優(yōu)于其它種類砂輪。磨削加工中要及時修整砂輪,保持砂輪的銳利,當(dāng)砂輪鈍化后會在工件表面滑擦、刻劃、擠壓,造成工件表面燒傷、顯微裂痕或產(chǎn)生溝槽,對以后的使用顯著地降低效用。

  盤類、板類零件的加工大部分采用平面磨床加工,加工長而薄的薄板件時,有一定的加工難度。加工前在磨床磁力臺的強(qiáng)力吸引下,工件原先存在某種彎曲產(chǎn)生平直形變,貼緊于工作臺表面,待磨削后,工件又在原應(yīng)力作用下變形回復(fù),測量板件厚度時顯示一致,但由于變形回復(fù),平面度達(dá)不到模具零件應(yīng)該的要求,解決的方法是磨削前以等高墊鐵墊在工件下面,四周用擋塊擋住工件防止走動,磨削時磨頭進(jìn)刀量要小,用多次走刀方式完成第一個基準(zhǔn)平面,第一個基準(zhǔn)平面加工好一面后,可用這一基準(zhǔn)平面吸附在磁力臺上,通過如上所述的磨削方法可改善大部分工件平面度,如通過一次磨削過程達(dá)不到理想的平面度效果,可以再一次重復(fù)上面過程;經(jīng)過幾次這樣磨削均能夠在平面度符合要求,但對于板件厚度尺寸有嚴(yán)格要求時,備料中必須根據(jù)工件材料、形狀、切削加工手段、熱處理方法等綜合因素,適當(dāng)加放厚度余量。

  軸類零件的特點(diǎn)是由多個回轉(zhuǎn)面構(gòu)成,現(xiàn)代企業(yè)終極精密加工方法一般采用內(nèi)外圓磨床磨削。加工過程中,利用磨床夾頭和尾架頂尖夾緊定位工件或者用首尾兩頂針定位工件,此時夾頭與頂針中心的連線就是磨削后工件的中心線,如果中心線跳動,加工出來的工件就會產(chǎn)生不同心問題,因此在加工前要做好夾頭及頂尖的同心檢測和首尾頂針對中檢查。如果是用夾頭與中心頂針夾緊定位一次磨削臺階軸,則在這一次磨削前要對夾緊部分先進(jìn)行外圓磨削,一次磨削時通過夾緊就能定心定位。簿壁內(nèi)孔磨削時要考慮采用夾持工藝臺,即在車加工時有意多留下一段厚壁部分,待磨削內(nèi)孔完成后進(jìn)行切除,如不留工藝臺則夾緊力不可過大,否則容易在工件圓周上產(chǎn)生“內(nèi)三角”變形,同樣每次磨削進(jìn)刀量要小,通過多次進(jìn)刀才能磨出合格的要求,另外磨削過程中冷卻液要充分噴淋到被磨削位置,以使磨出的鐵屑和磨料塵粒能順利排出磨削區(qū)域。

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  現(xiàn)代的模具企業(yè),幾乎已不缺電加工,因?yàn)殡娂庸た梢詫Ω黝惍愋汀⒏黝愋颓换蚋哂捕攘慵M(jìn)行有效加工,因此已經(jīng)成為模具制造和金屬加工行業(yè)必不可少的加工手段。

  慢走絲線切割加工技術(shù),從企業(yè)反饋的信息得知:精度已可達(dá)±0.002mm,粗糙度Ra=0.4μm。為追求加工精度,開始時要先檢查線切割機(jī)床的狀況,要查看離子水的去離子度、離子水溫度、線切絲垂直度、張緊力、切割用絲、被切工件材質(zhì)等各個因素,確保良好的加工速度與精度。對于線切割加工而言,是在一整塊坯料上切除或切下材料的一種加工,因此原來的應(yīng)力均衡在加工過程中有所破壞,引起拐角處應(yīng)力集中,當(dāng)內(nèi)拐角處半徑R<0.2時,應(yīng)建議設(shè)計部門改善模具結(jié)構(gòu)。處理應(yīng)力集中的方法,可運(yùn)用矢量平移原理,精加工前先留0.8~0.9mm余量,預(yù)加工出型腔大致形狀,再進(jìn)行熱處理,使加工應(yīng)力盡可能在精加工前釋放,以保證熱穩(wěn)定性。

  加工凸模時,切割絲的切入位置及路徑要仔細(xì)考慮。選擇夾持坯料的位置應(yīng)在第一遍進(jìn)刀后,工件不成懸壁狀,始終使工件受力狀態(tài)良好,不影響后續(xù)幾遍加工;對于要求高的凸模,可在坯料上打孔穿絲,加工效果較外形割入好?,F(xiàn)在高精度的工件,為保證零件質(zhì)量普遍采用4遍切割數(shù)。當(dāng)凹模厚度方向要有部分錐度加工時,為追求高效加工,通常第一遍粗加工直邊,第二遍錐度加工,第三遍再精加工直邊,這樣的工藝特點(diǎn)是,不需要再對已有的錐度邊進(jìn)行垂直向精加工,只是精加工刃口段直邊,第四遍再精修直邊刃口。

  電火花成型加工分別要制作粗、精電極。精加工電極要求形狀符合型腔性好,好的精電極已用CNC數(shù)控機(jī)床加工完成。電極材質(zhì)選擇上,紫銅電極主要用于一般鋼件加工;Cu-W合金電極,綜合性能好,特別是加工過程中電極損耗量比紫銅電極明顯小,在良好的排屑條件下,對難加工材料和截面形狀復(fù)雜件精加工很合適;Ag-W合金電極比Cu-W合金電極性能更優(yōu),因資源少價格高,一般現(xiàn)在還很少采用;另外還有石墨電極,現(xiàn)已廣泛使用,目前有國產(chǎn)石墨和進(jìn)口石墨之分,進(jìn)口石墨以損耗小、硬度大、電蝕速度快、表面粗糙度低,占據(jù)優(yōu)勢,已在許多復(fù)雜件精加工中得到應(yīng)用。設(shè)計電極時,計算電極的間隙量及電極數(shù)量。當(dāng)進(jìn)行大面積或重電極加工時,工件與電極裝夾均要穩(wěn)固,具有一定的強(qiáng)度,防止加工過程中松動。但是電火花加工后的表面比普通機(jī)械加工或熱處理后的表面更難研磨,因此電火花加工結(jié)束前應(yīng)采用精規(guī)準(zhǔn)修整,去除表面形成的硬化薄層。

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  成型表面處理的內(nèi)容,包含鋼材表面無氣孔、硬度均勻、各向特性差異小、夾雜物低和零件表面在加工時留下刀痕、磨痕等應(yīng)力集中的地方。因此在加工結(jié)束后,需要對零件進(jìn)行表面強(qiáng)化,通過機(jī)械拋光、鉗工打磨、拋光,處理掉加工隱患。對工件無用棱邊、銳角、孔口進(jìn)行倒鈍。一般地,電加工表面會有變質(zhì)硬化層6~10μm左右,呈灰白色顏色,該層脆而帶有殘留應(yīng)力,在使用之前要充分消除硬化層,方法為表面拋光,拋磨掉硬化層。想獲得高質(zhì)量的拋光效果,工件的材質(zhì)、形狀、硬度以及切削加工的表面質(zhì)量要有充分的考慮,必備有高質(zhì)量的拋光工具、優(yōu)質(zhì)的拋光材料、正確的拋光工序、嚴(yán)謹(jǐn)有致的人員素質(zhì)、良好的清潔環(huán)境。

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  在磨削加工、電加工過程中,工件會有一定磁化,具有微弱磁力,容易吸附一些小雜物,因此在組裝之前,要對工件作充分的退磁處理,并用乙酸乙脂清洗表面。組裝過程中:(1)先看懂理解裝配圖,配齊各類零件;(2)列出各零部件相互之間的裝配次序;(3)檢查各零部件的尺寸精度,明確各項(xiàng)配合要求;(4)配齊所需工具,然后著手裝配模具;(5)先裝模架部分的導(dǎo)柱導(dǎo)套、型腔成型塊組件鑲拼組合;(6)組立模板與凸模、凹模結(jié)合,微量調(diào)整各板位置;(7)開合模具,檢查模具動作是否可靠。

  三、結(jié)語

  無數(shù)實(shí)踐證明,模具企業(yè)注重模具零件的精加工工藝過程控制,是模具企業(yè)長久有效的生存發(fā)展之道。通過工藝過程控制可以最大限度地減少零件超差、報廢,從而有效提高模具在生產(chǎn)使用中壽命,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的意義。