模具零件精密加工工藝控制

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)實踐中，操作困難較多，但仍有許多行之有效的經(jīng)驗方法值得借鑒。

　　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，達到最好的加工效果和經(jīng)濟性是我們關(guān)注的重點。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。

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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。

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　　磨削加工采用的機床有三種主要類型：平面磨床、內(nèi)外圓磨床及工具成型磨削機床。精加工磨削時要嚴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，可選用PA鉻鋼和GC綠碳化硅砂輪；當加工硬質(zhì)合金、淬火硬度高的材質(zhì)時，優(yōu)先采用有機粘結(jié)劑的金剛石砂輪，有機粘結(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，磨削時磨頭進刀量要小，用多次走刀方式完成第一個基準平面，第一個基準平面加工好一面后，可用這一基準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，適當加放厚度余量。

　　軸類零件的特點是由多個回轉(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，同樣每次磨削進刀量要小，通過多次進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，因為電加工可以對各類異型、各類型腔或高硬度零件進行有效加工，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±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考慮。選擇夾持坯料的位置應(yīng)在第一遍進刀后，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。現(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，這樣的工藝特點是，不需要再對已有的錐度邊進行垂直向精加工，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)石墨和進口石墨之分，進口石墨以損耗小、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。當進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，需要對零件進行表面強化，通過機械拋光、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、嚴謹有致的人員素質(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）先裝模架部分的導柱導套、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)量有著深遠的意義。