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模具精加工控制分析
江南水乡 发表于 2007-11-30 11:05:00

模具精加工控制分析

 1.引言
  一幅模具是由众多的零件组配而成,零件的质量直接影响着模具的质量,而零件的最终质量又是由精加工来完成保证的,因此说控制好精加工关系重大。
  在国内大多数的模具制造企业,精加工阶段采用的方法一般是磨削,电加工及钳工处理。在这个阶段要控制好零件变形,内应力,形状公差及尺寸精度等许多技术参数,在具体的生产实践中,操作困难较多,但仍有许多行之有效的经验方法值得借鉴。
    2.模具精加工的过程控制
  模具零件的加工,一个总的指导思想是针对不同的材质,不同的形状,不同的技术要求进行适应性加工,它具有一定的可塑性,可通过对加工的控制,达到好的加工效果
    根据零件的外观形状不同,大致可把零件分三类:轴类、板类与异形零件,其共同的工艺过程大致为:粗加工——热处理(淬火、调质)——精磨——电加工——钳工(表面处理)——组配加工。
    2.1 零件热处理
  零件的热处理工序,在使零件获得要求的硬度的同时,还需对内应力进行控制,保证零件加工时尺寸的稳定性,不同的材质分别有不同的处理方式。随着近年来模具工业的发展,使用的材料种类增多了,除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬质合金外,对一些工作强度大,受力苛刻的凸、凹模,可选用新材料粉末合金钢,如V10、ASP23等,此类材质具有较高的热稳定性和良好的组织状态。
    针对以Cr12MoV为材质的零件,在粗加工后进行淬火处理,淬火后工件存在很大的存留应力,容易导致精加工或工作中开裂,零件淬火后应趁热回火,消除淬火应力。淬火温度控制在900-1020℃,然后冷却至200-220℃出炉空冷,随后迅速回炉220℃回火,这种方法称为一次硬化工艺,可以获得较高的强度及耐磨性,对于以磨损为主要失效形式的模具效果较好。生产中遇到一些拐角较多、形状复杂的工件,回火还不足以消除淬火应力,精加工前还需进行去应力退火或多次时效处理,充分释放应力。
    针对V10、APS23等粉末合金钢零件,因其能承受高温回火,淬火时可采用二次硬化工艺,1050-1080℃淬火,再用490-520℃高温回火并进行多次,可以获得较高的冲击韧性及稳定性,对以崩刃为主要失效形式的模具很适用。粉末合金钢的造价较高,但其性能好,正在形成一种广泛运用趋势。
    2.2 零件的磨削加工
  磨削加工采用的机床有三种主要类型:平面磨床、内外圆磨床及工具磨具。精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的产生,即使是十分微小的裂纹,在后续的加工使用中也会显露出来。因此,精磨的进要小,不能大,冷却液要充分,尺寸公差在0.01mm以内的零件要尽量恒温磨削。由计算可知,300mm长的钢件,温差3℃时,材料有10.8μm左右的变化,10.8=1.2×3×3(每100mm变形量1.2μm/℃),各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。
    精磨时选择好恰当的磨削砂轮十分重要,针对模具钢材的高钒高钼状况,选用GD单晶刚玉砂轮比较适用,当加工硬质合金、淬火硬度高的材质时,优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮,有机粘结剂砂轮自磨利性好,磨出的工件粗糙可达Ra=0.2μm,近年来,随着新材料的应用,CBN砂轮,也即立方氮化硼砂轮显示出十分好的加工效果,在数控成型磨,坐标磨床,CNC内外圆磨床上精加工,效果优于其它种类砂轮。磨削加工中, 要注意及时修整砂轮,保持砂轮的锐利,当砂轮钝化后,会在工件表面滑擦、挤压,造成工件表面烧伤,强度降低。
    板类零件的加工大部分采用平面磨床加工,在加工中常会遇到一种长而薄的薄板零件,此类零件的加工较难。因为加工时,在磁力的吸附作用下,工件产生形变,紧贴于工作台表面(见图1),当拿下工件后,工件又会产生回复变形,厚度测量一致,但平行度达不到要求,解决的办法可采用隔磁磨削法(见图2),磨削时以等高块垫在工件下面,四面挡块抵死,加工时小进刀,多光刀,加工好一面后,可不用再垫等高块,直接吸附加工,这样可改善磨削效果,达到平行度要求。
  轴类零件具有回转面,其加工广泛采用内外圆磨床及工具磨床。加工过程中,头架及顶尖相当于母线,如果其存在跳动问题,加工出来的工件同样会产生此问题,影响零件的质量,因此在加工前要做好头架及顶尖的检测工作。进行内孔磨削时,冷却液要充分浇到磨削接触位置,以利于磨削的顺利排出。加工薄壁轴类零件,最好采用夹持工艺台,夹紧力不可过大,否则容易在工件圆周上产生“内三角”变形。
    2.3 电加工控制
  现代的模具工厂,不能缺少电加工,电加工可以对各类异形、高硬度零件进行加工,它分为线切割与电火花二种。
  慢走丝线切割加工精度可达±0.003mm,粗糙度Ra=0.2μm。加工开始时,要先检查机床的状况,查看水的去离子度,水温,丝的垂直度,张力等各个因素,确保良好的加工状态。线切割加工是在一整块材料上去除加工,它破坏了工件原有的应力平衡,很容易引起应力集中,特别是在拐角处,因此当R<0.2(特别是尖角)时,应向设计部门提出改善建议。加工中处理应力集中的方法,可运用矢量平移原理,精加工前先留余量1mm左右,预加工出大致形状,然后再进行热处理,让加工应力在精加工前先行释放,保证热稳定性。
    加工凸模时,丝的切入位置及路径的选择要仔细考虑。如图3所示,工件左端夹持,加工时选择路线①比路线②要好,因为路线①工件与材料的夹持部位联接紧密,加工稳定,若采用路线②,第一遍进刀后,工件成悬壁状,受力差,影响后续几遍加工。路线③,采用打孔穿丝加工,效果最佳。高精线切割加工,通常切割遍数为四次,可以保证零件质量。当加工带有锥度的凹模时,见图4,本着快速高效的立场,第一遍粗加工直边,第二边锥度加工,接着再精加工直边,这样可不需进行X段垂直向精加工,只精加工刃口段直边,既节约时间又节约成本。
    电火花加工先要制作电极,电极有粗、精之分。精加工电极要求形状符合性好,最好用CNC数控机床加工完成。电极的材质选择上,紫铜电极主要用于一般钢件加工。Cu-W合金电极,综合性能好,特别是加工过程中消耗量明显比紫铜小,配合足量的冲刷液,很适合难加工材料加工及截面形状复杂件精加工。Ag-W合金电极比Cu-W合金电极性能更优,但其价格高,资源少,一般较少采用。制作电极时,需要计算电极的间隙量及电极数量,当进行大面积或重电极加工时,工件和电极装夹要牢固,保证具有足够的强度,防止加工松动。进行深台阶加工时,对电极各处的损耗及因排液不畅引起的电弧放电,要予以注意。
    2.4 表面处理及组配
  零件表面在加工时留下刀痕、磨痕是应力集中的地方,是裂纹扩展的源头,因此在加工结束后,需要对零件进行表面强化,通过钳工打磨,处理掉加工隐患。对工件的一些棱边、锐角、孔口进行倒钝,R化。一般地,电加工表面会产生6-10μm左右的变质硬化层,颜色呈灰白色,硬化层脆而且带有残留应力,在使用之前要充分消除硬化层,方法为表面抛光,打磨去掉硬化层。
    在磨削加工、电加工过程中,工件会有一定磁化,具有微弱磁力,十分容易吸着一些小东西,因此在组装之前,要对工件作退磁处理,并用乙酸乙脂清洗表面。组装过程中,先参看装配图,找齐各零件,然后列出各零件相互之间的装备顺序,列出各项应注意事项,然后着手装配模具,装配一般先装导柱导套,然后装模架和凸凹模,然后再对各处间隙,特别是凸凹模间隙进行组配调整,装配完成后要实施模具检测,写出整体情况报告。对发现的问题,可采用逆向思维法,即从后工序向前工序,从精加工到粗加工,逐一检查,直到找出症结,解决问题。
    3.结束语
  实践证明,良好的精加工过程控制,可以有效减少零件超差、报废,有效提高模具的一次成功率及使用寿命。


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