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五金模具的精加工控制分析
2019-03-12
一套五金模具是由眾多的零件組配而成，零件的質量直接影響著模具的質量，而零件的最終質量又是由精加工來確保的，因此控制好精加工是模具質量的確保。
在國內大多數的模具制造企業，精加工階段采用的方法一般是磨削，電加工及鉗工處理。在這個階段要控制好零件變形，內應力，形狀公差及尺寸精度等許多技術參數，在具體的生產實踐中，操作困難較多，但仍有許多行之有效的經驗方法值得借鑒。
2.模具精加工的過程控制
模具零件的加工，一個總的指導思想是針對不同的材質，不同的形狀，不同的技術要求進行適應性加工，它具有一定的可塑性，可通過對加工的控制，達到好的加工效果。
根據零件的外觀形狀不同，大致可把零件分三類：軸類、板類與異形零件，其共同的工藝過程大致為：粗加工——熱處理(淬火、調質)——精磨——電加工——鉗工(表面處理)——組配加工。
2.1零件熱處理
零件的熱處理工序，在使零件獲得要求的硬度的同時，還需對內應力進行控制，確保零件加工時尺寸的穩定性，不同的材質分別有不同的處理方式。隨著近年來模具工業的發展，使用的材料種類增多了，除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬質合金外，對一些工作強度大，受力苛刻的凸、凹模，可選用新材料粉末合金鋼，如V10、ASP23等，此類材質具有較高的熱穩定性和良好的組織狀態。（導讀：模具高速銑削加工技術）
針對以Cr12MoV為材質的零件，在粗加工后進行淬火處理，淬火后工件存在很大的存留應力，容易導致精加工或工作中開裂，零件淬火后應趁熱回火，消除淬火應力。淬火溫度控制在900-1020℃，然后冷卻至200-220℃出爐空冷，隨后迅速回爐220℃回火，這種方法稱為一次硬化工藝，可以獲得較高的強度及耐磨性，對于以磨損為主要失效形式的模具效果較好。生產中遇到一些拐角較多、形狀復雜的工件，回火還不足以消除淬火應力，精加工前還需進行去應力退火或多次時效處理，充分釋放應力。
針對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，1050-1080℃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定性，對以崩刃為主要失效形式的模具很適用。粉末合金鋼的造價較高，但其性能好，正在形成一種廣泛運用趨勢。
2.2零件的磨削加工
磨削加工采用的機床有三種主要類型：平面磨床、內外圓磨床及工具磨具。精加工磨削時要嚴格控制磨削變形和磨削裂紋的產生，即使是十分微小的裂紋，在后續的加工使用中也會顯露出來。因此，精磨的進刀要小，不能大，冷卻液要充分，尺寸公差在0.01mm以內的零件要盡量恒溫磨削。由計算可知，300mm長的鋼件，溫差3℃時，材料有10.8μm左右的變化，10.8=1.2×3×3(每100mm變形量1.2μm/℃)，各精加工工序都需充分考慮這一因素的影響。
精磨時選擇好恰當的磨削砂輪十分重要，針對模具鋼材的高釩高鉬狀況，選用GD單晶剛玉砂輪比較適用，當加工硬質合金、淬火硬度高的材質時，優先采用有機粘結劑的金剛石砂輪，有機粘結劑砂輪自磨利性好，磨出的工件粗糙可達Ra=0.2μm，近年來，隨著新材料的應用，CBN砂輪，也即立方氮化硼砂輪顯示出十分好的加工效果，在數控成型磨，坐標磨床，CNC內外圓磨床上精加工，效果優于其它種類砂輪。磨削加工中，要注意及時修整砂輪，保持砂輪的銳利，當砂輪鈍化后，會在工件表面滑擦、擠壓，造成工件表面燒傷，強度降低。
板類零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常會遇到一種長而薄的薄板零件，此類零件的加工較難。因為加工時，在磁力的吸附作用下，工件產生形變，緊貼于工作臺表面(見圖1)，當拿下工件后，工件又會產生回復變形，厚度測量一致，但平行度達不到要求，解決的辦法可采用隔磁磨削法(見圖2)，磨削時以等高塊墊在工件下面，四面擋塊抵死，加工時小進刀，多光刀，加工好一面后，可不用再墊等高塊，直接吸附加工，這樣可改善磨削效果，達到平行度要求。
軸類零件具有回轉面，其加工廣泛采用內外圓磨床及工具磨床。加工過程中，頭架及相當于母線，如果其存在跳動問題，加工出來的工件同樣會產生此問題，影響零件的質量，因此在加工前要做好頭架及的檢測工作。進行內孔磨削時，冷卻液要充分澆到磨削接觸位置，以利于磨削的順利排出。加工薄壁軸類零件，最好采用夾持工藝臺，夾緊力不可過大，否則容易在工件圓周上產生“內三角”變形。
2.3電加工控制
現代的模具工廠，?能缺少電加工，電加工可以對各類異形、高硬度零件進行加工，它分為線切割與電火花二種。
慢走絲線切割加工精度可達±0.003mm，粗糙度Ra=0.2μm。加工開始時，要先檢查機床的狀況，查看水的去離子度，水溫，絲的垂直度，張力等各個因素，確保良好的加工狀態。線切割加工是在一整塊材料上去除加工，它破壞了工件原有的應力平衡，很容易引起應力集中，特別是在拐角處，因此當R＜0.2(特別是尖角)時，應向設計部門提出改善建議。加工中處理應力集中的方法，可運用矢量平移原理，精加工前先留余量1mm左右，預加工出大致形狀，然后再進行熱處理，讓加工應力在精加工前先行釋放，確保熱穩定性。
加工凸模時，絲的切入位置及路徑的選擇要仔細考慮。如圖3所示，工件左端夾持，加工時選擇路線①比路線②要好，因為路線①工件與材料的夾持部位聯接緊密，加工穩定，若采用路線②，第一遍進刀后，工件成懸壁狀，受力差，影響后續幾遍加工。路線③，采用打孔穿絲加工，效果好。高精線切割加工，通常切割遍數為四次，可以確保零件質量。當加工帶有錐度的凹模時，見圖4，本著快速高效的立場，第一遍粗加工直邊，第二邊錐度加工，接著再精加工直邊，這樣可不需進行X段垂直向精加工，只精加工刃口段直邊，既節約時間又節約成本。
電火花加工先要制作電極，電極有粗、精之分。精加工電極要求形狀符合性好，最好用CNC數控機床加工完成。電極的材質選擇上，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，特別是加工過程中消耗量明顯比紫銅小，配合足量的沖刷液，很適合難加工材料加工及截面形狀復雜件精加工。Ag-W合金電極比Cu-W合金電極性能更優，但其價格高，資源少，一般較少采用。制作電極時，需要計算電極的間隙量及電極數量，當進行大面積或重電極加工時，工件和電極裝夾要牢固，確保具有足夠的強度，防止加工松動。進行深臺階加工時，對電極各處的損耗及因排液不暢引起的電弧放電，要予以注意。
2.4表面處理及組配
零件表面在加工時留下刀痕、磨痕是應力集中的地方，是裂紋擴展的源頭，因此在加工結束后，需要對零件進行表面強化，通過鉗工打磨，處理掉加工隱患。對工件的一些棱邊、銳角、孔口進行倒鈍，R化。一般地，電加工表面會產生6-10μm左右的變質硬化層，顏色呈灰白色，硬化層脆而且帶有殘留應力，在使用之前要充分消除硬化層，方法為表面拋光，打磨去掉硬化層。
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，十分容易吸著一些小東西，因此在組裝之前，要對工件作退磁處理，并用乙酸乙脂清洗表面。組裝過程中，先參看裝配圖，找齊各零件，然后列出各零件相互之間的裝備順序，列出各項應注意事項，然后著手裝配模具，裝配一般先裝導柱導套，然后裝模架和凸凹模，然后再對各處間隙，特別是凸凹模間隙進行組配調整，裝配完成后要實施模具檢測，寫出整體情況報告。對發現的問題，可采用逆向思維法，即從后工序向前工序，從精加工到粗加工，逐一檢查，直到找出癥結，解決問題。
在國內大多數的模具制造企業，精加工階段采用的方法一般是磨削，電加工及鉗工處理。在這個階段要控制好零件變形，內應力，形狀公差及尺寸精度等許多技術參數，在具體的生產實踐中，操作困難較多，但仍有許多行之有效的經驗方法值得借鑒。
2.模具精加工的過程控制
模具零件的加工，一個總的指導思想是針對不同的材質，不同的形狀，不同的技術要求進行適應性加工，它具有一定的可塑性，可通過對加工的控制，達到好的加工效果。
根據零件的外觀形狀不同，大致可把零件分三類：軸類、板類與異形零件，其共同的工藝過程大致為：粗加工——熱處理(淬火、調質)——精磨——電加工——鉗工(表面處理)——組配加工。
2.1零件熱處理
零件的熱處理工序，在使零件獲得要求的硬度的同時，還需對內應力進行控制，確保零件加工時尺寸的穩定性，不同的材質分別有不同的處理方式。隨著近年來模具工業的發展，使用的材料種類增多了，除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬質合金外，對一些工作強度大，受力苛刻的凸、凹模，可選用新材料粉末合金鋼，如V10、ASP23等，此類材質具有較高的熱穩定性和良好的組織狀態。（導讀：模具高速銑削加工技術）
針對以Cr12MoV為材質的零件，在粗加工后進行淬火處理，淬火后工件存在很大的存留應力，容易導致精加工或工作中開裂，零件淬火后應趁熱回火，消除淬火應力。淬火溫度控制在900-1020℃，然后冷卻至200-220℃出爐空冷，隨后迅速回爐220℃回火，這種方法稱為一次硬化工藝，可以獲得較高的強度及耐磨性，對于以磨損為主要失效形式的模具效果較好。生產中遇到一些拐角較多、形狀復雜的工件，回火還不足以消除淬火應力，精加工前還需進行去應力退火或多次時效處理，充分釋放應力。
針對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，1050-1080℃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定性，對以崩刃為主要失效形式的模具很適用。粉末合金鋼的造價較高，但其性能好，正在形成一種廣泛運用趨勢。
2.2零件的磨削加工
磨削加工采用的機床有三種主要類型：平面磨床、內外圓磨床及工具磨具。精加工磨削時要嚴格控制磨削變形和磨削裂紋的產生，即使是十分微小的裂紋，在后續的加工使用中也會顯露出來。因此，精磨的進刀要小，不能大，冷卻液要充分，尺寸公差在0.01mm以內的零件要盡量恒溫磨削。由計算可知，300mm長的鋼件，溫差3℃時，材料有10.8μm左右的變化，10.8=1.2×3×3(每100mm變形量1.2μm/℃)，各精加工工序都需充分考慮這一因素的影響。
精磨時選擇好恰當的磨削砂輪十分重要，針對模具鋼材的高釩高鉬狀況，選用GD單晶剛玉砂輪比較適用，當加工硬質合金、淬火硬度高的材質時，優先采用有機粘結劑的金剛石砂輪，有機粘結劑砂輪自磨利性好，磨出的工件粗糙可達Ra=0.2μm，近年來，隨著新材料的應用，CBN砂輪，也即立方氮化硼砂輪顯示出十分好的加工效果，在數控成型磨，坐標磨床，CNC內外圓磨床上精加工，效果優于其它種類砂輪。磨削加工中，要注意及時修整砂輪，保持砂輪的銳利，當砂輪鈍化后，會在工件表面滑擦、擠壓，造成工件表面燒傷，強度降低。
板類零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常會遇到一種長而薄的薄板零件，此類零件的加工較難。因為加工時，在磁力的吸附作用下，工件產生形變，緊貼于工作臺表面(見圖1)，當拿下工件后，工件又會產生回復變形，厚度測量一致，但平行度達不到要求，解決的辦法可采用隔磁磨削法(見圖2)，磨削時以等高塊墊在工件下面，四面擋塊抵死，加工時小進刀，多光刀，加工好一面后，可不用再墊等高塊，直接吸附加工，這樣可改善磨削效果，達到平行度要求。
軸類零件具有回轉面，其加工廣泛采用內外圓磨床及工具磨床。加工過程中，頭架及相當于母線，如果其存在跳動問題，加工出來的工件同樣會產生此問題，影響零件的質量，因此在加工前要做好頭架及的檢測工作。進行內孔磨削時，冷卻液要充分澆到磨削接觸位置，以利于磨削的順利排出。加工薄壁軸類零件，最好采用夾持工藝臺，夾緊力不可過大，否則容易在工件圓周上產生“內三角”變形。
2.3電加工控制
現代的模具工廠，?能缺少電加工，電加工可以對各類異形、高硬度零件進行加工，它分為線切割與電火花二種。
慢走絲線切割加工精度可達±0.003mm，粗糙度Ra=0.2μm。加工開始時，要先檢查機床的狀況，查看水的去離子度，水溫，絲的垂直度，張力等各個因素，確保良好的加工狀態。線切割加工是在一整塊材料上去除加工，它破壞了工件原有的應力平衡，很容易引起應力集中，特別是在拐角處，因此當R＜0.2(特別是尖角)時，應向設計部門提出改善建議。加工中處理應力集中的方法，可運用矢量平移原理，精加工前先留余量1mm左右，預加工出大致形狀，然后再進行熱處理，讓加工應力在精加工前先行釋放，確保熱穩定性。
加工凸模時，絲的切入位置及路徑的選擇要仔細考慮。如圖3所示，工件左端夾持，加工時選擇路線①比路線②要好，因為路線①工件與材料的夾持部位聯接緊密，加工穩定，若采用路線②，第一遍進刀后，工件成懸壁狀，受力差，影響后續幾遍加工。路線③，采用打孔穿絲加工，效果好。高精線切割加工，通常切割遍數為四次，可以確保零件質量。當加工帶有錐度的凹模時，見圖4，本著快速高效的立場，第一遍粗加工直邊，第二邊錐度加工，接著再精加工直邊，這樣可不需進行X段垂直向精加工，只精加工刃口段直邊，既節約時間又節約成本。
電火花加工先要制作電極，電極有粗、精之分。精加工電極要求形狀符合性好，最好用CNC數控機床加工完成。電極的材質選擇上，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，特別是加工過程中消耗量明顯比紫銅小，配合足量的沖刷液，很適合難加工材料加工及截面形狀復雜件精加工。Ag-W合金電極比Cu-W合金電極性能更優，但其價格高，資源少，一般較少采用。制作電極時，需要計算電極的間隙量及電極數量，當進行大面積或重電極加工時，工件和電極裝夾要牢固，確保具有足夠的強度，防止加工松動。進行深臺階加工時，對電極各處的損耗及因排液不暢引起的電弧放電，要予以注意。
2.4表面處理及組配
零件表面在加工時留下刀痕、磨痕是應力集中的地方，是裂紋擴展的源頭，因此在加工結束后，需要對零件進行表面強化，通過鉗工打磨，處理掉加工隱患。對工件的一些棱邊、銳角、孔口進行倒鈍，R化。一般地，電加工表面會產生6-10μm左右的變質硬化層，顏色呈灰白色，硬化層脆而且帶有殘留應力，在使用之前要充分消除硬化層，方法為表面拋光，打磨去掉硬化層。
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，十分容易吸著一些小東西，因此在組裝之前，要對工件作退磁處理，并用乙酸乙脂清洗表面。組裝過程中，先參看裝配圖，找齊各零件，然后列出各零件相互之間的裝備順序，列出各項應注意事項，然后著手裝配模具，裝配一般先裝導柱導套，然后裝模架和凸凹模，然后再對各處間隙，特別是凸凹模間隙進行組配調整，裝配完成后要實施模具檢測，寫出整體情況報告。對發現的問題，可采用逆向思維法，即從后工序向前工序，從精加工到粗加工，逐一檢查，直到找出癥結，解決問題。
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