模具零件精密加工工艺控制
时间：2010-03-09 浏览次数：1364 每一套模具都是由许多零件构成，其中一部分是工艺零件，另一部分是结构零件。工艺零件直接对成型产品质量造成影响，工艺零件的最终品质在当下的模具加工企业里均用精加工手段来最后完成，如何控制精密加工过程关系到模具寿命和成型产品能否交付。
在模具制造企业中，精加工阶段除采用慢走丝线切割、割一多修的工艺手段外，另采用的方法即是在半精加工后，热处理基础上磨削加工，在这个阶段要控制好零件的变形、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。
一、模具精加工的过程控制
模具零件的加工，总的指导思想是针对不同的模具零件、不同的材质、不同的形状和不同的技术要求进行适应性加工，选择性方案很多。但是，通过对加工过程的控制，达到最好的加工效果和经济性是我们关注的重点。根据模具零件的外观形状，零件主要可分为三类：轴类、盘类、板类与成型异类零件。这三类零件的工艺过程一般为：粗加工——半精加工——（淬火、调质）——精密磨削——电加工——钳工修整——组装加工。
（一）模具零件热处理
模具零件要获得所要求的热处理硬度，必要对零件热处理内应力进行控制，使零件加工时和加工后尺寸公差、形位公差能够稳定，针对不同材质的零件作用，有不同的热处理方式。其工艺要考虑的是经济性、材料淬透性、淬硬性、过热敏性以及脱碳敏感性。随着近年来模具工业的发展，使用的材料种类很多，除了CrWMn、Cr12、40Cr、GCr15、Cr12MoV、9Mn2V硬质合金外，对一些工作强度大，受力苛刻的凹模、凸模，可选用新材料粉末合金钢，如S2、S3、V10、APS23S1、G2、G3、G4、G8等等。此类材料具有较高的热稳定性和良好的组织状态。
淬火后一般工件都存留内应力，容易导致后续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。形状复杂、内外转角较多的工件，回火有时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。根据不同的要求采取不同的方法。以Cr12为材质的零件为例，在粗加工后进行淬火处理，淬火时仅仅冷却方式就有：空气冷却（将加热后的工件置于空气中冷却，此法操作简便、工件变形小，但硬度偏低，表面易氧化。适合于尺寸小、精度高、厚薄不均的工件）、油冷却（将工件加热后置于油中，冷却到300℃~200℃，取出在空气中冷却。此法操作简便，工件硬度较高，但变形较大，易产生工件变形，适用于尺寸较大，形状简单的工件）、平板夹紧在空气中冷却（将加热后的工件置于两块铁板或铜板之间压紧，在空气中冷却。此法操作较繁，但工件变形小，只适合于某种特殊形状的工件）、分级淬火（将工件加热后置高于Ms点温度的硝盐中，停留一定时间，待工件的内外温度基本一致后，取出在空气中冷却。此法既能保证工件的硬度，又能减少工件的变形，广泛用于形状复杂变形要求小的工件）。如对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，1040℃~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。
（二）模具零件磨削加工
磨削加工采用的机床有三种主要类型：平面磨床、内外圆磨床及工具成型磨削机床。精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的出现，哪怕是工件表面的显微裂纹，否则在后续的工作中也会渐渐显露出来。因此，精密磨削时的进刀量要小，磨削中冷却要充分，尽量选择冷却液介质，加工余量在0.01mm内的零件要尽量恒温磨削。
磨削工件时一定要谨慎选择磨削砂轮：针对模具钢材的高钨、高钒、高钼、高合金状况，工件硬度高的特点，可选用PA铬钢和GC绿碳化硅砂轮；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，磨出的工件精度在IT5以上，粗糙度可达Ra=0.16μm的要求。随着新材料的应用，近年CBN立方氮化硼砂轮的应用，显示出了良好的加工效果，在数控成型磨、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果甚至优于其它种类砂轮。磨削加工中要及时修整砂轮，保持砂轮的锐利，当砂轮钝化后会在工件表面滑擦、刻划、挤压，造成工件表面烧伤、显微裂痕或产生沟槽，对以后的使用显著地降低效用。
盘类、板类零件的加工大部分采用平面磨床加工，加工长而薄的薄板件时，有一定的加工难度。加工前在磨床磁力台的强力吸引下，工件原先存在某种弯曲产生平直形变，贴紧于工作台表面，待磨削后，工件又在原应力作用下变形回复，测量板件厚度时显示一致，但由于变形回复，平面度达不到模具零件应该的要求，解决的方法是磨削前以等高垫铁垫在工件下面，四周用挡块挡住工件防止走动，磨削时磨头进刀量要小，用多次走刀方式完成第一个基准平面，第一个基准平面加工好一面后，可用这一基准平面吸附在磁力台上，通过如上所述的磨削方法可改善大部分工件平面度，如通过一次磨削过程达不到理想的平面度效果，可以再一次重复上面过程；经过几次这样磨削均能够在平面度符合要求，但对于板件厚度尺寸有严格要求时，备料中必须根据工件材料、形状、切削加工手段、热处理方法等综合因素，适当加放厚度余量。
轴类零件的特点是由多个回转面构成，现代企业终极精密加工方法一般采用内外圆磨床磨削。加工过程中，利用磨床夹头和尾架顶尖夹紧定位工件或者用首尾两顶针定位工件，此时夹头与顶针中心的连线就是磨削后工件的中心线，如果中心线跳动，加工出来的工件就会产生不同心问题，因此在加工前要做好夹头及顶尖的同心检测和首尾顶针对中检查。如果是用夹头与中心顶针夹紧定位一次磨削台阶轴，则在这一次磨削前要对夹紧部分先进行外圆磨削，一次磨削时通过夹紧就能定心定位。簿壁内孔磨削时要考虑采用夹持工艺台，即在车加工时有意多留下一段厚壁部分，待磨削内孔完成后进行切除，如不留工艺台则夹紧力不可过大，否则容易在工件圆周上产生“内三角”变形，同样每次磨削进刀量要小，通过多次进刀才能磨出合格的要求，另外磨削过程中冷却液要充分喷淋到被磨削位置，以使磨出的铁屑和磨料尘粒能顺利排出磨削区域。
（三）模具零件电加工
现代的模具企业，几乎已不缺电加工，因为电加工可以对各类异型、各类型腔或高硬度零件进行有效加工，因此已经成为模具制造和金属加工行业必不可少的加工手段。
慢走丝线切割加工技术，从企业反馈的信息得知：精度已可达±0.002mm，粗糙度Ra=0.4μm。为追求加工精度，开始时要先检查线切割机床的状况，要查看离子水的去离子度、离子水温度、线切丝垂直度、张紧力、切割用丝、被切工件材质等各个因素，确保良好的加工速度与精度。对于线切割加工而言，是在一整块坯料上切除或切下材料的一种加工，因此原来的应力均衡在加工过程中有所破坏，引起拐角处应力集中，当内拐角处半径R＜0.2时，应建议设计部门改善模具结构。处理应力集中的方法，可运用矢量平移原理，精加工前先留0.8～0.9mm余量，预加工出型腔大致形状，再进行热处理，使加工应力尽可能在精加工前释放，以保证热稳定性。
加工凸模时，切割丝的切入位置及路径要仔细考虑。选择夹持坯料的位置应在第一遍进刀后，工件不成悬壁状，始终使工件受力状态良好，不影响后续几遍加工；对于要求高的凸模，可在坯料上打孔穿丝，加工效果较外形割入好。现在高精度的工件，为保证零件质量普遍采用4遍切割数。当凹模厚度方向要有部分锥度加工时，为追求高效加工，通常第一遍粗加工直边，第二遍锥度加工，第三遍再精加工直边，这样的工艺特点是，不需要再对已有的锥度边进行垂直向精加工，只是精加工刃口段直边，第四遍再精修直边刃口。
电火花成型加工分别要制作粗、精电极。精加工电极要求形状符合型腔性好，好的精电极已用CNC数控机床加工完成。电极材质选择上，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，特别是加工过程中电极损耗量比紫铜电极明显小，在良好的排屑条件下，对难加工材料和截面形状复杂件精加工很合适；Ag-W合金电极比Cu-W合金电极性能更优，因资源少价格高，一般现在还很少采用；另外还有石墨电极，现已广泛使用，目前有国产石墨和进口石墨之分，进口石墨以损耗小、硬度大、电蚀速度快、表面粗糙度低，占据优势，已在许多复杂件精加工中得到应用。设计电极时，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，工件与电极装夹均要稳固，具有一定的强度，防止加工过程中松动。但是电火花加工后的表面比普通机械加工或热处理后的表面更难研磨，因此电火花加工结束前应采用精规准修整，去除表面形成的硬化薄层。
（四）模具零件表面处理
成型表面处理的内容，包含钢材表面无气孔、硬度均匀、各向特性差异小、夹杂物低和零件表面在加工时留下刀痕、磨痕等应力集中的地方。因此在加工结束后，需要对零件进行表面强化，通过机械抛光、钳工打磨、抛光，处理掉加工隐患。对工件无用棱边、锐角、孔口进行倒钝。一般地，电加工表面会有变质硬化层6～10μm左右，呈灰白色颜色，该层脆而带有残留应力，在使用之前要充分消除硬化层，方法为表面抛光，抛磨掉硬化层。想获得高质量的抛光效果，工件的材质、形状、硬度以及切削加工的表面质量要有充分的考虑，必备有高质量的抛光工具、优质的抛光材料、正确的抛光工序、严谨有致的人员素质、良好的清洁环境。
（五）模具零部件组装
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，容易吸附一些小杂物，因此在组装之前，要对工件作充分的退磁处理，并用乙酸乙脂清洗表面。组装过程中：（1）先看懂理解装配图，配齐各类零件；（2）列出各零部件相互之间的装配次序；（3）检查各零部件的尺寸精度，明确各项配合要求；（4）配齐所需工具，然后着手装配模具；（5）先装模架部分的导柱导套、型腔成型块组件镶拼组合；（6）组立模板与凸模、凹模结合，微量调整各板位置；（7）开合模具，检查模具动作是否可靠。
三、结语
无数实践证明，模具企业注重模具零件的精加工工艺过程控制，是模具企业长久有效的生存发展之道。通过工艺过程控制可以最大限度地减少零件超差、报废，从而有效提高模具在生产使用中寿命，稳定产品质量有着深远的意义。
