磨削加工对模具寿命的影响

研磨者

磨削加工对模具寿命的影响

在现代模具生产中采用了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术。磨削加工工作量将占模具总的制造工时的25％～45％。我模具工业发展到今天取得了巨大的进步，但仍然与国外先进水平有较大的差距，在模具寿命上的比较见附表。模具制造的成品质量与模具制造精度密切相关，特别是与模具型腔面的精度和表面粗糙度有着密切关系。 　　实际生产中，影响模具失效的因素有：①模具结构；②模具材料；③冷热加工的制造工艺（锻造、热处理、切削加工、磨削加工、电加工等）；④模具工作条件。要提高模具寿命，必须对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行认真分析，制定克服的办法和措施。 　　目前，在国际上有两种模具制造工艺路线：一是以提高机械加工与电加工的精度与质量，使手工精加工的工作量降到最低，如高精密机床和高速成型铣床及其加工工艺的发展，为这条工艺路线的发展奠定基础。二是侧重精加工中的抛光和研磨工艺，其加工工时，与机械加工、电火花加工时间几乎相等。一副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保证的。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。 　　磨削加工对模具寿命的影响未引起们的充分重视，由于不正确的磨削工艺，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及产生磨削应力，致使后续工序及模具在服役期间的机械疲劳、冷热疲劳产生裂纹的萌生源，严重影响模具的使用寿命。 　　研究和探讨如何提高磨削加工质量，提高模具使用寿命、延服役时间，促进采用模具新技术，正是本文的目的。 1模具的磨削加工 磨削过程的实质是工件被磨削了金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压、磨擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削的全过程表现为力和热的作用。 ①在磨削过程中，加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此，表面产生热压应力。当磨削结束时，工件表面温度降低，由于表面已产生热态塑性变形并受到基体的限制，故而表面产生残余拉应力，里层产生残余压应力。 ②磨削时，砂轮与工件为弧面接触，砂轮切削时工件产生塑性变形及砂轮与工件间剧烈的摩擦阻力，从而在砂轮与工件间形成大小相等，方向相反的磨削力，同时由于表层材料塑性变形时使工件材料内部金属分子之间产生相对位移，形成内摩擦而发热，砂轮和工件之间外摩擦也产生热量，这种磨削热在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温，而砂轮是不易传热的，所以80%的热传入工件和磨屑，而金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格，发生金相组织的转变，在磨削淬硬钢时，冷却充分，表面层产生二次淬火，部分残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体比容较大，比容增加，表面产生压应力，如果磨削冷却不好，或不用冷却液，表面产生回火，发生马氏体转变，表面产生拉应力（如γ一Fe转变为α－Fe时铁的体积会膨胀1%，），这些应力（残余应力可达到500～1000MPa），如果超过材料的屈服极限时，便产生磨削裂纹，另外热处理淬火后模具未立即回火，淬火温度过高，有网状碳化，回火后未回火的马氏体或残余奥氏体过多，在磨削时都会产生相变，发生应力使工件表层产生裂纹。磨削裂纹是一种很细的表面裂纹，磨削裂纹形态一般有3种：平行线条状、网络龟裂状、八字形裂纹。裂纹的发生方向和模具形状有关，裂纹的发展方向和砂轮在工件表面磨削方向有关，其深度在0.03mm以内。 ③磨削时，砂轮不锋利，进刀量大，冷却不良等使工件表面产生的温度达300℃，引起工件表面发生烧伤现象。 2减少磨削加工缺陷的措施 ①合理选择磨削用量，采用径向进给量较小的精磨方法甚至精细磨削。如适当减少径向进给量及砂轮速度、增大轴向进给量，使砂轮与工件接触面积减少，散热条件得到改善，从而有效地控制表层温度的提高。 ②合理选择和修整砂轮，采用白刚玉的砂轮较好，它的性能硬而脆，且易产生新的切削刃，因此切削力小，磨削热较小，在粒度上使用中等粒度，如46～60目较好，在砂轮硬度上采用中软和软（ZR1、ZR2和R1、R2），即粗粒度、低硬度的砂轮，自励性好可降低切削热。 精磨时选择适当的砂轮十分重要，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合，当加工硬质合金、淬火硬度高的材料时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN（立方氮化硼）砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨床、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。 在磨削加工中，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。 ③合理使用冷却润滑液，发挥冷却、洗涤、润滑的三大作用，保持冷却润滑清洁，从而控制磨削热在允许范围内，以防止工件热变形。改善磨削时的冷却条件，如采用浸油砂轮或内冷却砂轮等措施。将切削液引入砂轮的中心，切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用，防止工件表面烧伤。 ④将热处理后的淬火应力降低到最低限度，因为淬火应力、网状碳化组织在磨削力的作用下，组织产生相变极易使工件产生裂纹。对于高精度模具为了消除磨削的残余应力，在磨削后应进行低温时效处理以提高韧性。 ⑤消除磨削应力也可将模具在260～315℃盐浴中浸1.5min，然后在30℃油中冷却，这样硬度可下降1HRC，残留应力降低40％～65％。 ⑥对于尺寸公差在0.01mm以内的精密模具的精密磨削要注意环境温度的影响，要求恒温磨削。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。 ⑦采用电解磨削加工，改善模具制造精度和表面质量。电解磨削时,砂轮刮除氧化膜：而不是磨削金属，因而磨削力小，磨削热也小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤等现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm；另外，砂轮的磨损置小，如磨削硬质合金，碳化硅砂轮的磨损量大约为磨削掉的硬质合金重量的400%～600％，用电解磨?br>魇保?奥值哪ニ鹆恐挥杏仓屎辖鹉コ?康?0%～100%. 3结束语 总之模具在制造时要充分重视磨削工序，使磨削微裂纹和残余应力降低到最低限度，以提高模具的使用寿命。模具制造是模具设计的延续，是验证设计正确性的过程。在现代模具生产中采用了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术。磨削加工工作量将占模具总的制造工时的25％～45％。我国模具工业发展到今天取得了巨大的进步，但仍然与国外先进水平有较大的差距，在模具寿命上的比较见附表。模具制造的成品质量与模具制造精度密切相关，特别是与模具型腔面的精度和表面粗糙度有着密切关系。 　　实际生产中，影响模具失效的因素有：①模具结构；②模具材料；③冷热加工的制造工艺（锻造、热处理、切削加工、磨削加工、电加工等）；④模具工作条件。要提高模具寿命，必须对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行认真分析，制定克服的办法和措施。 　　目前，在国际上有两种模具制造工艺路线：一是以提高机械加工与电加工的精度与质量，使手工精加工的工作量降到最低，如高精密机床和高速成型铣床及其加工工艺的发展，为这条工艺路线的发展奠定基础。二是侧重精加工中的抛光和研磨工艺，其加工工时，与机械加工、电火花加工时间几乎相等。一副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保证的。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。 　　磨削加工对模具寿命的影响未引起人们的充分重视，由于不正确的磨削工艺，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及产生磨削应力，致使后续工序及模具在服役期间的机械疲劳、冷热疲劳产生裂纹的萌生源，严重影响模具的使用寿命。 　　研究和探讨如何提高磨削加工质量，提高模具使用寿命、延长服役时间，促进采用模具新技术，正是本文的目的。 1模具的磨削加工 磨削过程的实质是工件被磨削了金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压、磨擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削的全过程表现为力和热的作用。 ①在磨削过程中，加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此，表面产生热压应力。当磨削结束时，工件表面温度降低，由于表面已产生热态塑性变形并受到基体的限制，故而表面产生残余拉应力，里层产生残余压应力。 ②磨削时，砂轮与工件为弧面接触，砂轮切削时工件产生塑性变形及砂轮与工件间剧烈的摩擦阻力，从而在砂轮与工件间形成大小相等，方向相反的磨削力，同时由于表层材料塑性变形时使工件材料内部金属分子之间产生相对位移，形成内摩擦而发热，砂轮和工件之间外摩擦也产生热量，这种磨削热在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温，而砂轮是不易传热的，所以80%的热传入工件和磨屑，而金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格，发生金相组织的转变，在磨削淬硬钢时，冷却充分，表面层产生二次淬火，部分残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体比容较大，比容增加，表面产生压应力，如果磨削冷却不好，或不用冷却液，表面产生回火，发生马氏体转变，表面产生拉应力（如γ一Fe转变为α－Fe时铁的体积会膨胀1%，），这些应力（残余应力可达到500～1000MPa），如果超过材料的屈服极限时，便产生磨削裂纹，另外热处理淬火后模具未立即回火，淬火温度过高，有网状碳化，回火后未回火的马氏体或残余奥氏体过多，在磨削时都会产生相变，发生应力使工件表层产生裂纹。磨削裂纹是一种很细的表面裂纹，磨削裂纹形态一般有3种：平行线条状、网络龟裂状、八字形裂纹。裂纹的发生方向和模具形状有关，裂纹的发展方向和砂轮在工件表面磨削方向有关，其深度在0.03mm以内。 　　③磨削时，砂轮不锋利，进刀量大，冷却不良等使工件表面产生的温度达300℃，引起工件表面发生烧伤现象。 2减少磨削加工缺陷的措施 　①合理选择磨削用量，采用径向进给量较小的精磨方法甚至精细磨削。如适当减少径向进给量及砂轮速度、增大轴向进给量，使砂轮与工件接触面积减少，散热条件得到改善，从而有效地控制表层温度的提高。 ②合理选择和修整砂轮，采用白刚玉的砂轮较好，它的性能硬而脆，且易产生新的切削刃，因此切削力小，磨削热较小，在粒度上使用中等粒度，如46～60目较好，在砂轮硬度上采用中软和软（ZR1、ZR2和R1、R2），即粗粒度、低硬度的砂轮，自励性好可降低切削热。 精磨时选择适当的砂轮十分重要，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合，当加工硬质合金、淬火硬度高的材料时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN（立方氮化硼）砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨床、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。 在磨削加工中，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。 ③合理使用冷却润滑液，发挥冷却、洗涤、润滑的三大作用，保持冷却润滑清洁，从而控制磨削热在允许范围内，以防止工件热变形。改善磨削时的冷却条件，如采用浸油砂轮或内冷却砂轮等措施。将切削液引入砂轮的中心，切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用，防止工件表面烧伤。 ④将热处理后的淬火应力降低到最低限度，因为淬火应力、网状碳化组织在磨削力的作用下，组织产生相变极易使工件产生裂纹。对于高精度模具为了消除磨削的残余应力，在磨削后应进行低温时效处理以提高韧性。 ⑤消除磨削应力也可将模具在260～315℃盐浴中浸1.5min，然后在30℃油中冷却，这样硬度可下降1HRC，残留应力降低40％～65％。 ⑥对于尺寸公差在0.01mm以内的精密模具的精密磨削要注意环境温度的影响，要求恒温磨削。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。 ⑦采用电解磨削加工，改善模具制造精度和表面质量。电解磨削时,砂轮刮除氧化膜：而不是磨削金属，因而磨削力小，磨削热也小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤等现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm；另外，砂轮的磨损置小，如磨削硬质合金，碳化硅砂轮的磨损量大约为磨削掉的硬质合金重量的400%～600％，用电解磨削时，砂轮的磨损量只有硬质合金磨除量的50%～100%. 3结束语 总之模具在制造时要充分重视磨削工序，使磨削微裂纹和残余应力降低到最低限度，以提高模具的使用寿命。