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輔助自動(dòng)化設(shè)備提升鈑金企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力
文／李冰·深圳市銳特爾精密模具有限公司
隨著各行業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化，競(jìng)爭(zhēng)白熱化，人工不斷攀升的微利時(shí)代的到來(lái)，對(duì)于中小型企業(yè)，每一道工序，每一道工藝對(duì)企業(yè)控制成本，提高利潤(rùn)率就顯得非常重要。特別是鈑金加工企業(yè)，模具是日常消耗品，對(duì)模具選擇和使用，以及正確的保養(yǎng)就尤其重要了。下文就鈑金加工中的重要環(huán)節(jié)數(shù)控沖輔助自動(dòng)化設(shè)備對(duì)模具使用中的研（刃）磨問(wèn)題展開(kāi)一些實(shí)用性的討論。
目前在數(shù)控模具生產(chǎn)中國(guó)內(nèi)只有極少數(shù)企業(yè)采用了先進(jìn)、高效、高精密機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)。由于數(shù)控模具的精密性，磨削加工工作量占模具總的制造工時(shí)的90%以上。而目前磨床加工工藝能實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化的企業(yè)就更加廖若星辰了！模具的質(zhì)量與模具制造精度密切相關(guān)，特別是模具配合精度和表面粗糙度跟磨削有著密切關(guān)系，模具刀口的質(zhì)量與磨削工藝就更加密切了，這就是很多鈑金企業(yè)普遍反映的一個(gè)問(wèn)題：新模具刀口非常鋒利，也非常耐用，一旦客戶自己修磨刀口后，模具沖裁次數(shù)就不如新模具了，于是絕大多數(shù)客戶將問(wèn)題歸結(jié)于模具質(zhì)量不好。以筆者從事磨削工作二十多年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這跟磨削的工具、磨削的工藝、磨床的先進(jìn)性有關(guān)，鈑金企業(yè)將自己研磨后的模具質(zhì)量問(wèn)題簡(jiǎn)單的判定為模具廠是非常值得商榷的。
要提升數(shù)控沖切效率，要提高數(shù)控沖切品質(zhì)，要減少去除數(shù)控沖切后的披鋒毛刺的工時(shí)，就必須要檢討導(dǎo)致模具失效的主要因素：⑴模具結(jié)構(gòu)；⑵模具材料；⑶冷、熱加工的制造工藝（如鍛造、切削加工、熱處理、磨削加工、放電加工等）；⑷模具工作條件等。要提高模具壽命，減少生產(chǎn)中的換模具的等待工時(shí)，就必須對(duì)導(dǎo)致模具損傷的原因及各種影響因素進(jìn)行細(xì)致的分析，制定克服的辦法和措施。
磨削加工對(duì)模具壽命的影響目前仍然未引起業(yè)界的充分重視，由于不恰當(dāng)?shù)哪ハ鞴に?，造成工件表面燒傷退火、磨削后的龜裂、磨削粗糙及產(chǎn)生磨削應(yīng)力，致使后續(xù)工序及模具在使用期間的機(jī)械疲勞產(chǎn)生的不耐磨，冷熱疲勞產(chǎn)生裂紋，將嚴(yán)重影響模具的使用壽命。研究和探討如何提高磨削加工質(zhì)量，提高模具使用壽命、延長(zhǎng)使用時(shí)間，促進(jìn)行業(yè)采用模具制造和再研磨的新技術(shù)、新工藝，提高鈑金企業(yè)利潤(rùn)率才是筆者的目的，本文就一些磨削及材料熱處理的基礎(chǔ)理論與大家探討。
模具的磨削加工原理及現(xiàn)狀
磨削過(guò)程的實(shí)質(zhì)是工件被磨削了金屬表層，在無(wú)數(shù)磨粒瞬間的擠壓、磨擦作用下產(chǎn)生變形，而后轉(zhuǎn)為磨屑，并形成光潔表面的過(guò)程，磨削的全過(guò)程表現(xiàn)為力和熱的作用。
⑴在磨削過(guò)程中，加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)工件金屬基體溫度較高，因此表面產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)磨削結(jié)束時(shí)，工件表面溫度降低，由于表面已產(chǎn)生熱態(tài)塑性變形并受到基體的限制，因此表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，工件里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
⑵一般情況下的內(nèi)外圓或者平面磨削時(shí)，砂輪與工件為弧線接觸，砂輪切削時(shí)工件產(chǎn)生塑性變形及砂輪與工件之間劇烈的摩擦阻力，從而在砂輪與工件間形成大小相等，方向相反的磨削力，同時(shí)由于表層材料塑性變形時(shí)使工件材料內(nèi)部金屬分子之間產(chǎn)生相對(duì)位移，形成內(nèi)摩擦而發(fā)熱，砂輪和工件之間外摩擦也產(chǎn)生熱量，這種磨削熱在磨削區(qū)會(huì)產(chǎn)生局部瞬時(shí)800～1000℃的高溫，而一般普通砂輪是不易傳熱的，所以80%的熱傳入工件和磨屑，而金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，發(fā)生金相組織的轉(zhuǎn)變。在磨削淬硬鋼時(shí)，冷卻充分，表面層產(chǎn)生二次淬火，部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而馬氏體比容較大，比容增加，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力；如果磨削冷卻不好，或不用冷卻液的干磨，表面產(chǎn)生回火，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力（如γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>α-Fe時(shí)鐵的體積會(huì)膨脹1%），這些應(yīng)力（殘余應(yīng)力可達(dá)到500～1000MPa），如果超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，便產(chǎn)生磨削裂紋，另外如果熱處理淬火后模具未立即回火，淬火溫度過(guò)高，有網(wǎng)狀碳化，回火后未回火的馬氏體或殘余奧氏體過(guò)多，在磨削時(shí)都會(huì)產(chǎn)生相變，發(fā)生應(yīng)力使工件表層產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋是一種很細(xì)微的表面裂紋，磨削裂紋形態(tài)一般有3種：平行線條狀、網(wǎng)絡(luò)龜裂狀、八字形裂紋。裂紋的發(fā)生方向和模具形狀有關(guān)，裂紋的發(fā)展方向還和砂輪在工件表面磨削方向有關(guān)，其深度大約在0.03mm以內(nèi)。
⑶磨削時(shí)：砂輪鈍化后不鋒利，人工進(jìn)刀量大不均勻，冷卻不良等使工件表面產(chǎn)生的溫度達(dá)300℃以上，引起工件表面發(fā)生燒傷退火現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的模具企業(yè)和鈑金企業(yè)再研磨時(shí)都普遍存在。主要與員工要趕工制造，跟計(jì)件工資以及廠家磨床設(shè)備陳舊、生產(chǎn)工藝落后、管理體系不健全等有關(guān)。
如何減少模具磨削加工缺陷
⑴ 正確的細(xì)分磨削工藝：粗磨、細(xì)磨、精磨、拋光等，合理選擇磨削用量，銳特爾公司采用數(shù)控磨床加工，徑向進(jìn)給量自動(dòng)控制，擯棄人為的大進(jìn)給量，同時(shí)磨削工藝由電腦自動(dòng)控制為：粗磨、細(xì)磨、精磨、拋光，同時(shí)根據(jù)磨削表面的大小來(lái)自動(dòng)設(shè)定磨削進(jìn)給量，進(jìn)給時(shí)間和周期，磨削的全過(guò)程為較小的、均勻的、細(xì)致的進(jìn)刀量。沒(méi)有數(shù)控磨床的情況下，如適當(dāng)減少?gòu)较蜻M(jìn)給量及砂輪速度、增大軸向進(jìn)給量，使砂輪與工件接觸面積減少，散熱條件得到改善，也能有效地控制表層溫度的升高，從而提高模具品質(zhì)。
⑵ 合理選擇和修整砂輪，一般廠家采用白剛玉的砂輪，它的性能硬而脆，且易產(chǎn)生新的切削刃，因 此切削力小，磨削熱較小，在粒度上使用中等粒度，如46～60目較好，在砂輪硬度上采用中軟和軟（ZR1、ZR2和R1、R2），即粗粒度、低硬度的砂輪，自銳性好可降低切削熱。精磨時(shí)選擇適當(dāng)?shù)纳拜喪种匾?，針?duì)模具鋼材的高鉻、高釩、高鉬、高鎢狀況，選用GD單晶剛玉、大氣孔的砂輪比較適合(圖1)，同時(shí)要經(jīng)常修整砂輪，保持砂輪的鋒利性，防止磨削燒刀退火（圖2）及龜裂。
  
圖1 GD單晶剛玉粗粒度大氣孔砂輪與細(xì)粒度砂輪比 圖2 沖頭刀口平面磨床研磨時(shí)被燒刀退火的情況
⑶ 當(dāng)加工硬質(zhì)合金、淬火硬度高的材料時(shí)，優(yōu)先采用有機(jī)粘結(jié)劑的金剛石砂輪，有機(jī)粘結(jié)劑砂輪自銳性好，磨出的工件粗糙度可達(dá)Ra0.2μm，CBN（立方氮化硼）砂輪加工效果更佳，當(dāng)然是在數(shù)控成型磨床、坐標(biāo)磨床、CNC內(nèi)外圓磨床等高速、高精度機(jī)床上精加工，方能體現(xiàn)這種工藝的效果。在磨削加工中，要注意及時(shí)修整砂輪，保持砂輪的銳利，當(dāng)砂輪鈍化后，會(huì)在工件表面滑擦、擠壓，造成工件表面燒傷，強(qiáng)度降低。因此選購(gòu)數(shù)控磨床自動(dòng)磨削，自動(dòng)修整砂輪，自動(dòng)控制進(jìn)給就尤為重要了。
⑷ 合理使用冷卻潤(rùn)滑液，發(fā)揮冷卻、洗滌、潤(rùn)滑的三大作用，保持冷卻潤(rùn)滑清潔，從而控制磨削熱在允許范圍內(nèi)，以防止工件熱變形。改善磨削時(shí)的冷卻條件，如采用浸油砂輪、內(nèi)冷卻砂輪、氣槽式砂輪等。將切削液引入砂輪的中心，切削液可直接進(jìn)入磨削區(qū)，發(fā)揮有效的冷卻作用，防止工件表面燒傷、內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。數(shù)控磨床即采用這種砂輪及冷卻方式，對(duì)模具刀口刃磨（研磨）后使用壽命提高2～3倍。
⑸ 將模具熱處理后的淬火應(yīng)力降低到最低限度，因?yàn)榇慊饝?yīng)力、網(wǎng)狀碳化組織在磨削力的作用下，組織產(chǎn)生相變極易使工件產(chǎn)生裂紋，因此模具熱處理后必須超深冷處理。銳特爾模具超深冷處理為－150℃。
⑹ 對(duì)于高精度模具為了消除磨削的殘余應(yīng)力，在磨削后還應(yīng)進(jìn)行低溫時(shí)效處理以提高韌性；消除磨削應(yīng)力必須將模具再回火處理，這樣硬度可下降1HRC，殘留應(yīng)力降低50%～65%。由于數(shù)控沖床模具需要快速交貨，一般廠家很難對(duì)加工好的模具再處理，只有大型模具廠家有可能做到這個(gè)工藝，因?yàn)榇笮湍＞邚S家基本都是大規(guī)模做半成品或者成品庫(kù)存，常用規(guī)格模具可以做到加工完成后再做人工或者自然時(shí)效處理，這也是大廠同樣材質(zhì)，同樣工藝制造，模具品質(zhì)普遍比小廠好的重要原因之一。
⑺ 采用電解磨削加工，改善模具制造精度和表面質(zhì)量。電解磨削時(shí)砂輪刮除模具表面的氧化膜，而不是磨削金屬，因而磨削力小，磨削熱也小，不會(huì)產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋、燒傷等現(xiàn)象，一般表面粗糙度可優(yōu)于Ra0.16μm；另外，砂輪的磨損小，如磨削硬質(zhì)合金，碳化硅砂輪的磨損量大約為磨削掉的硬質(zhì)合金重量的400%～600%，用電解磨削時(shí)，砂輪的磨損量只有硬質(zhì)合金磨除量的50%～100%。
模具磨削的解決方案
⑴ 在模具制造時(shí)要充分重視磨削工序，嚴(yán)格控制磨削進(jìn)刀量，充分水冷卻，及時(shí)修整砂輪，增加空刀磨削時(shí)間和次數(shù)，徹底消除磨削微裂紋，將殘余應(yīng)力降低到最低限度，以提高模具的使用壽命；
⑵ 最根本的解決方案是購(gòu)置數(shù)控磨床，將磨削工藝標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、自動(dòng)化，徹底消除人為的大進(jìn) 刀、冷卻不充分、不及時(shí)修整砂輪的鈍磨削等，最終達(dá)到提高模具質(zhì)量，延長(zhǎng)模具使用壽命。
模具的刀口磨削（刃磨、研磨）
模具刀口的磨削原理和模具制造過(guò)程完全相同，下面就鈑金企業(yè)在模具使用中的研磨方法做簡(jiǎn)略敘述：
數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)與平面磨床研磨對(duì)比（圖3）：
    ⑴ 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)（圖4）不占人員、不需熟練磨工，磨削量、進(jìn)給量、水冷卻、甚至機(jī)床潤(rùn)滑等設(shè)定均由系統(tǒng)自動(dòng)控制，操作極其簡(jiǎn)單。平面磨床需要專門人員、需要熟練磨工，否則修洗砂輪隨意、進(jìn)給量隨意、沖水隨意等研磨質(zhì)量及安全問(wèn)題將長(zhǎng)期困擾客戶。
  
⑵ 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)安全、快捷、方便，特殊制作的高精度三爪自定心卡盤，厚塔AB沖頭不需拆卸彈簧即可研磨（圖5），不同規(guī)格的模具安裝方便；由于厚塔上模沖頭207mm比較長(zhǎng)，平面磨床裝夾很不方便，而且容易出現(xiàn)A工位下模打飛或沖頭小刀口折斷等不安全事故，同時(shí)下模只有30mm又比較短，平面磨床需要長(zhǎng)行程的升降磨頭，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，影響磨削效率和研磨質(zhì)量。
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圖5 自動(dòng)研磨機(jī)與平面磨床研磨沖頭時(shí)安裝對(duì)比
ａ）自動(dòng)研磨機(jī)研磨厚塔AＢ工位模具可免拆彈簧即可研磨 ，沖頭不會(huì)被磁化；
ｂ）平面磨床研磨沖頭需要拆卸彈簧打擊頭后才可以研磨沖頭，同時(shí)沖頭會(huì)被磁盤磁化，研磨后必須退磁，否則會(huì)導(dǎo)致沖孔時(shí)帶料。
⑶ 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)占地面積小，全罩式鈑金設(shè)計(jì)，防水無(wú)塵，可靠近數(shù)控沖床安裝，模具即鈍即磨，對(duì)于沒(méi)有備品的數(shù)控沖模，特別方便。平面磨床磨削有水霧和粉塵，不能靠近數(shù)控沖床擺放，磨削時(shí)產(chǎn)生的水霧和粉塵進(jìn)入數(shù)控沖床滾珠絲桿和線性導(dǎo)軌會(huì)損害昂貴的機(jī)床設(shè)備。
⑷ 數(shù)控自動(dòng)研磨效率高，自動(dòng)研磨機(jī)3分鐘內(nèi)就可以研磨好A、B沖頭，大刀口亦在數(shù)分鐘內(nèi)完成；平面磨床卻需要30分鐘左右甚至更多時(shí)間。自動(dòng)研磨機(jī)磨削后不需退磁工序，平面磨床研磨后必須退磁，否則沖壓時(shí)容易出現(xiàn)帶料現(xiàn)象，導(dǎo)致模具重復(fù)沖壓，打壞模具或者板材。
⑸ 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)磨削精度高，磨削屋頂式?jīng)_頭對(duì)稱性極佳，砂輪軸與工作面同軸設(shè)計(jì)，機(jī)床剛性和平行度一致，通過(guò)輔助工具可傾斜角度磨單斜（圖6）或者屋頂式?jīng)_頭；平面磨床磨削屋頂沖頭不方便，必須采用正玄磁盤或者其他專用工裝，磨削對(duì)稱度準(zhǔn)確度不易控制，數(shù)控沖壓時(shí)容易出現(xiàn)偏載，導(dǎo)致模具破裂或者產(chǎn)品沖廢。
圖6 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)研磨剪切角（斜刃口）沖頭
圖７ 平面磨床研磨沖頭剪切角（斜刃口）時(shí)，需要安裝正弦磁盤，通過(guò)人工打表找正方可實(shí)現(xiàn)研磨，同時(shí)研磨后必須要退磁，否則被磁化的沖頭在數(shù)控沖孔時(shí)會(huì)帶料。
⑹ 數(shù)控自動(dòng)研磨機(jī)磨削品質(zhì)高，采用氣槽式CBN砂輪，無(wú)需修洗砂輪，無(wú)火花磨削，對(duì)模具無(wú)人為損傷。CBN砂輪磨削時(shí)瞬間產(chǎn)生的溫度才280℃左右，模具刃口既無(wú)高溫火花退火又減小了加工應(yīng)力，模具品質(zhì)容易保證、耐磨性也相應(yīng)提高了。平面磨床采用傳統(tǒng)鋼玉類砂輪磨削，需要修洗砂輪產(chǎn)生粉塵，磨削時(shí)模具刀刃表面會(huì)有大量火花產(chǎn)生，在熟練磨工操控及正常進(jìn)刀量下傳統(tǒng)剛玉砂輪磨削工件時(shí)瞬間產(chǎn)生的溫度達(dá)800～1000℃高溫，事實(shí)上模具刃口相當(dāng)于被局部退火或回火了、并再次產(chǎn)生了加工應(yīng)力。實(shí)際加工中工人為了完成生產(chǎn)任務(wù)，人為的加大進(jìn)刀量（圖８）和無(wú)水干磨（圖９）所產(chǎn)生更高的溫度，導(dǎo)致模具刀口表面退火卻又不易監(jiān)控，在后續(xù)使用中會(huì)發(fā)現(xiàn)模具不耐磨，模具刃磨自然次數(shù)就增加了，模具使用壽命和數(shù)控沖床的加工效率大幅降低了。
圖８ 進(jìn)刀量過(guò)大，燒刀后退火，模具壽命減少 圖９冷卻液不足，也會(huì)導(dǎo)致燒刀 圖10正常研磨
結(jié)束語(yǔ)
總之模具在制造以及使用過(guò)程中要充分重視磨削工序，使磨削微裂紋和殘余應(yīng)力降低到最低限度，以提高模具的使用壽命。模具的使用是模具設(shè)計(jì)和制造的延續(xù)，是驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性的過(guò)程。在現(xiàn)代鈑金生產(chǎn)中采用了先進(jìn)、高效、高精密機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，只有合理的使用模具，才能充分發(fā)揮先進(jìn)數(shù)控沖床的性能，提高數(shù)控沖床的沖切效率，提高數(shù)控沖床的沖切品質(zhì)，從而降低加工成本。也只有重視先進(jìn)設(shè)備、配置先進(jìn)模具、應(yīng)用先進(jìn)工藝，在使用過(guò)程中的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的鈑金企業(yè)，才能在日趨激烈的市場(chǎng)中贏得市場(chǎng)份額，才能持續(xù)經(jīng)營(yíng)和發(fā)展。
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