磨削加工對模具壽命的影響

 模具制造是模具設(shè)計的延續(xù)，是驗證設(shè)計正確性的過程。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中采用了先進、高效、高精密機床和自動化生產(chǎn)技術(shù)。磨削加工工作量將占模具總的制造工時的25%～45%。我國模具工業(yè)發(fā)展到今天取得了巨大的進步，但仍然與國外先進水平有較大的差距，在模具壽命上的比較見附表。造是模具設(shè)計的延續(xù)，是驗證設(shè)計正確性的過程。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中采用了先進、高效、高精密機床和自動化生產(chǎn)技術(shù)。磨削加工工作量將占模具總的制造工時的25%～45%。我國模具工業(yè)發(fā)展到今天取得了巨大的進步，但仍然與國外先進水平有較大的差距，在模具壽命上的比較見附表。模具制造的成品質(zhì)量與模具制造精度密切相關(guān)，特別是與模具型腔面的精度和表面粗糙度有著密切關(guān)系。

    實際生產(chǎn)中，影響模具失效的因素有：①模具結(jié)構(gòu)；②模具材料；③冷熱加工的制造工藝（鍛造、熱處理、切削加工、磨削加工、電加工等）；④模具工作條件。要提高模具壽命，必須對導(dǎo)致模具損傷的原因及各種影響因素進行認(rèn)真分析，制定克服的辦法和措施。

    目前，在國際上有兩種模具制造工藝路線：一是以提高機械加工與電加工的精度與質(zhì)量，使手工精加工的工作量降到最低，如高精密機床和高速成型銑床及其加工工藝的發(fā)展，為這條工藝路線的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。二是側(cè)重精加工中的拋光和研磨工藝，其加工工時，與機械加工、電火花加工時間幾乎相等。一副模具是由眾多的零件組配而成，零件的質(zhì)量直接影響著模具的質(zhì)量，而零件的最終質(zhì)量又是由精加工來保證的。在國內(nèi)大多數(shù)的模具制造企業(yè)，精加工階段采用的方法一般是磨削、電加工及鉗工處理。

    磨削加工對模具壽命的影響未引起人們的充分重視，由于不正確的磨削工藝，造成工件表面燒傷、磨削裂紋、磨削痕及產(chǎn)生磨削應(yīng)力，致使后續(xù)工序及模具在服役期間的機械疲勞、冷熱疲勞產(chǎn)生裂紋的萌生源，嚴(yán)重影響模具的使用壽命。

一、模具的磨削加工

    磨削過程的實質(zhì)是工件被磨削了金屬表層，在無數(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程。磨削的全過程表現(xiàn)為力和熱的作用。

    ①在磨削過程中，加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此，表面產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)磨削結(jié)束時，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，故而表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

    ② 磨削時，砂輪與工件為弧面接觸，砂輪切削時工件產(chǎn)生塑性變形及砂輪與工件間劇烈的摩擦阻力，從而在砂輪與工件間形成大小相等，方向相反的磨削力，同時由于表層材料塑性變形時使工件材料內(nèi)部金屬分子之間產(chǎn)生相對位移，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)會產(chǎn)生局部瞬時達 1000℃的高溫，而砂輪是不易傳熱的，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，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，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γFe轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒璅e時鐵的體積會膨脹1%，），這些應(yīng)力（殘余應(yīng)力可達到500～1000 MPa），如果超過材料的屈服極限時，便產(chǎn)生磨削裂紋，另外熱處理淬火后模具未立即回火，淬火溫度過高，有網(wǎng)狀碳化，回火后未回火的馬氏體或殘余奧氏體過多，在磨削時都會產(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)展方向和砂輪在工件表面磨削方向有關(guān)，其深度在0.03 mm以內(nèi)。

    ③磨削時，砂輪不鋒利，進刀量大，冷卻不良等使工件表面產(chǎn)生的溫度達300℃，引起工件表面發(fā)生燒傷現(xiàn)象。

二、減少磨削加工缺陷的措施

    ①合理選擇磨削用量，采用徑向進給量較小的精磨方法甚至精細磨削。如適當(dāng)減少徑向進給量及砂輪速度、增大軸向進給量，使砂輪與工件接觸面積減少，散熱條件得到改善，從而有效地控制表層溫度的提高。

    ②合理選擇和修整砂輪，采用白剛玉的砂輪較好，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，自勵性好可降低切削熱。精磨時選擇適當(dāng)?shù)纳拜喪种匾?，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合，當(dāng)加工硬質(zhì)合金、淬火硬度高的材料時，優(yōu)先采用有機粘結(jié)劑的金剛石砂輪，有機粘結(jié)劑砂輪自磨性好，磨出的工件粗糙度可達Ra0.2μm，近年來，隨著新材料的應(yīng)用，CBN（立方氮化硼）砂輪顯示出十分好的加工效果，在數(shù)控成型磨床、坐標(biāo)磨床、CNC內(nèi)外圓磨床上精加工，效果優(yōu)于其它種類砂輪。 在磨削加工中，要注意及時修整砂輪，保持砂輪的銳利，當(dāng)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。

    ③ 合理使用冷卻潤滑液，發(fā)揮冷卻、洗滌、潤滑的三大作用，保持冷卻潤滑清潔，從而控制磨削熱在允許范圍內(nèi)，以防止工件熱變形。改善磨削時的冷卻條件，如采用浸油砂輪或內(nèi)冷卻砂輪等措施。將切削液引入砂輪的中心，切削液可直接進入磨削區(qū)，發(fā)揮有效的冷卻作用，防止工件表面燒傷。

    ④將熱處理后的淬火應(yīng)力降低到最低限度，因為淬火應(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。對于高精度模具為了消除磨削的殘余應(yīng)力，在磨削后應(yīng)進行低溫時效處理以提高韌性。

    ⑤消除磨削應(yīng)力也可將模具在260～315℃鹽浴中浸1.5 min，然后在30℃油中冷卻，這樣硬度可下降1HRC，殘留應(yīng)力降低40%～65%。

    ⑥ 對于尺寸公差在0.01 mm以內(nèi)的精密模具的精密磨削要注意環(huán)境溫度的影響，要求恒溫磨削。由計算可知，300 mm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。

     ⑦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,砂輪刮除氧化膜：而不是磨削金屬，因而磨削力小，磨削熱也小，不會產(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，砂輪的磨損置小，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，砂輪的磨損量只有硬質(zhì)合金磨除量的50%～100%。