磨削加工對模具壽命的影響

    模具制造是模具設計的延續(xù)，是驗證設計正確性的過程。在現代模具生產中采用了先進、高效、高精密機床和自動化生產技術。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。造是模具設計的延續(xù)，是驗證設計正確性的過程。在現代模具生產中采用了先進、高效、高精密機床和自動化生產技術。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。模具制造的成品質量與模具制造精度密切相關，特別是與模具型腔面的精度和表面粗糙度有著密切關系。
　實際生產中，影響模具失效的因素有：①模具結構；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，必須對導致模具損傷的原因及各種影響因素進行認真分析，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。二是側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保證的。在國內大多數的模具制造企業(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、磨削痕及產生磨削應力，致使后續(xù)工序及模具在服役期間的機械疲勞、冷熱疲勞產生裂紋的萌生源，嚴重影響模具的使用壽命。
　研究和探討如何提高磨削加工質量，提高模具使用壽命、延長服役時間，促進采用模具新技術，正是本文的目的。
1、模具的磨削加工
    磨削過程的實質是工件被磨削了金屬表層，在無數磨粒瞬間的擠壓、磨擦作用下產生變形，而后轉為磨屑，并形成光潔表面的過程。磨削的全過程表現為力和熱的作用。
①在磨削過程中，加工表面在切削熱作用下產生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此，表面產生熱壓應力。當磨削結束時，工件表面溫度降低，由于表面已產生熱態(tài)塑性變形并受到基體的限制，故而表面產生殘余拉應力，里層產生殘余壓應力。
② 磨削時，砂輪與工件為弧面接觸，砂輪切削時工件產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部金屬分子之間產生相對位移，形成內摩擦而發(fā)熱，砂輪和工件之間外摩擦也產生熱量，這種磨削熱在磨削區(qū)會產生局部瞬時達 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變?yōu)榱硪环N晶格，發(fā)生金相組織的轉變，在磨削淬硬鋼時，冷卻充分，表面層產生二次淬火，部分殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，而馬氏體比容較大，比容增加，表面產生壓應力，如果磨削冷卻不好，或不用冷卻液，表面產生回火，發(fā)生馬氏體轉變，表面產生拉應力（如γFe轉變?yōu)?alpha;－Fe時鐵的體積會膨脹1%，），這些應力（殘余應力可達到500～1000 MPa），如果超過材料的屈服極限時，便產生磨削裂紋，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，在磨削時都會產生相變，發(fā)生應力使工件表層產生裂紋。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、網絡龜裂狀、八字形裂紋。裂紋的發(fā)生方向和模具形狀有關，裂紋的發(fā)展方向和砂輪在工件表面磨削方向有關，其深度在0.03 mm以內。
③磨削時，砂輪不鋒利，進刀量大，冷卻不良等使工件表面產生的溫度達300℃，引起工件表面發(fā)生燒傷現象。
2、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。
    精磨時選擇適當的砂輪十分重要，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合，當加工硬質合金、淬火硬度高的材料時，優(yōu)先采用有機粘結劑的金剛石砂輪，有機粘結劑砂輪自磨性好，磨出的工件粗糙度可達Ra0.2μm，近年來，隨著新材料的應用，CBN（立方氮化硼）砂輪顯示出十分好的加工效果，在數控成型磨床、坐標磨床、CNC內外圓磨床上精加工，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，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力降低到最低限度，因為淬火應力、網狀碳化組織在磨削力的作用下，組織產生相變極易使工件產生裂紋。對于高精度模具為了消除磨削的殘余應力，在磨削后應進行低溫時效處理以提高韌性。
⑤消除磨削應力也可將模具在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，殘留應力降低40%～65%。
⑥ 對于尺寸公差在0.01 mm以內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，不會產生磨削毛刺、裂紋、燒傷等現象，一般表面粗糙度可優(yōu)于Ra0.16μm；另外，砂輪的磨損置小，如磨削硬質合金，碳化硅砂輪的磨損量大約為磨削掉的硬質合金重量的400%～600%，用電解磨削時，砂輪的磨損量只有硬質合金磨除量的50%～100%。
3 結束語
    總之模具在制造時要充分重視磨削工序，使磨削微裂紋和殘余應力降低到最低限度，以提高模具的使用壽命。模具制造是模具設計的延續(xù)，是驗證設計正確性的過程。在現代模具生產中采用了先進、高效、高精密機床和自動化生產技術。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。模具制造的成品質量與模具制造精度密切相關，特別是與模具型腔面的精度和表面粗糙度有著密切關系。