模具“葫蘆”狀型芯加工工藝研究

田仕興，張美光

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽 550009）

1 引言

磨削是一種常用的半精加工和精加工方法，砂輪是磨削的切削工具，磨削時砂輪表面大量隨機分布的磨粒在工件表面進行滑擦、刻劃和切削，從而去除工件多余材料的機械加工方法。在磨削加工的過程中，其零件加工質量問題會受到很多因素影響，任何一個環節的失誤都會造成零件出現瑕疵，導致加工零件的精度降低，最終造成零件不能滿足使用的要求。在型芯成型加工的過程中，同樣面對這些不可避免的問題。因此，需要對其機械加工方法進行探究，采用相應合理的加工方法，促進其加工精度的提高，提高零件的生產效率與合格率。

本文以某型號模具葫蘆型芯加工為例進行具體講述。

2 工藝方案分析

2.1 零件工藝性分析

圖1所示為某型號模具型芯常見零件圖，該零件為圓柱狀結構，由幾個大小不一致的臺階外圓和葫蘆形狀的頭部組成，材料為日本大同SKD11，硬度為58～62HRC，要求頭部成型部分粗糙度值不大于Ra0.4μm。

圖1 某型號型芯常見零件圖

常用加工方法為，無心磨（?2.2mm）-工磨（磨端面）-工磨（退刀槽）-無心磨（?1.86mm）-數控工磨（頭部成型形狀）-數控工磨（頭部臺階）-工磨（調長度及臺階尺寸）。該型芯的加工難點為頭部葫蘆形狀的成型加工，各R角相切相連，內凹寬度小，砂輪修整難度大，砂輪磨損快，磨削時受熱變形大，型芯剛度低，尺寸及表面粗糙度難保證等問題。

2.2 零件成型頭部加工工藝的確定

型芯長臺階采用無心磨床加工成型，但型芯頭部葫蘆形狀結構復雜，由直線段與多個曲面平滑相接組成，且內凹寬度小，采用一般磨削方法根本無法磨削，只能通過金剛筆加工出成型砂輪，再用成型砂輪進行磨削加工。但成型砂輪加工難度大，尺寸難保證，現只能采用數控工磨編程修整。

確定型芯頭部成型段加工工藝的原則是保證零件的尺寸精度和表面粗糙度。根據零件工藝性分析，型芯頭部成型的葫蘆形狀加工難度大，尺寸精度和表面粗糙度難保證，故而為保證加工要求，采用數控工具磨床分粗、精兩次磨削加工成型，在加工過程中，數控磨床循環流動的防銹水不斷沖刷清洗，帶走磨削熱量，從而降低零件變形；精加工時，降低磨削進給量，進一步降低磨削受熱，從而保證磨削尺寸精度和表面粗糙度。

2.3 磨削難度及問題

該類型芯直徑小長度長，屬于典型的細長軸零件，磨削時極易振動和彎曲變形，主要有以下幾方面的難點和問題：①細長軸剛性差，磨削時受軸向的夾緊力、徑向的磨削力，極易造成彎曲變形；②磨削時磨削部位產生大量的磨削熱量，造成工件冷熱不均變形，且這種變形量很不均勻；③工件高速旋轉時，在離心力的作用下，極易產生振動，特別是中間部分，振動較大，影響工件的磨削精度和表面質量。

另外，根據磨削原理，在磨削加工時，不管是粗加工還精是加工，零件受熱變形不可避免，所以保證砂輪的鋒利度特別重要，除選擇磨削性能好的砂輪外，提高砂輪的修整頻率，是在加工過程中有效保證砂輪鋒利度的有效手段，可以極大的保證磨削質量。

2.4 磨削問題改進措施

經過以上分析，工件長臺階外圓（?1.86mm）采用無心磨磨床磨削加工成型，加工過程只涉及到磨削熱變形，可以通過磨削液解決。

但對頭部葫蘆形狀的磨削加工，磨削問題主要為磨削受熱變形、彎曲變形和磨削振動問題。對于受熱變形問題，主要是工件在磨削時會產生大量的磨削熱，磨削熱引起工件變形，使工件的尺寸難于控制。改進的方法主要是以水溶液冷卻，降低工件磨削區域溫度，潤滑性能較好的水溶液連續充分的沖洗磨削部位，不但能有效清洗砂輪使其保持鋒利，還能帶走碎屑、磨削熱，提高砂輪的耐用度、降低工件受熱變形，同時也能有效地保證零件的加工質量。

對于彎曲變形和磨削振動問題，可以通過自制磨削夾具，將兩端頂尖夾緊改為長臺階段夾具支撐，這樣，可極大的減少受力長度，從而降低彎曲變形和磨削振動問題。

3 磨削夾具及工件裝夾

3.1 定位基準選擇

定位基準選擇極為重要，重點考慮是如何減少工件的定位誤差，保證工件的加工精度，同時也要考慮工件裝卸方便夾具結構簡單。一般應遵循下列原則：①基準重合原則；②基準統一原則；③自為基準原則；④互為基準原則；⑤裝夾方便原則。

3.2 磨削夾具的目的

磨削夾具的目的是縮短工件的夾持受力長度，將兩端頂尖夾緊受力改為長臺階外圓受力，這樣可降低型芯受砂輪徑向切削力的影響，防止工件在切削力的作用下發生位移偏動，同時，受力長度變短，極大的降低了型芯高速旋轉時的振動問題。

3.3 磨削夾具的設計

頭部葫蘆形狀磨削夾具的設計原理是將型芯長臺階外圓（?1.86mm）段置入夾具“V”形槽內（見圖2），使用壓緊塊壓住型芯，從而實現型芯徑向的限位；通過大徑端面的固定，實現型芯的徑向限位；使用外置電機帶動夾緊環實現型芯的轉動，然后控制成型砂輪的進給實現型芯頭部形狀的加工。“V”形固定塊下置浮動彈簧，用于抵消機床抖動對零件加工的影響，同時可提供預壓力，保證型芯磨削時受砂輪切削力均勻一致，夾具設計圖如圖3所示。

圖2 “V”形限位槽

圖3 夾具設計圖

實際加工中，根據型芯長臺階外圓尺寸選擇合適的“V”形夾緊塊。并根據型芯外圓直徑的大小，選擇合適的壓塊夾緊力，夾緊力大，型芯轉動速度不均衡，磨削面不圓滑自然，夾緊力小，型芯易沿徑向跳動，影響磨削尺寸一致性和磨削圓度，降低磨削質量。

3.4 工件的裝夾

型芯夾具校正后固定在機床上，金剛石修刀和型芯“V”形槽處于一條直線上，從而只需砂輪的移動并可實現成型砂輪的成型加工、加工過程中砂輪的修整和型芯的磨削加工，避免了機床臺的移動，有效保證加工尺寸一致性。夾具固定在機床上如圖4所示，型芯夾緊轉動及所處位置如圖5所示。

圖4 夾具固定在機床上實物圖

圖5 型芯夾緊轉動及所處位置圖

4 砂輪及機床參數選擇

4.1 砂輪選擇

型芯材料為SKD11淬火材料，該材料具有較好的耐磨性、淬透性、強韌性、熱穩定性、抗壓強度。針對SKD11材料具有較好的耐磨性和硬度，選擇SA240-L5V-P砂輪，該種單晶剛玉砂輪具有硬度高、韌性大、自銳性好、耐高溫、熱態性能穩定等優點，適合用來精加工淬火后的型芯零件。

4.2 切削參數的選擇

根據加工特別及加工要求，可以按表1所示進行切削參數選擇。

表1 切削參數

實際加工過程中，可根據零件材料和尺寸精度要求，適當調整砂輪休整頻率，以提高加工效率。

4.3 成型砂輪修整程序

根據圖1的尺寸及形狀要求，成型砂輪修整程序如下：

4.4 金鋼筆修刀的選擇

根據砂輪材料的切削性能與葫蘆形狀兩圓弧處角度選擇金鋼石修刀。在成型砂輪休整的過程中金剛筆會出現一定的磨損，粗加工時選用價格經濟實惠的人工合成金剛石修刀，精加工時以選擇保證零件的加工精度和產品質量為主，應選擇硬度更高耐磨性更好的天然金剛石修刀。金剛筆尖角角度為45°（見圖6），因為45°金剛筆強度大磨損慢，且在修整成型砂輪時，不會出現走刀干涉無法修整加工的問題。

圖6 金剛石修刀

4.5 切削用量的選擇

（1）砂輪修整時進刀量選擇。

a.粗磨時，為提高生產效率，每次修整量為0.005mm，修整總量為0.02mm。

b.精磨時，為提高表面粗糙度，每次修整量為0.002mm，修整總量為0.01mm。

（2）切削用量選擇。

a.粗加工時一般以提高生產效率為主，同時也考慮經濟性和加工成本，在保證零件加工加工質量的前提下，為提高生產效率，可選擇稍高的進給速度，一般取0.5～0.8mm/s。

b.精加工時應在保證加工質量的前提下，兼顧磨削效率、經濟性和加工成本。當加工精度、表面粗糙度要求高時，確定進給速度應稍低，一般為0.2～0.4mm/s。刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以選擇機床數控系統給定的最高進給速度。

4.6 工件的成型磨削

經過以上夾具設計制造并安裝，型芯裝夾及機床參數設置，成型砂輪修整等，加工后型芯實物如圖7所示。

圖7 葫蘆型芯磨削實物圖

5 總結

通過對葫蘆型芯的工藝性分析、加工問題及改進方法的論述，介紹了該類型芯的磨削夾具設計、工件夾持及機床參數設置，描述了成型砂輪的修整程序，解決磨削實際加工中遇到的復雜形狀零件加工問題，保證加工質量和尺寸精度，提高工作效率，對此類成型零件的加工具有重要的參考意義。