辅助自动化设备提升钣金企业竞争力

文／李冰·深圳市锐特尔精密模具有限公司

随着各行业产品同质化，竞争白热化，人工不断攀升的微利时代的到来，对于中小型企业，每一道工序，每一道工艺对企业控制成本，提高利润率就显得非常重要。特别是钣金加工企业，模具是日常消耗品，对模具选择和使用，以及正确的保养就尤其重要了。下文就钣金加工中的重要环节数控冲辅助自动化设备对模具使用中的研（刃）磨问题展开一些实用性的讨论。

目前在数控模具生产中国内只有极少数企业采用了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术。由于数控模具的精密性，磨削加工工作量占模具总的制造工时的90%以上。而目前磨床加工工艺能实现数控化、自动化的企业就更加廖若星辰了！模具的质量与模具制造精度密切相关，特别是模具配合精度和表面粗糙度跟磨削有着密切关系，模具刀口的质量与磨削工艺就更加密切了，这就是很多钣金企业普遍反映的一个问题：新模具刀口非常锋利，也非常耐用，一旦客户自己修磨刀口后，模具冲裁次数就不如新模具了，于是绝大多数客户将问题归结于模具质量不好。以笔者从事磨削工作二十多年的经验来看，这跟磨削的工具、磨削的工艺、磨床的先进性有关，钣金企业将自己研磨后的模具质量问题简单的判定为模具厂是非常值得商榷的。
    要提升数控冲切效率，要提高数控冲切品质，要减少去除数控冲切后的披锋毛刺的工时，就必须要检讨导致模具失效的主要因素：⑴模具结构；⑵模具材料；⑶冷、热加工的制造工艺（如锻造、切削加工、热处理、磨削加工、放电加工等）；⑷模具工作条件等。要提高模具寿命，减少生产中的换模具的等待工时，就必须对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行细致的分析，制定克服的办法和措施。

磨削加工对模具寿命的影响目前仍然未引起业界的充分重视，由于不恰当的磨削工艺，造成工件表面烧伤退火、磨削后的龟裂、磨削粗糙及产生磨削应力，致使后续工序及模具在使用期间的机械疲劳产生的不耐磨，冷热疲劳产生裂纹，将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、延长使用时间，促进行业采用模具制造和再研磨的新技术、新工艺，提高钣金企业利润率才是笔者的目的，本文就一些磨削及材料热处理的基础理论与大家探讨。

模具的磨削加工原理及现状

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。

⑴在磨削过程中，加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时工件金属基体温度较高，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，因此表面产生残余拉应力，工件里层产生残余压应力。

⑵一般情况下的内外圆或者平面磨削时，砂轮与工件为弧线接触，砂轮切削时工件产生塑性变形及砂轮与工件之间剧烈的摩擦阻力，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800～1000℃的高温，而一般普通砂轮是不易传热的，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，或不用冷却液的干磨，表面产生回火，发生马氏体转变，表面产生拉应力（如γ-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，另外如果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微的表面裂纹，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，裂纹的发展方向还和砂轮在工件表面磨削方向有关，其深度大约在0.03mm以内。

⑶磨削时：砂轮钝化后不锋利，人工进刀量大不均匀，冷却不良等使工件表面产生的温度达300℃以上，引起工件表面发生烧伤退火现象，这种现象在国内绝大多数的模具企业和钣金企业再研磨时都普遍存在。主要与员工要赶工制造，跟计件工资以及厂家磨床设备陈旧、生产工艺落后、管理体系不健全等有关。

如何减少模具磨削加工缺陷

⑴    正确的细分磨削工艺：粗磨、细磨、精磨、抛光等，合理选择磨削用量，锐特尔公司采用数控磨床加工，径向进给量自动控制，摈弃人为的大进给量，同时磨削工艺由电脑自动控制为：粗磨、细磨、精磨、抛光，同时根据磨削表面的大小来自动设定磨削进给量，进给时间和周期，磨削的全过程为较小的、均匀的、细致的进刀量。没有数控磨床的情况下，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，也能有效地控制表层温度的升高，从而提高模具品质。

⑵    合理选择和修整砂轮，一般厂家采用白刚玉的砂轮，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，自锐性好可降低切削热。精磨时选择适当的砂轮十分重要，针对模具钢材的高铬、高钒、高钼、高钨状况，选用GD单晶刚玉、大气孔的砂轮比较适合(图1)，同时要经常修整砂轮，保持砂轮的锋利性，防止磨削烧刀退火（图2）及龟裂。

图1 GD单晶刚玉粗粒度大气孔砂轮与细粒度砂轮比 图2 冲头刀口平面磨床研磨时被烧刀退火的情况

⑶    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，有机粘结剂砂轮自锐性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm，CBN（立方氮化硼）砂轮加工效果更佳，当然是在数控成型磨床、坐标磨床、CNC内外圆磨床等高速、高精度机床上精加工，方能体现这种工艺的效果。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。因此选购数控磨床自动磨削，自动修整砂轮，自动控制进给就尤为重要了。

⑷    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、内冷却砂轮、气槽式砂轮等。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、内应力的产生。数控磨床即采用这种砂轮及冷却方式，对模具刀口刃磨（研磨）后使用寿命提高2～3倍。

⑸    将模具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，因此模具热处理后必须超深冷处理。锐特尔模具超深冷处理为－150℃。

⑹    对于高精度模具为了消除磨削的残余应力，在磨削后还应进行低温时效处理以提高韧性；消除磨削应力必须将模具再回火处理，这样硬度可下降1HRC，残留应力降低50%～65%。由于数控冲床模具需要快速交货，一般厂家很难对加工好的模具再处理，只有大型模具厂家有可能做到这个工艺，因为大型模具厂家基本都是大规模做半成品或者成品库存，常用规格模具可以做到加工完成后再做人工或者自然时效处理，这也是大厂同样材质，同样工艺制造，模具品质普遍比小厂好的重要原因之一。

⑺    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模具表面的氧化膜，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%。

模具磨削的解决方案

⑴      在模具制造时要充分重视磨削工序，严格控制磨削进刀量，充分水冷却，及时修整砂轮，增加空刀磨削时间和次数，彻底消除磨削微裂纹，将残余应力降低到最低限度，以提高模具的使用寿命；

⑵      最根本的解决方案是购置数控磨床，将磨削工艺标准化、程序化、自动化，彻底消除人为的大进  刀、冷却不充分、不及时修整砂轮的钝磨削等，最终达到提高模具质量，延长模具使用寿命。

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过程完全相同，下面就钣金企业在模具使用中的研磨方法做简略叙述：

数控自动研磨机与平面磨床研磨对比（图3）：

⑴    数控自动研磨机（图4）不占人员、不需熟练磨工，磨削量、进给量、水冷却、甚至机床润滑等设定均由系统自动控制，操作极其简单。平面磨床需要专门人员、需要熟练磨工，否则修洗砂轮随意、进给量随意、冲水随意等研磨质量及安全问题将长期困扰客户。

⑵    数控自动研磨机安全、快捷、方便，特殊制作的高精度三爪自定心卡盘，厚塔AB冲头不需拆卸弹簧即可研磨（图5），不同规格的模具安装方便；由于厚塔上模冲头207mm比较长，平面磨床装夹很不方便，而且容易出现A工位下模打飞或冲头小刀口折断等不安全事故，同时下模只有30mm又比较短，平面磨床需要长行程的升降磨头，费力费时，影响磨削效率和研磨质量。　　　　　　　　　　　　

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图5 自动研磨机与平面磨床研磨冲头时安装对比

ａ）自动研磨机研磨厚塔AＢ工位模具可免拆弹簧即可研磨 ，冲头不会被磁化；

ｂ）平面磨床研磨冲头需要拆卸弹簧打击头后才可以研磨冲头，同时冲头会被磁盘磁化，研磨后必须退磁，否则会导致冲孔时带料。

⑶    数控自动研磨机占地面积小，全罩式钣金设计，防水无尘，可靠近数控冲床安装，模具即钝即磨，对于没有备品的数控冲模，特别方便。平面磨床磨削有水雾和粉尘，不能靠近数控冲床摆放，磨削时产生的水雾和粉尘进入数控冲床滚珠丝杆和线性导轨会损害昂贵的机床设备。

⑷    数控自动研磨效率高，自动研磨机3分钟内就可以研磨好A、B冲头，大刀口亦在数分钟内完成；平面磨床却需要30分钟左右甚至更多时间。自动研磨机磨削后不需退磁工序，平面磨床研磨后必须退磁，否则冲压时容易出现带料现象，导致模具重复冲压，打坏模具或者板材。

⑸    数控自动研磨机磨削精度高，磨削屋顶式冲头对称性极佳，砂轮轴与工作面同轴设计，机床刚性和平行度一致，通过辅助工具可倾斜角度磨单斜（图6）或者屋顶式冲头；平面磨床磨削屋顶冲头不方便，必须采用正玄磁盘或者其他专用工装，磨削对称度准确度不易控制，数控冲压时容易出现偏载，导致模具破裂或者产品冲废。

图6 数控自动研磨机研磨剪切角（斜刃口）冲头

图７ 平面磨床研磨冲头剪切角（斜刃口）时，需要安装正弦磁盘，通过人工打表找正方可实现研磨，同时研磨后必须要退磁，否则被磁化的冲头在数控冲孔时会带料。

⑹    数控自动研磨机磨削品质高，采用气槽式CBN砂轮，无需修洗砂轮，无火花磨削，对模具无人为损伤。CBN砂轮磨削时瞬间产生的温度才280℃左右，模具刃口既无高温火花退火又减小了加工应力，模具品质容易保证、耐磨性也相应提高了。平面磨床采用传统钢玉类砂轮磨削，需要修洗砂轮产生粉尘，磨削时模具刀刃表面会有大量火花产生，在熟练磨工操控及正常进刀量下传统刚玉砂轮磨削工件时瞬间产生的温度达800～1000℃高温，事实上模具刃口相当于被局部退火或回火了、并再次产生了加工应力。实际加工中工人为了完成生产任务，人为的加大进刀量（图８）和无水干磨（图９）所产生更高的温度，导致模具刀口表面退火却又不易监控，在后续使用中会发现模具不耐磨，模具刃磨自然次数就增加了，模具使用寿命和数控冲床的加工效率大幅降低了。

图８ 进刀量过大，烧刀后退火，模具寿命减少     图９冷却液不足，也会导致烧刀                   图10正常研磨

结束语

总之模具在制造以及使用过程中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。模具的使用是模具设计和制造的延续，是验证设计正确性的过程。在现代钣金生产中采用了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术，只有合理的使用模具，才能充分发挥先进数控冲床的性能，提高数控冲床的冲切效率，提高数控冲床的冲切品质，从而降低加工成本。也只有重视先进设备、配置先进模具、应用先进工艺，在使用过程中的规范化、标准化、自动化的钣金企业，才能在日趋激烈的市场中赢得市场份额，才能持续经营和发展。

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