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冷沖模凹模大直徑圓孔磨削加工技術(shù)

2017-6-16 來源：南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司作者：丁偉

       摘要: 加工冷沖模凹模的大直徑內(nèi)孔時(shí)，因尺寸超過機(jī)床行程。普通坐標(biāo)磨床無法完成加工，因此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)凹模相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)在保證產(chǎn)品精度的前提下，利用加工中心代替坐標(biāo)磨完成相關(guān)尺寸的加工。

      關(guān)鍵詞: 加工中心; 磨削; 大直徑凹模

      冷沖模是沖裁電機(jī)定轉(zhuǎn)子硅鋼片的重要加工手段。

     近年來，市場上越來越多大尺寸的電機(jī)芯片也開始要求冷沖模加工。按常識(shí)設(shè)計(jì)，與產(chǎn)品的尺寸相對(duì)應(yīng)，模具的部分重要零件如凹模的尺寸偏大，超過了企業(yè)原有的一些機(jī)床的行程。同時(shí)，用戶對(duì)產(chǎn)品外形的公差要求依然保持較高的要求。為保證零件的加工，需要在設(shè)計(jì)加工中進(jìn)行創(chuàng)新。本文針對(duì)大直徑定轉(zhuǎn)子模具的凹模加工，通過對(duì)模具設(shè)計(jì)及加工手段進(jìn)行創(chuàng)新，
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     充分挖掘企業(yè)原有機(jī)床的潛力。滿足用戶對(duì)產(chǎn)品的要求。

     1 、冷沖模凹模原有設(shè)計(jì)及加工工藝

     冷沖模是利用凸模、凹模的間隙配合，沖出產(chǎn)品的外形尺寸。沖裁直徑小于 200 mm 電機(jī)定轉(zhuǎn)子硅鋼片的凹模通常采用整體設(shè)計(jì)。因凹模需要一定的硬度，一般是以硬質(zhì)合金或硬度較高的工具鋼為材料加工成一個(gè)圓環(huán)整體，鑲嵌在凹模固定板或固定在下墊板上。內(nèi)孔常用加工手段為銑削、車削、切割。因生產(chǎn)中凹模材質(zhì)一般采用硬質(zhì)合金，材料硬度大于 60HＲC，硬度太高無法切削。同時(shí)，凹模對(duì)成形的尺寸精度及圓度要求達(dá)到 ± 0． 003 mm．因此內(nèi)孔加工一般分以下2 種情況。

     ( 1) 對(duì)于如導(dǎo)正釘孔或排氣孔等 20 mm 以下的小直徑圓孔，采用慢走絲 1 次粗切 3 精修的精加工方式將內(nèi)孔成形在一臺(tái)機(jī)床上一次加工到位。

     ( 2) 而對(duì)于沖裁 20 mm 以上圓孔及直徑更大的定轉(zhuǎn)子凹模孔，加工分兩步完成。先采用 1 次切割加工圓孔留單面 0． 15 mm 余量，再由坐標(biāo)磨磨削內(nèi)孔修正成形尺寸。可以得到較高的尺寸精度、圓度及表面粗糙度。

     原因是，慢走絲只有采用多次精修，所加工零件的尺寸及形位公差才能達(dá)到較高的精度要求。缺點(diǎn)在于，大直徑圓孔采用 1 次粗切 3 精修加工，加工成本過高。而 1 次切割無法達(dá)到產(chǎn)品的精度要求。并且加工大尺寸成形時(shí)也受慢走絲行程限制，當(dāng)加工的成形尺寸大于機(jī)床行程，則需移位加工。零件可能因多次定位，增加尺寸誤差。并且慢走絲切割零件時(shí)，是通過放電氣化加工區(qū)材料，因此零件表面會(huì)有一層硬化氧化層，表面粗糙度超過Ｒa1． 6 μm，鉗工修研工作量比較大。而采用磨削加工，則可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

     2 、新產(chǎn)品帶來的問題分析

     公司承接的產(chǎn)品外形為 590 mm，遠(yuǎn)超大部分機(jī)床的加工行程，公司行程最大的慢走絲 x 向行程為550 mm，y 向行程 350 mm，連內(nèi)孔粗加工都無法一次切割完成。而坐標(biāo)磨磨頭行程也僅能完成最大 220mm 的內(nèi)孔加工。這在給加工帶來很大的難題。產(chǎn)品的外徑大，則凹模內(nèi)徑隨之增大。主要難點(diǎn)為以下 2 點(diǎn):

     ( 1) 冷沖模沖孔時(shí)，凹模需要按產(chǎn)品尺寸放沖裁間隙。當(dāng)產(chǎn)品直徑為 590 mm 時(shí)，凹模內(nèi)徑自然也需要大于 590 mm，多數(shù)機(jī)床都無法滿足產(chǎn)品的加工要求．因以往加工的定轉(zhuǎn)子產(chǎn)品很少有外徑大于 200mm。采購機(jī)床時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)性，企業(yè)多數(shù)機(jī)床的配置行程都在行程 300 mm 以內(nèi)。坐標(biāo)磨磨頭行程僅為220 mm。

     如為產(chǎn)品投資新設(shè)備，則將增加企業(yè)生產(chǎn)成本。加上大型電機(jī)產(chǎn)品的市場相對(duì)較小，因此新設(shè)備的利用率不高。非常不經(jīng) 濟(jì)。如外協(xié)加工則周期不能保證。

     ( 2) 凹模直徑越大，則加工中產(chǎn)生的變形量也隨之加大。加工工藝必須要保證零件的尺寸及形位公差以滿足要求。

     3 、對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)并革新加工工藝

     如前文所說，內(nèi)孔直徑較大的凹模成形加工分切割粗加工、磨削精加工兩部分。

     3． 1 對(duì)凹模成形粗加工的解決方案

     針對(duì)凹模尺寸大，粗加工受慢走絲機(jī)床行程限制的問題。在設(shè)計(jì)時(shí)采用多個(gè)凹模拼塊拼接成一個(gè)整體凹模。各拼塊尺寸設(shè)計(jì)為小于慢走絲機(jī)床工作行程。粗加工時(shí)，各塊獨(dú)立加工，各拼塊成形切割時(shí)留單面0． 2 mm 余量，并同時(shí)將銷孔 1 次粗切 3 精修加工到位，便于裝配時(shí)定位。最后，將凹模拼塊在模座上進(jìn)行固定，磨削內(nèi)孔去除加工余量。

     3． 2 對(duì)凹模內(nèi)孔磨削的解決方案

    磨削加工的優(yōu)點(diǎn)在于凹模經(jīng)過粗加工，應(yīng)力已經(jīng)得到釋放，而磨削零件時(shí)加工區(qū)溫度相對(duì)低，產(chǎn)生的應(yīng)力變形很小，因此凹模形腔通過磨削可以得到較高的圓度，而且磨削后零件表面粗糙度好，可以減少甚至不需要進(jìn)行后期拋光處理。因此精加工依然采用磨削。

     由小凹模拼塊組成大凹模，解決了粗加工時(shí)的機(jī)床限制。然而磨削仍然需要在組裝成整體后加工。而單位現(xiàn)有的坐標(biāo)磨床行程是無法滿足要求的。而無論是大行程的坐標(biāo)磨或立式內(nèi)圓磨價(jià)格都比較高，臨時(shí)采購也不現(xiàn)實(shí)。如果外協(xié)加工，外協(xié)費(fèi)用太高，也會(huì)對(duì)模具成本帶來不利的影響，并且周期難以保證。因此必須找出可行的代替方案。

     坐標(biāo)磨機(jī)床的磨削機(jī)構(gòu)能完成三種運(yùn)動(dòng): 砂輪的高速自轉(zhuǎn)( 主運(yùn)動(dòng)) 、行星運(yùn)動(dòng)( 砂輪回轉(zhuǎn)軸線的圓周運(yùn)動(dòng)) 及砂輪沿機(jī)床主軸軸線方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。坐標(biāo)磨磨削內(nèi)孔就是利用砂輪在圓孔內(nèi)進(jìn)行軸向往復(fù)行星運(yùn)動(dòng)，對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工( 如圖 1) 。

    前面提到坐標(biāo)磨采用上下螺旋沿凹模形腔進(jìn)行磨削。而這種加工方式，其實(shí)在加工中心上也有類似的模式。我廠的加工中心就可以做到螺旋下刀的走刀路徑。并且加工中心的 X，Y 向加工行程可以達(dá)到2 000mm × 800 mm。行程上可以滿足 590 mm 內(nèi)圓的加工。因此需要將加工中心與坐標(biāo)磨的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、換算。通過對(duì)比性能數(shù)據(jù)，判定是否可以給加工中心設(shè)計(jì)專用刀柄安裝上砂輪，并利用加工中心磨削凹模。

    坐標(biāo)磨主軸轉(zhuǎn)速范圍一般在 4 500 ～ 45 000r /min，砂輪直徑一般為需要加工孔內(nèi)徑的 80% ～90% 。不過當(dāng)內(nèi)孔直徑大于 50 mm，砂輪直徑上限一般為 40 mm。

     用坐標(biāo)磨磨削硬度高的材料時(shí)，砂輪的線速度為25 m / s。而加工中心的主軸轉(zhuǎn)速雖然沒有坐標(biāo)磨主軸轉(zhuǎn)速高，然而最高也可達(dá) 10 000 r /min線速度的計(jì)算公式為:
V = πDN /1000V 為砂輪線速度，m / s; D 為砂輪外徑，mm; N 為砂輪轉(zhuǎn)速 r /min。通過計(jì) 算，可以得知，當(dāng)加工中心主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r /min 時(shí)，采用 80 mm 的砂輪可以得到相應(yīng)的線速度。

     最后，加工中心的加工精度也可以達(dá)到 ± 0． 003mm。能夠滿足產(chǎn)品的精度要求。因此，決定利用加工中心代替坐標(biāo)磨完成內(nèi)孔的磨削工作。

     4 、創(chuàng)新方案的注意事項(xiàng)

     加工中心代替坐標(biāo)磨也需要注意到磨削時(shí)砂輪與工件摩擦?xí)a(chǎn)生細(xì)微顆粒。如在加工過程中不加處理，一旦細(xì)微顆粒進(jìn)入加工中心的運(yùn)動(dòng)部件，就會(huì)對(duì)加工中心運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生磨損，降低加工中心的加工精度及壽命。因此在主軸上方固定一吸塵管，盡量收集細(xì)微顆粒，以減少對(duì)加工中心機(jī)床的不利影響。

     加工中心也缺乏數(shù)控坐標(biāo)磨機(jī)床對(duì)砂輪的磨損進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ埽虼思庸ぶ幸⒁舛鄬?duì)砂輪及圓孔內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量并及時(shí)在程序中進(jìn)行補(bǔ)償。

     5 、改進(jìn)后產(chǎn)生的效益

     改進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝后，加工出的產(chǎn)品滿足了產(chǎn)品的性能要求。利用上述設(shè)計(jì)及加工方式，將模具的加工難度控制在用廠內(nèi)設(shè)備可以完成的水平，又可以保證產(chǎn)品的生產(chǎn)周期可控。為承接相應(yīng)高附加值的模具走出了成功的路子，也為企業(yè)增加了新的利潤增長點(diǎn)。從成本上說，僅需自制一套專用刀柄，避免了設(shè)備投資給企業(yè)增加固定資產(chǎn)負(fù)擔(dān)。僅避免設(shè)備采置一項(xiàng)，就可以為企業(yè)減少幾百萬元的支出，如一臺(tái)一般立式內(nèi)圓磨需要 150 萬元，一臺(tái)進(jìn)口數(shù)控坐標(biāo)磨床需要 500萬元。

     6、結(jié)語

    大直徑定轉(zhuǎn)子模具因?yàn)槌叽绱螅瑢?duì)加工設(shè)備要求高，國內(nèi)能設(shè)計(jì)生產(chǎn)相應(yīng)模具廠家少，利潤也比普通沖裁模利潤大。通過對(duì)凹模結(jié)構(gòu)的調(diào)整，并利用加工中心磨削內(nèi)孔完成此類模具的生產(chǎn)，有利于提升國內(nèi)模具的技術(shù)水平。為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。

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