冷沖模凹模大直徑圓孔磨削加工技術(shù)
時(shí)間：2018-12-07
冷沖模是沖裁電機定轉子硅鋼片的重要加工手段。
近年來(lái)，市場(chǎng)上越來(lái)越多大尺寸的電機芯片也開(kāi)始要求冷沖模加工。按常識設計，與產(chǎn)品的尺寸相對應，模具的部分重要零件如凹模的尺寸偏大，超過(guò)了企業(yè)原有的一些機床的行程。同時(shí)，用戶(hù)對產(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，需要在設計加工中進(jìn)行創(chuàng )新。本文針對大直徑定轉充分挖掘企業(yè)原有機床的潛力。滿(mǎn)足用戶(hù)對產(chǎn)品的要求。
1 、冷沖模凹模原有設計及加工工藝
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 電機定轉子硅鋼片的凹模通常采用整體設計。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。內孔常用加工手段為銑削、車(chē)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(wú)法切削。同時(shí)，凹模對成形的尺寸精度及圓度要求達到 ± 0． 003 mm． 因此內孔加工一般分以下2 種情況。
( 1) 對于如導正釘孔或排氣孔等 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孔成形在一臺機床上一次加工到位。
( 2) 而對于沖裁 20 mm 以上圓孔及直徑更大的定轉子凹?？?，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，再由坐標磨磨削內孔修正成形尺寸?？梢缘玫捷^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(guò)高。而 1 次切割無(wú)法達到產(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，當加工的成形尺寸大于機床行程，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(guò)放電氣化加工區材料，因此零件表面會(huì )有一層硬化氧化層，表面粗糙度超過(guò) Ｒa1． 6 μm，鉗工修研工作量比較大。而采用磨削加工，則可以彌補上述缺點(diǎn)。
2 、新產(chǎn)品帶來(lái)的問(wèn)題分析
公司承接的產(chǎn)品外形為 590 mm，遠超大部分機床的加工行程，公司行程最大的慢走絲 x 向行程為550 mm，y 向行程 350 mm，連內孔粗加工都無(wú)法一次切割完成。而坐標磨磨頭行程也僅能完成最大 220mm 的內孔加工。這在給加工帶來(lái)很大的難題。產(chǎn)品的外徑大，則凹模內徑隨之增大。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。當產(chǎn)品直徑為 590 mm 時(shí)，凹模內徑自然也需要大于 590 mm，多數機床都無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品的加工要求． 因以往加工的定轉子產(chǎn)品很少有外徑大于 200mm。采購機床時(shí)，考慮到經(jīng)濟性，企業(yè)多數機床的配置行程都在行程 300 mm 以?xún)?。坐標磨磨頭行程僅為220 mm。
如為產(chǎn)品投資新設備，則將增加企業(yè)生產(chǎn)成本。加上大型電機產(chǎn)品的市場(chǎng)相對較小，因此新設備的利用率 不 高。非 常 不 經(jīng) 濟。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(mǎn)足要求。
3 、對模具結構進(jìn)行科學(xué)設計并革新加工工藝
如前文所說(shuō)，內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 對凹模成形粗加工的解決方案
針對凹模尺寸大，粗加工受慢走絲機床行程限制的問(wèn)題。在設計時(shí)采用多個(gè)凹模拼塊拼接成一個(gè)整體凹模。各拼塊尺寸設計為小于慢走絲機床工作行程。粗加工時(shí)，各塊獨立加工，各拼塊成形切割時(shí)留單面0． 2 mm 余量，并同時(shí)將銷(xiāo)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，磨削內孔去除加工余量。
3． 2 對凹模內孔磨削的解決方案
磨削加工的優(yōu)點(diǎn)在于凹模經(jīng)過(guò)粗加工，應力已經(jīng)得到釋放，而磨削零件時(shí)加工區溫度相對低，產(chǎn)生的應力變形很小，因此凹模形腔通過(guò)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)的機床限制。然而磨削仍然需要在組裝成整體后加工。而單位現有的坐標磨床行程是無(wú)法滿(mǎn)足要求的。而無(wú)論是大行程的坐標磨或立式內圓磨價(jià)格都比較高，臨時(shí)采購也不現實(shí)。如果外協(xié)加工，外協(xié)費用太高，也會(huì )對模具成本帶來(lái)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。
坐標磨機床的磨削機構能完成三種運動(dòng): 砂輪的高速自轉( 主運動(dòng)) 、行星運動(dòng)( 砂輪回轉軸線(xiàn)的圓周運動(dòng)) 及砂輪沿機床主軸軸線(xiàn)方向的直線(xiàn)往復運動(dòng)。坐標磨磨削內孔就是利用砂輪在圓孔內進(jìn)行軸向往復行星運動(dòng)，對內孔進(jìn)行加工( 如圖 1) 。
前面提到坐標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(lèi)似的模式。我廠(chǎng)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 向加工行程可以達到2 000mm × 800 mm。行程上可以滿(mǎn)足 590 mm 內圓的加工。因此需要將加工中心與坐標磨的一些基礎數據進(jìn)行對比、換算。通過(guò)對比性能數據，判定是否可以給加工中心設計專(zhuān)用刀柄安裝上砂輪，并利用加工中心磨削凹模。
坐標磨主軸轉速范圍一般在 4 500 —— 45 000r /min，砂輪直徑一般為需要加工孔內徑的 80% ——90% 。不過(guò)當內孔直徑大于 50 mm，砂輪直徑上限一般為 40 mm。
用坐標磨磨削硬度高的材料時(shí)，砂輪的線(xiàn)速度為25 m / s。而加工中心的主軸轉速雖然沒(méi)有坐標磨主軸轉速高，然而最高也可達 10 000 r /min線(xiàn)速度的計算公式為:
V = πDN /1000V 為砂輪線(xiàn)速度，m / s; D 為砂輪外徑，mm; N 為砂輪轉速 r /min。通過(guò)計 算，可 以 得 知，當加工中心主軸轉速為6 000 r /min 時(shí)，采用 80 mm 的砂輪可以得到相應的線(xiàn)速度。
最后，加工中心的加工精度也可以達到 ± 0． 003mm。能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的精度要求。因此，決定利用加工中心代替坐標磨完成內孔的磨削工作。
4 、創(chuàng )新方案的注意事項
加工中心代替坐標磨也需要注意到磨削時(shí)砂輪與工件摩擦會(huì )產(chǎn)生細微顆粒。如在加工過(guò)程中不加處理，一旦細微顆粒進(jìn)入加工中心的運動(dòng)部件，就會(huì )對加工中心運動(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，盡量收集細微顆粒，以減少對加工中心機床的不利影響。
加工中心也缺乏數控坐標磨機床對砂輪的磨損進(jìn)行自動(dòng)補償的功能，因此加工中要注意多對砂輪及圓孔內徑進(jìn)行測量并及時(shí)在程序中進(jìn)行補償。
5 、改進(jìn)后產(chǎn)生的效益
改進(jìn)設計及工藝后，加工出的產(chǎn)品滿(mǎn)足了產(chǎn)品的性能要求。利用上述設計及加工方式，將模具的加工難度控制在用廠(chǎng)內設備可以完成的水平，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(cháng)點(diǎn)。從成本上說(shuō)，僅需自制一套專(zhuān)用刀柄，避免了設備投資給企業(yè)增加固定資產(chǎn)負擔。僅避免設備采置一項，就可以為企業(yè)減少幾百萬(wàn)元的支出，如一臺一般立式內圓磨需要 150 萬(wàn)元，一臺進(jìn)口數控坐標磨床需要 500萬(wàn)元。
6、 結語(yǔ)
大直徑定轉子模具因為尺寸大，對加工設備要求高，國內能設計生產(chǎn)相應模具廠(chǎng)家少，利潤也比普通沖裁模利潤大。通過(guò)對凹模結構的調整，并利用加工中心磨削內孔完成此類(lèi)模具的生產(chǎn)，有利于提升國內模具的技術(shù)水平。為同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)打下良好的基礎。
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