模具制造工艺 第六章模具光整加工和表面加工技术

第六章模具光整加工和表面加工技术第一节光整加工光整加工是以降低零件表面粗糙度，提高表面形状精度和增加表面光泽为主要目的的研磨和抛光加工，统称为光整加工。

型腔模的型腔、型孔成型表面的精加工手段，主要为电火花成型加工和电火花线切割加工，在电加工之后成形表面形成一层薄薄的变质层。

变质层上的许多缺陷，除几何形状规则表面可以采用高精度的坐标磨削加工外，多数情况需要依靠研磨抛光来去除变质层，以保证成形表面的精度和表面粗糙度要求。

因此，光整加工主要用于模具的成形表面，它对于提高模具寿命和形状精度，以及保证顺利成形起着重要的作用。

一、研磨和抛光的机理(一)研磨的机理和特点研磨是使用研具、游离磨料对被加工表面进行微量加工的精密加工方法。

在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑剂，使被加工表面和研具之间产生相对运动并施以一定压力，磨料产生切削、挤压等作用，从而去除表面凸起处，使被加工表面精度提高、表面粗糙度降低。

研磨加工过程如图7-1所示。

图6-1 研磨加工过程示意图1-研具 2-磨料 3-切屑 4-原加工变质层 5-研磨加工变质层 6-工件基体在研磨过程中，被加工表面发生复杂的物理和化学变化，其主要作用如下:1．微切削作用在研具和被加工表面作研磨运动时，在一定压力下，对被加工表面进行微量切削。

在不同加工条件下，微量切削的形式不同。

当研具硬度较低、研磨压力较大时，磨粒可镶嵌到研具上，产生刮削作用。

这种方式有较高的研磨效率。

当研具硬度较高时，磨粒不能嵌入研具，磨粒在研具和被加工表面之间滚动，以其锐利的尖角进行微切削。

2．挤压塑性变形钝化了的磨粒在研磨压力作用下，挤压被加工表面的粗糙突峰，在塑性变形和流动中使突峰趋向平缓和光滑，使被加工表面产生微挤压塑性变形。

3．化学作用当采用氧化铬、硬脂酸等研磨剂时，研磨剂和被加工表面产生化学作用，形成一层极薄的氧化膜，这层氧化膜很容易被磨掉，而又不损伤材料基体。

在研磨过程中，氧化膜不断迅速形成，又很快被磨掉，此循环加快了研磨过程，使被加工表面的表面粗糙度降低。

研磨特点如下：1．尺寸精度高研磨采用极细的磨粒，在低速、低压作用下，逐次磨表面凸峰金属，并且加工热量少，被加工表面的变形和变质层很轻微，可稳定获得高精度表面。

尺寸精度可达0.025μm。

2．形状精度高由于微量切削，研磨运动轨迹复杂，并且不受运动精度的影响，因此可获得较高的形状精度。

球体圆度可达0.025μm、圆柱体圆柱度可达0.lμm。

3．表面粗糙度低在研磨过程中，磨粒的运动轨迹不重复，有利于均匀磨掉被加工表面的凸峰，从而降低表面粗糙度。

表面粗糙度可达0.lμm。

4．表面耐磨性提高由于研磨表面质量提高，使摩擦系数减小，并且使有效接触表面积增大，耐磨性提高。

5．耐疲劳强度提高由于研磨表面存在着残余压应力，这种应力有利于提高零件表面的疲劳强度。

6．不能提高各表面之间的位置精度。

7．多为手工作业，劳动强度大。

(二)抛光机理和特点抛光加工过程与研磨加工基本相同，抛光加工过程如图6-2所示。

图6-2 抛光加工过程示意图1-软质抛光器具 2-细磨粒 3-微小切屑 4-工件抛光是一种比研磨更微磨削的精密加工。

研磨时研具较硬，其微切削作用和挤压塑性变形作用较强，在尺寸精度和表面粗糙度两方面都有明显的加工效果。

在抛光过程中也存在着微切削作用和化学作用。

由于抛光所用研具较软，还存在塑性流动作用，这是由于抛光过程中的摩擦现象，使抛光接触点温度上升，引起的热塑性流动。

抛光的作用是进一步降低表面粗糙度，并获得光滑表面，但不提高表面的形状精度和位置精度。

抛光加工在研磨之后进行，经抛光加工后的表面粗糙度可达Ra0.4μm以下。

模具成型表面的最终加工，大部分都需要进行研磨和抛光。

二、研磨抛光分类及加工要素1．按研磨抛光过程中人参与的程度分l）手工作业研磨抛光是指主要依靠操作者个人技艺或采用辅助工具进行的研磨抛光。

加工质量主要依赖操作者个人的技艺水平，而且劳动强度比较大，工作效率比较低。

鉴于目前非手工作业研磨抛光方法的应用范围的局限，特别是型腔中窄缝、盲孔、深孔和死角部位的加工，仍然是手工研磨抛光方法占主导地位。

2）机械设备研磨抛光主要依靠机械设备进行的研磨抛光。

它包括一般研磨抛光设备和智能自动抛光设备，这是研磨抛光发展的主要方向。

机械设备研磨抛光质量不依赖操作者的个人技艺，而且工作效率比较高。

如挤压研磨抛光、电化学研磨抛光等等。

2．按磨料在研磨抛光过程中的运动轨迹分1)游离磨料研磨抛光在研磨抛光过程中，利用研磨抛光工具系统给游离状态的研磨抛剂以一定压力，使磨料以不重复的轨迹运动进行微切削作用和微塑性挤压变形。

2)固定磨料研磨抛光是指研磨抛光工具本身含有磨料，在加工过程中研磨抛光工具以一定压力直接和被加工表面接触，磨料和工具的运动轨迹一致。

3．按研磨抛光的机理分1)机械式研磨抛光是利用磨料的机械能量和切削力对被加工表面进行微切削为主的研磨抛光。

2）非机械式研磨抛光主要依靠电能、化学能等非机械能形式进行的研磨抛光。

4．按研磨抛光剂使用的条件分1)湿研将磨料和研磨液组成的研磨抛光剂连续加注或涂敷于研具表面，磨料在研具和被加工表面之间滚动或滑动，形成对被加工表面的切削运动。

其加工效率较高，但加工表面的几何形状和尺寸精度不如干研。

多用于粗研或半精研。

2)干研将磨料均匀地压嵌在研具表层中，施以一定压力使嵌砂进行研磨加工。

可获得很高的加工精度和低的表面粗糙度，但加工效率低。

一般用于精研。

3）半干研类似湿研，使用糊状研磨膏。

粗、精研均可。

研磨抛光的加工要素见表6-1。

表6-1 研磨抛光加工要素三、研磨抛光方法下面简要介绍几种研磨抛光方法：1．手工研磨抛光由于模具生产属于单件生产，不同模具成型表面不同，研磨抛光部位形状又比较复杂，特别是型腔中的窄缝、盲孔、深孔和死角很多，使得手工研磨抛光仍然占有重要位置。

（1）研磨抛光剂研磨抛光剂是由磨料和研磨抛光液组成的均匀混合剂。

磨料在机械式研磨抛光加工中对被加工表面起着微切削作用和微挤压塑性变形作用，磨料选择正确与否对加工质量起着重要作用。

磨料的选择主要有磨料的种类和粒度。

磨料的种类有氧化铝磨料、碳化硅磨料、金刚石磨料、氧化铁磨料和氧化铬磨料等。

磨料粒度的选择主要依据研磨抛光前被加工表面的粗糙度情况以及研磨抛光后的质量要求，粗加工时选择颗粒尺寸较大的粒度，精加工时选择颗粒尺寸较小的粒度。

研磨抛光液在研磨抛光过程中起着调合磨料、使磨料均匀分布和冷却润滑作用，通过改变磨料和研磨抛光液之间的比例来控制磨料在研磨抛光剂中的含量。

研磨抛光液有矿物油、动物油和植物油三类，10号机油应用最普遍，煤油在粗、精加工中都可使用，猪油中含有油酸活性物质，在研磨抛光过程中与被加工表面产生化学反应，加速研抛过程，又增加零件表面光泽。

研磨抛光膏是由磨料和研磨抛光液组成的研磨抛光剂，研磨抛光膏分硬磨料抛光膏和软磨料抛光膏。

（2）研磨抛光工具研磨抛光时直接和被加工表面接触的研磨抛光工具称为研具。

研具的材料很广泛，原则上研具材料硬度应比被加工材料硬度低，但研具材料过软，会使磨粒全部嵌入研具表面而使切削作用降低。

研具材料的软硬程度、耐磨性应该与被加工材料相适应。

一般研具材料有低碳钢、灰铸铁、黄铜和紫铜，硬木、竹片、塑料、皮革和毛毡也是常用材料。

研磨抛光工具有如下几种：1）普通油石普通油石一般用于粗研磨，它由氧化铝、碳化硅磨料和粘结剂压制烧结而成。

使用时根据型腔形状磨成需要的形状，并根据被加工表面的粗糙度和材料硬度选择相应的油石。

当被加工零件材料较硬时，应该选择较软的油石，否则反之。

当被加工零件表面粗糙度要求较高时，油石要细一些，组织要致密些。

2）研磨平板研磨平板主要用于单一平面及中小镶件端面的研磨抛光，如冲裁凹模端面、塑料模中的单一平面分型面等。

研磨平板用灰铸铁材料，并在平面上开设相交成60°或90°，宽1～3mm，距离为15～2Omm的槽，研磨抛光时在研磨平板上放些微粉和抛光液进行。

3）外圆研磨环外圆研磨环是在车床或磨床上对外圆表面进行研磨的一种研具。

研磨环有固定式和可调式两类，固定式的研磨环的研磨内径不可调节，而可调式的研磨环的研磨内径可以在一定范围内调节，以适应环磨外圆不同或外圆变化的需要。

4）内圆研磨芯棒研磨内圆表面的一种研具，根据研磨零件的外形和结构不同，分别在钻床、车床或磨床上进行。

研磨芯棒有固定式和可调式两类。

固定式研磨芯棒的外径不可调节，芯棒外圆表面有螺旋槽，以容纳研磨抛光剂。

固定式芯棒一般由模具钳工在钻床上进行较小尺寸圆柱孔的加工。

5）机械研磨抛光工具圆盘式磨光机图6-3是一种常见的电动工具，用于去除一些大型模具仿形加工后的走刀痕迹及倒角，抛光精度不高，其抛光程度接近粗磨。

图6-3 圆盘式磨光机电动抛光机这种抛光机主要由电动机、传动软轴及手持式研抛头组成。

使用时传动电动机挂在悬挂架上，电动机启动后通过软轴传动手持抛光头产生旋转或往复运动。

这种抛光机备有以下三种不同的研抛头，以适应不同的研抛工作:①手持往复研抛头:这种研抛头工作时一端连接软轴，另一端安装研具或油石、锉刀等。

在软轴传动下研抛头产生往复运动，可适应不同的加工需要。

研抛头工作端还可按加工需要，在270°范围内调整，这种研抛头装上球头杆，配上圆形或方形铜(塑料)环作研具，手持研抛头沿研磨表面不停地均匀移动，可对某些小曲面或复杂形状的表面进行研磨。

如图6-4所示，研磨时常采用金刚石研磨膏作研磨剂。

图6-4 手持往复式研抛头的应用1-工件 2-研磨环 3-球头杆 4-软轴②手持直式旋转研抛头:这种研抛头可装夹φ2～φ12mm的特形金刚石砂轮，在软轴传动下作高速旋转动，加工时就像握笔一样握住研抛头进行操作，可对型腔的细小复杂的凹弧面进行修磨，如图6-5所示。

取下特形砂轮，装上打光球用的轴套，用塑料研磨套可研抛圆弧部位。

装上各种尺寸的羊毛毡抛光头可进行抛光工作。

图6-5 用手持直式研抛头进行加工③手持角式旋转研抛头:与手持直式研抛头相比，这种研抛头的砂轮回转轴与研抛头的直柄部成一定夹角，便于对型腔的凹入部分进行加工，与相应的抛光及研磨工具配合，可进行相应的研磨和抛光工序。

使用电动抛光机进行抛光或研磨时应根据被加工表面的原始粗糙度和加工要求，选用适当的研抛工具和研磨剂，由粗到细逐步进行加工。

在进行研磨操作时移动要均匀，在整个表面不能停留；研磨剂涂布不宜过多，要均匀散布在加工表面上，采用研磨膏时必须添加研磨液；每次改变不同粒度的研磨剂都必须将研具及加工表面清洗干净。

(3)模具零件研磨抛光工艺过程1）坯件的准备模具零件在抛光前应满足下述两个条件:一是在抛光前坯件应留有0.1～0.15mm的抛光余量，不能太大；二是预抛光的坯件表面粗糙度Ra为6.3～1.6mm。