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冲裁刃口的超硬加工 |
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作者：山东潍坊福田模具有限责任公司 刘宝阁 来源：AI汽车制造业 |
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冲裁类模具刃口的加工精度要求比较高，用传统的工艺方式加工的刃口间隙精度和质量难以保证，刃口淬火后的超硬加工技术是解决这类问题的途径之一。
冲压件质量分析
在大型汽车覆盖件模具制造过程中，冲裁类模具应该说不是最复杂的，却是精度要求比较高的模具，修边刃口的间隙控制是这类模具的制造难点。要想得到理想的冲压件，需要确保实现合理的冲裁间隙，冲裁间隙的大小和均匀程度，不仅直接影响模具寿命、冲裁力大小和冲压件尺寸，还决定冲压件的断面质量。图1所示是冲裁间隙不均匀的模具所生产的缺陷冲压件的断面情况。
图1 不同冲裁间隙冲压件的断面情况
从图1中可以看出，两端冲裁间隙大处（图中Ⅰ所示），断面圆角带较大，光亮带窄，断裂带宽，有较大锥度并产生较粗毛刺；中间冲裁间隙小处（图中Ⅱ所示），断面较直，光亮带宽并出现双光亮带，断面周边有较薄毛刺；只有冲压件两侧约1/4处（图中Ⅲ所示）冲裁间隙较为合适，断面质量好，光亮带约占料厚的1/3～1/2，冲裁效果达到了制件要求。从以上的制件看，同一段刃口修边的质量相差很多，说明了修边刃口控制的难度很大。
图2 冲裁间隙
我们知道，冲裁间隙就是凹模和凸模之间在垂直于冲裁方向上的尺寸差，我们习惯说的冲裁间隙是指单面间隙，一般用Z表示（图2）：
Z＝D凹－D凸，其中：D为冲模尺寸。
选用合理的冲裁间隙是保证冲压件质量的首要条件，在汽车覆盖件冲裁模具中，冲裁间隙主要由板材厚度决定，我厂常采用的设计值为：Z＝（4％～7％）t，t为冲压件的板材厚度。
修边质量的好坏，主要决定于以下四个方面：
1．修边间隙的大小和均匀情况。
2．修边刃口的尺寸精度及垂直度。
3．刃口表面的粗糙度。
4．刃口热处理后的硬度。
以上四种情况除第四种外，其余都是通过数控机床加工或钳工的修研来实现的。如何制定正确的刃口加工工艺规程，来实现合理的冲裁间隙，是制造冲裁类模具的重点。
刃口常规制造工艺
对于大型汽车覆盖件冲裁模具的生产，其修边线多是复杂的三维曲线，修边拼块也比较大，不能采用线切割等工艺，只能用数控机床加工，检测也比较困难，传统的刃口加工工艺主要有以下两种：
1．冲裁类模具在完成型面加工后，凸凹模刃口按冲裁间隙为零直接加工至理论尺寸，然后进行淬火处理。再由钳工完成装配，在压力机上检测刃口间隙。检测时以凸模为基准，由钳工调整、研修凹模拼块的方法来保证冲裁间隙。
图3 手工修抛后的刃口
2．冲裁类模具在完成型面加工后，凸模刃口加工至理论尺寸，进行淬火处理；凹模刃口留量0.2～0.3mm，不进行淬火处理，然后由钳工完成装配，在压力机上用凸模刃口对凹模刃口压印修正，压印后凹模内壁有材料被切出，然后淬火，由钳工按痕迹精修凹模刃口，直到冲裁间隙合适为止。
上述两种方法的优点是：加工时间短，重复用数控机床次数少，刀具消耗小。缺点是：淬火后拼块变形大，修边线间隙不均匀，难以保证达到设计要求，钳工修抛工作量大，刃口质量差。特别是第二种情况，由于凹模刃口几乎全部由钳工修抛而成，故刃口粗糙度、垂直度都难以保证（图3）。有时钳工为了赶进度或水平问题，修出的刃带偏窄，刃口强度低，冲压几个批次后，刃口会出现蹦刃或裂纹及间隙大等现象，需要重新补焊修抛（图4）。
图4 刃口蹦刃后的补焊
刃口淬火后的超硬加工
针对刃口加工及钳工研修后出现的问题和不足，结合我厂设备特点和生产的实际情况，我们从工艺上对刃口加工进行了改进，即刃口淬火后的超硬加工，完全由数控加工来控制修边间隙，弥补了钳工水平和体力等方面的波动，减少了人为因素的干扰，从而明显提高了修边刃口的加工效率和质量。其实很多模具厂家也早已开展这方面的研究，此技术的关键是工艺流程的安排和各种参数的选定，希望能够共同探讨。我们具体规范如下：
1．工序安排。刃口淬火后超硬加工工序安排在型面精加工和刃口半精加工完成后，然后进行淬火处理，再用数控机床进行刃口的超硬加工。
2．刃口硬度。刃口淬火后的硬度在HRC55～65左右。
3．刃口宽度。上模刃口刃带宽度不要大于25mm，下模外刃口刃带宽度不要大于20mm，下模内刃口刃带宽度不大于15mm。若刃口刃带宽度超过此值，要在淬火前铣背空。
4. 口余量。刃口半精加工后的预留加工余量为0.2～0.3mm（已考虑淬火热处理变形量），即刃口淬火后超硬加工的加工量以0.1～0.3mm为宜。加工量过大会影响加工精度和加剧刀具磨损，余量过小则淬火变形大时可能会缺料。
5. 机床选择。选用机床系统刚性好、精度高的带有闭环伺服系统的数控机床。
6．刀具选择。选择刀具总的原则是适用、安全、经济。在满足加工要求的前提下，刀具悬深长度尽可能短，刀具直径尽可能大，有利于降低加工表面的粗糙度，以提高刀具系统的刚性、散热和刀具寿命。但应注意最后清角的刀具半径应小于轮廓最小曲率半径。经过试验比较，我厂选用图5所示刀具进行刃口的超硬加工。
图5 常用超硬六刃立铣刀
超硬加工用的整体硬质合金立铣刀都带有PVD涂层，常见的PVD涂层有TiN、TiCN、TiAlN等，我们经过比较，发现其中带有TiAlN涂层的刀具用于超硬加工较合适。当然最新型PVD涂层的刀具能够切削HRC70的淬火件，但因其价格较高并不经济。所选详细参数
 参数选择：切削用量因各机床、工件材料、切削方式变化而变化，视具体情况选择不同的参数。主要参数有：
主轴转速S＝1000V/πD（r/min），式中：V为切削速度；D为刀具直径。
进给速度F＝fsz（mm/min），式中：f为每齿进给量；s为主轴转速；z为刀齿数。
表中列出了所选用的各类参数。
上述参数适用于平滑轮廓加工，在拐角与圆弧过渡处根据余量和硬度要适当降低转速与进给。
由于大型汽车覆盖件冲裁模具的刃口材料多采用优质合金钢，淬火后后硬度高（HRC55～65），因此对超硬加工刀具的磨损也很严重。图6所示是我们总结的刃口切削长度与刀具磨损的曲线图，由图中可以看出，当一把超硬加工刀具加工的刃口长度超过25m后，此刀具就不能再用于精加工了，可用于淬火后的半精加工，使精加工的余量减少。若余量为均匀的0.1mm，再配以合适的冷却方式，可适当地延长刀具寿命。由于刀具磨损和让刀等原因，轮廓加工完后需要操作人员测量加工精度，必要时可通过加刀具补偿来保证实现刃口的精度和间隙。
图6 φ16超硬立铣刀（TiAlN涂层）磨损
超硬加工注意事项
由于超硬加工直接把刃口加工到理想尺寸，因此要求半精加工后余量一定要均匀，刃口刃带宽度也要符合要求。
由于刃口是在导向孔的导向下工作，因此刃口超硬加工和导向孔加工要在同一次装夹中完成。
超硬加工所需的数控机床的钢性和精度要达到相应的要求，要通过VDI3441标准所能达到的精度，否则超硬加工就会失去意义（图7）。具体注意事项如下：
1．刃口的淬火处理要保证各拼块硬度接近一致，否则加工出的刃口精度会有差别，不利于刃口间隙的保证，也影响刀具寿命。
图7 正在进行超硬加工的日本OKUMA数控机床
2．加工过程中要采用压缩空气冷却并吹走铁屑，防止铁屑带入损伤刀刃。
3．刃口超硬加工一定要在型面精加工完成后，若加工完刃口再加工型面刃口易蹦刃。
4．因为顺铣加工刀具的耐用度和表面质量以及生产率都比逆铣高，而且不容易产生过切现象，因此要采用顺铣加工。
5．在刃口超硬加工过程中和加工完成后操作人员要不断测量，保证实现刃口的设计精度和间隙。必要时间隙还需要通过加刀具补偿来实现。
图8 超硬加工后的修边刃口
结语
通过上述措施的改进和完善，修边刃口的加工质量得到很大提高，表面粗糙度和刃带垂直度都有明显改善（图8）。经过激光扫描检测和后序反馈，直线刃口间隙合格率为97%，曲线及R角刃口间隙合格率为83%，一次合模成功率达到75%，钳工研修工作量仅为以前的30%左右。刃口超硬加工技术的应用，虽然增加了数控加工的设备台时，但可以最大限度地保证刃口的制造精度，是修边刃口加工的发展趋势，也是提高冲压件质量、减少模具生产周期的有效途径之一。 (end)
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(6/9/2009) |
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