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，因尺寸超過機床行程。普通坐標磨床無法完成加工，因此設(shè)計時對凹模相關(guān)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，同時在保證產(chǎn)品精度的前提下，利用加工中心代替坐標磨完成相關(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芯片也開始要求冷沖模加工。按常識設(shè)計，與產(chǎn)品的尺寸相對應(yīng)，模具的部分重要零件如凹模的尺寸偏大，超過了企業(yè)原有的一些機床的行程。同時，用戶對產(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(shè)計加工中進行創(chuàng)新。本文針對大直徑定轉(zhuǎn)子模具的凹模加工，通過對模具設(shè)計及加工手段進行創(chuàng)新，
充分挖掘企業(yè)原有機床的潛力。滿足用戶對產(chǎn)品的要求。
1 、冷沖模凹模原有設(shè)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(zhuǎn)子硅鋼片的凹模通常采用整體設(shè)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，凹模對成形的尺寸精度及圓度要求達到 ± 0． 003 mm． 因此內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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 次切割無法達到產(chǎn)品的精度要求。并且加工大尺寸成形時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，是通過放電氣化加工區(qū)材料，因此零件表面會有一層硬化氧化層，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，則可以彌補上述缺點。
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(nèi)孔粗加工都無法一次切割完成。而坐標磨磨頭行程也僅能完成最大 220mm 的內(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。主要難點為以下 2 點:
( 1) 冷沖模沖孔時，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，凹模內(nèi)徑自然也需要大于 590 mm，多數(shù)機床都無法滿足產(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。采購機床時，考慮到經(jīng)濟性，企業(yè)多數(shù)機床的配置行程都在行程 300 mm 以內(nèi)。坐標磨磨頭行程僅為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。加上大型電機產(chǎn)品的市場相對較小，因此新設(shè)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足要求。
3 、對模具結(jié)構(gòu)進行科學設(shè)計并革新加工工藝
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題。在設(shè)計時采用多個凹模拼塊拼接成一個整體凹模。各拼塊尺寸設(shè)計為小于慢走絲機床工作行程。粗加工時，各塊獨立加工，各拼塊成形切割時留單面0． 2 mm 余量，并同時將銷孔 1 次粗切 3 精修加工到位，便于裝配時定位。最后，將凹模拼塊在模座上進行固定，磨削內(nèi)孔去除加工余量。
3． 2 對凹模內(nèi)孔磨削的解決方案
磨削加工的優(yōu)點在于凹模經(jīng)過粗加工，應(yīng)力已經(jīng)得到釋放，而磨削零件時加工區(qū)溫度相對低，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(xiàn)有的坐標磨床行程是無法滿足要求的。而無論是大行程的坐標磨或立式內(nèi)圓磨價格都比較高，臨時采購也不現(xiàn)實。如果外協(xié)加工，外協(xié)費用太高，也會對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。
坐標磨機床的磨削機構(gòu)能完成三種運動: 砂輪的高速自轉(zhuǎn)( 主運動) 、行星運動( 砂輪回轉(zhuǎn)軸線的圓周運動) 及砂輪沿機床主軸軸線方向的直線往復運動。坐標磨磨削內(nèi)孔就是利用砂輪在圓孔內(nèi)進行軸向往復行星運動，對內(nèi)孔進行加工( 如圖 1) 。
前面提到坐標磨采用上下螺旋沿凹模形腔進行磨削。而這種加工方式，其實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磨的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行對比、換算。通過對比性能數(shù)據(jù)，判定是否可以給加工中心設(shè)計專用刀柄安裝上砂輪，并利用加工中心磨削凹模。
坐標磨主軸轉(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% 。不過當內(nèi)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，砂輪的線速度為25 m / s。而加工中心的主軸轉(zhuǎn)速雖然沒有坐標磨主軸轉(zhuǎn)速高，然而最高也可達 10 000 r /min線速度的計算公式為:
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 算，可 以 得 知，當加工中心主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r /min 時，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磨完成內(nèi)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砂輪與工件摩擦會產(chǎn)生細微顆粒。如在加工過程中不加處理，一旦細微顆粒進入加工中心的運動部件，就會對加工中心運動部件產(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(shù)控坐標磨機床對砂輪的磨損進行自動補償?shù)墓δ?，因此加工中要注意多對砂輪及圓孔內(nèi)徑進行測量并及時在程序中進行補償。
5 、改進后產(chǎn)生的效益
改進設(shè)計及工藝后，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。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)負擔。僅避免設(shè)備采置一項，就可以為企業(yè)減少幾百萬元的支出，如一臺一般立式內(nèi)圓磨需要 150 萬元，一臺進口數(shù)控坐標磨床需要 500萬元。
6、 結(jié)語
大直徑定轉(zhuǎn)子模具因為尺寸大，對加工設(shè)備要求高，國內(nèi)能設(shè)計生產(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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