1.3　案例3　認知磨削加工在模具制造中的應用

通過前面幾個案例的簡單介紹，大家可以發現，在模具零件的加工工藝過程中，往往將磨削工藝放在最后一道工序，原因是磨削加工是用磨具（如砂輪）以較高的線速度對工件表面進行加工，不僅可以磨削各種碳鋼、鑄鐵、有色金屬，還能磨硬度很高的淬火鋼、各種切削刀具和硬質合金等，更是模具零件精密加工的主要方法之一。

模具絕大部分零件都要經過磨削加工，例如，模板的工作表面，型芯、型腔的工作表面，導柱的外圓，導套的內外圓表面以及模具零件之間的接觸面等。在模具制造中形狀相對簡單的平面，圓和外圓可使用普通磨削加工，而形狀復雜的零件則需使用各種精密磨床進行成形磨削。對于精度要求高的多孔、多型孔的模板或凹模的精加工，比較理想的方法就是坐標磨削。

這里我們將通過幾個簡單的案例，讓大家對磨削加工在模具零件的加工中的應用有一個初步的認識。

案例資訊3　磨削加工設備的認知

磨削加工在模具零件的加工中主要以平面、外圓、內圓、成形面的磨削為主，砂輪對工件的磨削形式如圖1-15所示。

磨床作為磨削加工設備，模具零件加工中常用的磨床根據其功能可分為外圓磨床、內圓磨床、平面磨床，另外，在專業模具生產廠家，特別是精密小型模具的生產廠家，光學曲線磨床應用也較為廣泛，其加工精度高，表面質量好，生產效率高，常用于加工具有非圓形截面的小型零件，如非圓形凸模、小型芯等。

（1）平面磨床

平面磨床主要用于磨削平面，立軸式平面磨床利用砂輪的端面磨削工件，臥軸式磨床利用砂輪的圓周面磨削工件，在矩臺平面磨床上利用夾具也可以磨削斜面。其主要由立柱、砂輪架、砂輪、工作臺和床身等部分組成。臥軸式平面磨床如圖1-16所示。

砂輪安裝在磨頭上，由單獨的電機直接帶動，磨頭沿拖板的水平導軌可由液壓驅動作橫向進給，也可用手動進給，拖板可沿立柱的垂直導軌作上下移動，以調整砂輪的高低位置及完成垂直進給運動；工作臺的往復運動也可由液壓傳動實現，也可用手輪操縱，以便進行必要的調整。

在平面磨床上，中小型工件裝夾是靠工作臺上安裝的電磁吸盤來裝夾的，大型工件或不便于吸緊的工件才采用平口鉗或壓緊裝置固定在工作臺面上。

（2）外圓磨床

普通外圓磨床一般用來加工外圓柱面、外圓錐面和端面等，在萬能外圓磨床上還可以加工內圓柱面和內圓錐面，萬能外圓磨床由床身、工作臺、頭架、砂輪架、尾座、內圓磨頭和砂輪組成，如圖1-17所示。

床身用來安裝各部件，并保證各部件間相對位置精度，床身上部裝有工作臺、砂輪架、頭架和尾座等。工作臺可沿著床身的縱向導軌作直線往復運動，使工件實現縱向進給，在工作臺前側面的T形槽內，裝有兩個換向擋塊，用以操縱工作臺自動換向，工作臺也可以手動操作使之移動。頭架上裝有主軸，主軸端部可以安裝頂尖、撥盤或卡盤，用來裝夾工件。砂輪架是專門用于安裝砂輪的部件，并有單獨的電機通過皮帶帶動砂輪作高速旋轉，砂輪架可以在床身后部的橫向導軌上移動。尾座上裝有套筒，套筒內安裝頂尖，用來配合頭架上安裝的頂尖、撥盤或卡盤裝夾工件；尾座在工作臺上的位置可以根據加工工件的長度不同進行調整。內圓磨頭是磨削內圓表面用的，在它的主軸上可以安裝內圓磨削砂輪，由單獨電機帶動；內圓磨頭可以繞支架轉動，使用時翻下，不用時翻向砂輪架上方。砂輪是磨床磨削的刃具，由磨床的主電機帶動，用來磨削工件。

（3）內圓磨床

內圓磨床主要用于磨削內圓柱面、內圓錐面和端面等。內圓磨床由床身、工作臺、頭架、磨具架、砂輪修整器等部件組成。內圓磨床各部件的作用和液壓傳動系統與外圓磨床相似，如圖1-18所示。

另外在模具零件的加工中，還會用到坐標磨床和光學曲線磨床。坐標磨床具有精密坐標定位裝置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔和成形表面的磨床。坐標磨床與坐標鏜床有相同的結構布局，不同的是鏜刀主軸換成了高速磨頭。磨削時，工件固定在能按坐標定位移動的工作臺上，砂輪除高速自轉外還通過行星傳動機構作慢速的公轉，并能作垂直進給運動。改變磨頭行星運動的半徑，可實現徑向進給。磨頭通常采用高頻電動磨頭或空氣透平磨頭。坐標磨床除能磨削圓柱孔外，還可磨削圓弧內外表面和圓錐孔等，主要用于加工淬硬工件、沖模和壓模等。在磨頭上安裝插磨附件，使砂輪軸線處于水平位置，砂輪不作行星運動而只作上下往復運動，可進行類似于插削形式的磨削，以加工內齒圈、分度板和凸輪等。數控坐標磨床可以通過NC程序控制磨削運動，能夠磨削各種成形表面，其應用越來越廣泛。

光學曲線磨床是在沒有數控、數顯技術前，所使用的一種高精度的曲線磨床，它是通過光的折射反映出曲線的形狀，能將工件、砂輪經光學系統放大幾十倍，投影在一個屏幕上，工作時，操作者可在屏幕上隨時觀察砂輪沿工件型面加工的情況，被加工件的運動可用手動操作或用直流電機控制，以達到加工型面的目的。一般用于精度要求高的曲面的加工，以前是曲面磨削必不可缺少的設備，但目前逐步被數控磨床所代替。

1.3.1　斜導柱的磨削加工

斜導柱的結構形狀如圖1-19所示。固定部分的端面有一半為斜面，工作部分頭部為便于斜銷導入滑塊，做成半球形。材料為20鋼滲碳處理，淬火硬度在55HRC以上，工作表面經磨削加工后保持有Ra0.8μm的表面粗糙度。

構成斜銷的主要表面為不同直徑的同軸圓柱表面。根據其尺寸和材料，可直接選用熱軋圓鋼為坯料。

在機械加工中主要保證其配合面精度和滑動面的表面粗糙度。另外還要注意各圓柱面間的同軸度和表面硬度要求。

由于斜銷滑動面表面有硬度要求，因此一般在精加工前要安排熱處理工序。

斜導柱的加工工藝過程可歸納為：備料、粗車加工、半精車削加工、熱處理和磨削加工等步驟。

在經過下料、粗車、精車加工后，除工作面單邊留0.2～0.3mm的磨削余量外，其他都可以加工到尺寸，之后銑削固定端部的斜面，然后進行滲碳熱處理使斜導柱達到硬度要求，最后通過外圓磨床磨斜導柱工作面到尺寸。導正部分的半球面只是起一個導向作用，尺寸精度較低，但表面粗糙度要求較高，對于這部分的磨削，可以由鉗工進行拋光處理，或者將砂輪修成對應半徑的內圓形進行磨削。模具回轉體零件中類似的內、外圓的磨削加工，采用修砂輪的方法，是比較常用的工藝。

斜導柱的加工工藝除斜導柱尺寸和精度要求是主要確定因素外，工廠現有的加工設備也是影響因素之一。比如后續的磨削，也可利用回轉臺在平面磨床上進行，故在確定斜銷加工的具體工藝時，各個工廠也不盡相同，要根據具體情況進行選擇。

1.3.2　型腔板的磨削加工

型腔板屬于標準模架里的零件，一般在購買回標準模架后，可以拆下后直接在型腔板上進行方槽、型腔鑲塊固定槽、固定用螺釘孔、流道孔等的加工，作為標準模架廠商在生產標準模架時，對于型腔板加工的工藝一般為：在備好的坯料上通過粗銑、調質熱處理、精銑后各平面留0.3～0.5mm的磨削余量，之后進行平磨加工，以達到型腔板六面體的要求尺寸和表面粗糙度，接著銑出背面四個角的起模小臺階，然后鉆、鏜、磨導套固定孔，最后由鉗工鉆固定螺釘底孔并攻螺紋，完成標準模架中型腔板的加工。

在標準模架中板類零件的種類繁多，模座、墊板、固定板、卸料板、推件板等均屬此類。不同種類的板類零件其形狀、材料、尺寸、精度及性能要求不同，但每一塊板類零件都是由平面和孔系組成的，并且一般都采用45鋼調質處理，硬度要求一般在28～32HRC之間，屬于普通機加工可加工的硬度，所以其他板的加工工藝和上述型腔板的加工工藝大同小異。

這些板類零件在磨削加工時，重點要保證六個表面之間的平行度和垂直度以及各表面的表面粗糙度和精度等級，一般模板平面的加工尺寸精度要達到IT7～IT8，表面粗糙度Ra=0.8～3.2μm。對于平面為分型面的模板，加工質量要達到IT6～IT7，Ra=0.4～1.6μm。另外，模板上各孔的尺寸精度、垂直度和孔間距也要保證要求，常用模板各孔徑的配合精度一般為IT6～IT7，Ra=0.4～1.6μm，假如動模板上導柱的固定孔和定模板上導套的固定孔直徑相同時，可以將定模板和動模板合起來，用工藝定位銷定位后同時鏜孔，這樣既能保持孔徑和孔距相同，又能保證孔的同軸度要求，但隨著加工設備精度的不斷提高，目前在數控機床上分開對各板的孔進行加工后也可以保證安裝配合精度。對安裝滑動導柱的模板，孔軸線與上下模板平面的垂直度要求為4級精度。模板上各孔之間的孔間距應保持一致，一般誤差要求在±0.02mm以內。

圖1-20所示為香皂盒注塑模具的型腔板，材料為45鋼，調質處理，圖1-21所示為購買的標準模架中的型腔板，我們將在這塊板子的基礎上進行加工，最終得到圖1-20所示的型腔板。

對于該標準模架中的型腔板的加工工藝和前面所述相似，這里不再贅述。那么在此基礎上要完成如圖1-20所示的型腔板的加工，采用的工藝主要有銑削加工、鉆削加工、磨削加工。現代模具設計一般不再以型腔板的表面作為主分型面的貼合面，而是以型腔鑲塊和型芯鑲塊的配合面作為分型面，所以一般要求型腔板的表面比型腔鑲塊的表面低0.1～0.3mm。模具設計時采用的是標準模架中型腔板的厚度尺寸，所以有的企業在進行其他加工前，先將型腔板的大面在平磨床上進行磨削，之后由鉗工劃線打出水道孔，然后按照基準將型腔板固定在數控銑床上并找正。加工型腔鑲塊固定方孔這一面，如圖1-20（a）所示，依次經過粗銑、精銑完成型腔鑲塊固定方孔和滑塊方槽的加工。如果精度要求較高，則在精銑時留0.3mm的磨削余量，接著在數控銑床上用中心鉆點出各個螺釘孔的孔位。這些孔的精度要求都不是很高，可以在數控銑床上完成孔的加工，也可后續由鉗工完成。完成這面的加工后，將工件翻轉加工背面的流道及流道孔，如圖1-20（b）所示。這里需要注意，分澆道一般是待型腔鑲塊壓裝后再做配加工，這樣可保證型腔上的分澆道與固定板上的分澆道對正。有些企業的加工設備精度較高，也可分開加工，最后裝配。

1.3.3　銘牌沖裁凸凹模的磨削加工

沖裁凸凹模零件如圖1-22所示。在沖裁模具中，本凸凹模零件的凸模工作部分完成銘牌外形的落料，凹模部分是完成兩個圓柱孔及“SUST”字樣的沖孔，從零件圖上可以看出，該凸凹模的加工，采用“凸、凹模配作法”，外成形輪廓面是非基準輪廓面，它與落料凹模的實際尺寸配制，保證雙面間隙為0.06mm；凸凹模的兩個凹模內孔及字樣凹模也是與沖孔凸模的實際尺寸配間隙。

該零件的外形尺寸是82mm×18mm×25mm。成形表面是外形輪廓、兩個圓孔及“SUST”字樣。底面有兩個用于緊固的M6的螺紋孔。凸凹模的外成形輪廓由直線和兩端的樣條線構成，表面為直紋面，形狀比較復雜。該零件的凹模部分的漏料孔為臺階式。外成形表面的精加工可以采用數控成形磨削加工或電火花線切割（后續會有詳細介紹）的方法。該零件的底面還有兩個M6的螺紋孔，可供數控銑削或數控成形磨削時夾緊固定用。凸凹模零件的兩個圓孔內成形表面，在熱處理前可以用鉸刀鉸削，熱處理后再進行研磨，保證沖裁間隙。漏料孔在熱處理后不再進行加工。

“SUST”字樣部分的加工需要在熱處理前預鉆穿絲孔，并在數控銑床上加工漏料孔，熱處理之后，采用線切割加工出字樣的成形，兩個圓孔的加工也可采用這種工藝在線切割機床上加工。

經過上述分析，我們可以根據現有的加工設備條件，采用以下兩個加工工藝方案：

方案一：備料—退火—銑六方—磨六面—數控粗、半精加工外形—數控點圓成形孔位及字樣的穿絲孔位置—鉆圓成形孔—鉆穿絲孔—鉆并攻螺紋孔—數控銑漏料孔—鉸成形圓孔—熱處理到硬度要求—研磨內孔—成形磨削外形—鉗工修配。

方案二：備料—退火—銑六方—磨六面—數控點圓成形孔位及字樣的穿絲孔位置—鉆外形及字樣的穿絲孔—鉆并攻螺紋孔—數控銑漏料孔—熱處理到硬度要求—平磨上下兩面—電火花線切割外形—線切割圓孔及字樣—鉗工修配。