非圆形凸模加工技巧和方法

根据图3-3所示的非圆形凸模,合理选用机床设备,编写其加工工艺路线,保证各尺寸、几何公差等部分符合图样的要求。

1.工艺分析

非圆形凸模的制造方法采用配作法。冲孔加工时,凸模是基准件,凸模的刃口尺寸决定制造尺寸,凹模型孔加工是以凸模制造时刃口的实际尺寸为基准来配制冲裁间隙的。因此,凸模是保证产品型孔尺寸的关键零件。非圆形凸模的外形是长方体,其尺寸为22mm×32mm×45mm。在开始加工时,应首先保证其外形尺寸。非圆形凸模的成形表面是图3-3中的曲面L,其尺寸如图3-3所示。其固定部分是矩形,它和成形表面呈台阶状,属于小型工作零件。其在淬火前的加工方法采用仿形刨削或压印法,淬火后的精加工可以采用坐标磨削和钳工修研法。

2.毛坯选择

非圆形凸模的材料为MnCrWV钢,其热处理硬度为58～62HRC,属于低合金工具钢,也属于低变形冷作模具钢,具有良好的综合性能,是锰铬钨系钢的代表钢种。其中含有微量的钒,能抑制网状碳化物的生成,提高淬透性和降低热敏感性,使晶粒细化。

非圆形凸模为实心零件,各部位尺寸差异不大,热处理时较易控制形变,易达到图样要求。

毛坯选择锻件。

3.工艺路线的拟订

复杂型面凸模的制造工艺应根据凸模的形状、尺寸和技术要求并结合本单位设备情况等具体条件来制订。

凸模的非圆形工作型面,大致分为平面结构和非平面结构两种。加工以平面构成的凸模型面(或主要是平面)比较容易,可采用铣削或刨削的方法对各表面逐次进行加工,如图3-4所示。

图3-3 非圆形凸模

图3-4 平面结构凸模的刨削加工

a)凸模 b)刨四面 c)刨两端面 d)刨小平面 e)刨30°斜面 f)刨10°斜面

采用铣削方法加工平面结构的凸模时,多采用立式铣床和万能工具铣床进行加工。这类模具中某些倾斜平面的加工方法有以下几种。

1)装夹工件时使被加工斜面处于水平位置进行加工,如图3-5所示。

2)使刀具相对于工件倾斜一定的角度对被加工表面进行加工,如图3-6所示。

图3-5 工件斜置铣削

图3-6 刀具斜置铣削

3)将刀具制成一定的锥度对斜面进行加工,这种方法一般很少用。

加工非平面结构的凸模(图3-7)时,可根据凸模的形状、结构特点和尺寸大小采用车床、仿形铣床、数控铣床或通用铣(刨)床等进行加工。

图3-7 非平面结构的凸模

采用仿形铣床或数控铣床加工,可以减轻劳动强度,容易获得所要求的形状尺寸。数控铣削的加工精度比仿形铣削高。仿形铣削是靠仿形销和靠模的接触来控制铣刀运动的,因此,仿形销和靠模的尺寸形状误差、仿形运动的灵敏度等会直接影响零件的加工精度。无论是仿形铣削还是数控铣削,都应采用螺旋齿铣刀进行加工,这样可使切削过程平稳,容易获得较小的表面粗糙度值。

在普通铣床上加工凸模是采用划线法进行加工的。加工时按凸模上划出的刃口轮廓线,手动操作机床工作台(或机床附件)进行切削加工。这种加工方法对操作工人的技术水平要求高,劳动强度大,生产效率低,加工质量取决于工人的操作技能,而且会增加钳工的工作量。

当采用铣削、刨削方法加工凸模的工作型面时,由于结构原因不能用一种方法加工出全部型面(如凹入的尖角和小圆弧)时,应考虑采用其他加工方法对这些部位进行补充加工。在某些情况下,为便于机械加工需要将凸模做成组合结构。

4.知识讲解

(1)成形磨削 成形磨削是成形表面精加工的一种方法,具有高精度、高效率的优点。在模具制造中,成形磨削主要用于精加工凸模、凹模拼块及电火花加工用的电极等零件。

图3-8 模具刃口形状

形状复杂的模具零件,一般是由若干平面、斜面和圆柱面等简单形状的表面组成的,其轮廓线由若干直线和圆弧组成,其模具刃口形状如图3-8所示。成形磨削的原理就是把零件的轮廓分成若干直线与圆弧,然后按照一定的顺序逐段磨削,使之达到图样上的技术要求。

1)成形砂轮磨削法是将砂轮修整成与工件被磨削表面完全吻合的形状进行磨削加工,以获得所需要的成形表面,如图3-9所示。此法一次所能磨削的表面宽度不能太大。为获得一定形状的成形砂轮,可将金刚石固定在专门设计的修整夹具上对砂轮进行修整。

图3-9 成形砂轮磨削法

图3-10 用夹具磨削圆弧面的加工示意图

2)夹具磨削法是借助于夹具,使工件的被加工表面处在所要求的空间位置上(图3-10),或使工件在磨削过程中获得所需的进给运动,从而磨削出成形表面。图3-10所示为用夹具磨削圆弧面的加工示意图。工件除作纵向进给(由机床提供)外,还可以借助夹具作断续的圆周进给,这种磨削圆弧的方法称为回转法。

常见的成形磨削夹具有以下几种。

①如图3-11a所示,正弦精密平口钳主要由带有精密平口钳的正弦规和底座组成。工件3装夹在精密平口钳2上,在正弦圆柱4和底座1的定位面之间垫入量块,可使工件倾斜一定的角度,以磨削工件上的倾斜表面,如图3-11b所示。量块尺寸按下式计算:

H₁=Lsinα

式中 H₁——垫入量块的尺寸,单位为mm；

L——正弦圆柱的中心距,单位为mm；

α——工件需要倾斜的角度,单位为(°)。

图3-11 正弦精密平口钳及磨削示意图

a)正弦精密平口钳 b)磨削示意图

1—底座 2—精密平口钳 3—工件 4—正弦圆柱 5—量块

图3-12 正弦磁力夹具

1—电磁吸盘 2—电源线 3、6—正弦圆柱 4—底座 5—锁紧手轮

正弦精密平口钳的最大倾斜角度为45°。为了保证磨削精度,应使工件在夹具内正确定位,工件的定位基面应预先磨平并保证垂直。

②正弦磁力夹具的结构和应用情况与正弦精密平口钳相似,两者的区别在于正弦磁力夹具用磁力代替平口钳夹紧工件,如图3-12所示。电磁吸盘能倾斜的最大角度也是45°,其适于磨削扁平工件。

例3-1 图3-13所示的凸模采用正弦磁力夹具在平面磨床上磨削斜面a、斜面b及平面c。除面a、面b、面c外,其余各面均已加工到设计要求。

磨削工艺过程如下。

将夹具置于机床工作台上,找正。

以面d及面e为定位基准磨削面a:调整夹具使面a处于水平位置,如图3-14a所示。

图3-13 凸模

调整夹具的量块尺寸:H₁=150mm×sin10°=26.0472mm

检测磨削尺寸的量块尺寸:M₁=(50mm-10mm)×cos10°-10mm=29.392mm

图3-14 用单向磁力夹具磨削凸模

磨削面b:调整夹具使面b处于水平位置,如图3-14b所示。

调整夹具的量块尺寸:H₂=150mm×sin30°=75mm

检测磨削尺寸的量块尺寸为

M₂=[(50mm-10mm)+(40mm-10mm)×tan30°]×cos30°-10mm=39.641mm

磨削面c:调整夹具磁力台至水平位置,如图3-14c所示。

检测磨削尺寸的量块尺寸为

M₃=50mm-[(60mm-40mm)×tan30°+20mm]=18.453mm

磨削面b、面c的交线部位:用成形砂轮磨削,调整夹具磁力台与水平面成30°,砂轮圆周修整出部分圆锥角为60°的圆锥面,如图3-14d所示。

砂轮的外圆柱面与处于水平位置的面b部分微微接触,再使砂轮慢速横向进给,直到面c也出现微小的火花,加工结束,如图3-14e所示。

③正弦分中夹具主要用于加工具有一个回转中心的工件,如图3-15所示。正弦分中夹具主要由正弦头、尾架和底座三部分组成,加工时工件装在两顶尖之间,可根据工件的长度调节尾架的位置。转动安装在蜗杆8上的手轮,可通过蜗杆副驱动前顶尖转动,进而由鸡心夹头带动工件转动。利用正弦头右侧面的分度头,可控制工件的回转角度,要求一般精度时直接在分度盘上读取,要求精度高时,可在垫板与正弦圆柱间垫量块进行调节。

图3-15 正弦分中夹具

1—支架 2—前顶尖 3—轴套 4—主轴 5—蜗轮 6—分度盘 7—正弦圆柱 8—蜗杆 9—定向键 10—尾架 11—底座 12—后顶尖 13—手轮

设正弦圆柱中心至夹具主轴中心的距离为L(L=D/2,D为正弦圆柱中心所在圆的直径),当其中一对正弦圆柱处于水平位置时,在该正弦圆柱下面所垫量块的高度为H₀,如图3-16a所示。

当垫量块的正弦圆柱在过夹具回转中心的水平线之下时,如图3-16b所示,应垫量块的高度为

H₁=H₀-Lsinα(3-1)

式中 α——工件所需转动的角度,单位为(°)。

当垫量块的正弦圆柱在过夹具回转中心的水平线之上时,如图3-16c所示,应垫量块的高度为

H₂=H₀+Lsinα(3-2)

图3-16 应垫量块高度的计算

为了减少磨削时的计算,可根据式(3-1)和式(3-2)计算出0°≤α≤45°时应垫量块的高度。

在正弦分中夹具上,工件的装夹方法通常有心轴装夹法和双顶尖装夹法。

心轴装夹法:图3-17所示为心轴装夹。如果工件2上有内孔,当此孔的中心是外成形表面的回转中心时,可在孔内装入心轴1。否则在工件2上做出工艺孔,用来安装心轴1。利用心轴1两端的中心孔将心轴1和工件2夹持在分中夹具的两顶尖之间。当夹具主轴5回转时,可通过鸡心夹头4带动工件2一起回转。

图3-17 心轴装夹

1—心轴 2—工件 3—螺母 4—鸡心夹头 5—夹具主轴(www.xing528.com)

双顶尖装夹法:当工件没有内孔,也不允许在工件上做工艺孔时,可采用双顶尖装夹法,如图3-18所示。工件除带有一对主中心孔外,还有一个副中心孔,用于拨动工件。加长顶尖1装在夹具的主轴孔内。副顶尖2可在叉形滑板3的槽内上下移动,并能借助螺母4调节至所需的长度。若将副顶尖做成弯的,可扩大其使用范围。

采用这种方法装夹时,要求加长顶尖、副顶尖与中心孔的锥度密切配合,而且要顶紧才能保证加工精度,但副顶尖对工件的推力不能过大,否则会使工件产生弯曲。

图3-18 双顶尖装夹

1—加长顶尖 2—副顶尖 3—叉形滑板 4—螺母

用正弦分中夹具磨削工件时,被磨削表面的尺寸是用测量调整器、量块和百分表进行比较测量的。

测量调整器由三脚架与量块座组成,如图3-19所示,量块座2能沿着三脚架1斜面上的V形槽上、下移动,当移动到所需的位置时,可用螺母将其锁紧。为了保证测量的精度,测量调整器应制造得很精确,要求量块座2能沿三脚架1的斜面移到任意位置上,量块座2的支承面A和B分别与测量调整器的安装基准面D和C保持平行。

在正弦分中夹具上,无论磨削圆弧还是直线,都是以夹具中心线为基准,用测量调整器、量块和百分表进行测量的。为此,首先应调整量块座的位置,使它能反映出夹具的中心高。为了便于测量,通常把量块座的面B调节到比夹具中心低50mm的位置。其调节方法如图3-20所示。在夹具的顶尖间装上一根直径为d的标准圆柱,并在量块座的面B上安放一块高50mm的量块以及高度为d/2的量块组。调整量块座的位置,使百分表在量块组和圆柱上的读数相同。取下量块组,则高度为50mm块规的上表面与夹具中心线等高。

图3-19 测量调整器

1—三脚架 2—量块座

图3-20 夹具中心高的测量

当被测量表面高于夹具中心时,可在50mm量块上加入量块组,使百分表在量块组表面与被测量表面的读数相同。这样,量块组的高度就等于被测量表面至夹具中心的距离。设被测量表面至夹具中心的距离为s,则量块组上表面的测量高度为

H=h+s

式中 h——夹具中心高。

当被测量表面低于夹具中心时,应将50mm量块取去,在面B上安装高度为(50mm-s)的量块组即可。量块组上表面的测量高度为

H=h-s

④万能夹具可加工具有多个回转中心的工件,如图3-21所示。工件定位以后随主轴来回旋转,磨出以该回转中心为轴线的圆弧面。与正弦分中夹具相比,其结构上主要多出了由一对相互垂直的精密丝杠螺母副组成的十字滑板部分,该部分可带动工件相对于夹具主轴沿X与Y两个方向移动,从而使工件上不同的回转中心分别与夹具主轴重合,磨出复杂曲面上的各部分圆弧面。

图3-21 万能夹具

1—主轴 2—轴套 3—蜗轮 4—蜗杆 5—紧固螺母 6—分度盘 7—刻度盘 8—正弦圆柱 9—量块垫板 10—手轮 11、12—十字滑板 13—横滑板 14—转盘 15—螺钉 16—垫柱 17—手柄 18—丝杠

万能夹具比正弦分中夹具更为完善,它除了能使工件回转之外,还可以使工件在互相垂直的方向上移动,以调整工件的回转中心,使工件与夹具主轴的中心重合。工件在两个互相垂直方向上的移动是通过十字滑板实现的。万能夹具上工件的装夹方法通常有四种。

用螺钉紧固工件(图3-22):在工件上预先做好工艺螺钉孔(M8～M10),用螺钉和垫柱将工件紧固在转盘上。螺钉的数目视工件大小而定,较大的工件用2～4个；较小的工件可用1个,但磨削用量应适当减小。垫柱的数目与螺钉数相同,其长度应适当,要保证砂轮退出时不致碰坏夹具。此外,为了保证装夹精度,要求各垫柱的高度一致。用这种方法紧固工件,一次装夹便能把工件的整个轮廓磨削出来。

用精密平口钳装夹:精密平口钳(图3-23)主要由底座1、活动钳口2和传动螺杆3组成。它与一般的平口钳相似,但其制造精度较高。用螺钉和垫柱将精密平口钳安装在转盘上(图3-24),便可利用平口钳夹紧工件。为了保证装夹精度,工件上装夹与定位的面(面a、b、c)应事先经过磨削。这种方法装夹方便,但在一次装夹中只能磨削工件上的一部分表面。

图3-22 螺钉紧固工件

1、5—螺钉 2—垫柱 3—转盘 4—滚花螺母 6—工件

图3-23 精密平口钳

1—底座 2—活动钳口 3—传动螺杆 4、5—螺孔

图3-24 精密平口钳装夹

图3-25 磁力平台装夹

用磁力平台装夹(图3-25):将磁力平台装在转盘上,利用它来吸牢工件。这种方法装夹方便、迅速,适于磨削扁平的工件。它与精密平口钳装夹法相似,在一次装夹中只能磨削工件上的一部分表面。

用磨回转体的夹具装夹:需要磨削圆球面或圆锥面时,可用这种方法装夹。磨回转体的夹具的结构如图3-26所示。被磨削的工件装在弹簧夹头1内,拧紧螺母2将工件夹紧,旋转手轮3可使弹簧夹头和工件绕夹具中心回转。将此夹具安放在磁力平台上(图3-27),利用磁力将它吸牢。磨削时,借助于磨回转体夹具的回转和万能夹具的回转,可以加工工件上的球面。若使磁力平台倾斜一定的角度,则可利用磨回转体夹具的回转来磨削工件的锥面。

图3-26 磨回转体的夹具

1—弹簧夹头 2—螺母 3—手轮

图3-27 磨回转体夹具的装夹

1—磁力平台 2—磨回转体夹具 3—转盘

万能夹具用于磨削直线与圆弧或圆弧与圆弧相连接的各种形状复杂的工件。磨削平面或斜面时,需要将被加工的平面或斜面依次转至水平(或垂直)位置,以便用砂轮的圆周(或端面)进行磨削。利用分度盘控制回转角度以及用测量调整器、量块和百分表对被加工表面进行比较测量的方法均与正弦分中夹具相同。利用万能夹具加工圆弧面的方法是调整十字滑板,使被加工圆弧的中心与夹具中心重合,磨削时用手轮旋转蜗杆,通过蜗轮带动工件回转。

(2)光学曲线磨床上的仿形磨削 在光学曲线磨床上进行仿形磨削时,光学曲线磨床利用放缩尺,按放大样板或放大图对成形表面进行磨削加工,用于磨削平面、圆弧面和非圆弧形的复杂曲面,特别适合用于单件或小批生产中各种复杂曲面的磨削工作。主要用于磨削尺寸较小的凸模和凹模拼块。被加工零件的精度为±0.01mm,Ra=0.32～0.63μm。图3-28所示为光学曲线磨床。

砂轮架用来安装砂轮,它能作纵向和横向送进(手动),可绕垂直轴旋转一定的角度以便将砂轮斜置进行磨削,如图3-29所示。

光学曲线磨床的光学投影放大系统原理图如图3-30所示。

图3-28 光学曲线磨床

1—床身 2—坐标工作台 3—砂轮架 4—光屏

将被磨削表面的轮廓分段,如图3-31a所示。把每段曲线放大50倍绘图,如图3-31b所示。

图3-29 磨削曲线轮廓的侧边

图3-30 光学曲线磨床的光学投影放大系统原理图

1—光源 2—工件 3—砂轮 4—物镜 5、6—三棱镜 7—平镜 8—光屏

图3-31 分段磨削

a)被磨削平面的轮廓分段 b)放大50倍的曲线

(3)数控磨床上的成形磨削 在数控磨床上进行成形磨削时,在成形磨床或平面磨床上利用夹具或成形砂轮进行磨削,一般都是采用手工操作。因此,其加工精度在一定程度上依赖于工人的操作技巧。采用数控磨床主要是为了提高加工精度,便于采用电子计算机辅助设计和辅助制造模具,使模具制造朝着高质量、高效率、低成本和自动化的方向发展,目前,数控磨床在实际应用中收到了良好的效果。

图3-32所示为数控磨床。它以平面磨床为基础,其中工作台作纵向往复直线运动和前、后(横向)进给运动,砂轮除了作旋转运动外,还可以作垂直进给运动。其特点是采用数控装置对砂轮的垂直进给运动和工作台的横向进给运动进行控制。所谓数控是指用数字指令来控制机器的动作。在加工工件时,首先根据其图样编出程序,并按一定的格式将程序打成穿孔纸带,然后把穿孔纸带输入数控装置,使机器按预定的要求自动实现工件的加工。

图3-32 数控磨床

在数控磨床上进行成形磨削的方法主要有成形砂轮磨削法、仿形磨削法和复合磨削法。

图3-33 成形砂轮磨削

a)砂轮修整装置 b)磨削工件

1—砂轮 2—金刚刀 3—工件

1)采用成形砂轮磨削法时,首先利用数控装置控制安装在工作台上的砂轮修整装置,使它与砂轮架作相对运动而得到所需的成形砂轮,如图3-33a所示,然后用此成形砂轮磨削工件。磨削时,工件作纵向往复直线运动,砂轮作垂直进给运动,如图3-33b所示。这种方法适用于加工面窄、批量大的工件。

2)采用仿形磨削法时,首先利用数控装置把砂轮修整成圆形或V形,如图3-34a所示,然后由数控装置控制砂轮架的垂直进给运动,使砂轮的切削刃沿着工件的轮廓进行仿形加工,如图3-34b所示,这种方法适用于加工面宽的工件。

3)复合磨削法是将成形砂轮磨削法和仿形磨削法两种方法结合在一起,用来磨削具有多个相同型面(如齿条形和梳形)工件的方法。磨削前先利用数控装置修整成形砂轮(只是工件形状的一部分),如图3-35a所示,然后用成形砂轮依次磨削工件,如图3-35b所示。

图3-34 仿形法磨削

a)修整砂轮 b)磨削工件

1—砂轮 2—工件 3—金刚刀

图3-35 复合磨削

a)修整成形砂轮 b)磨削工件

1—砂轮 2—工件 3—金刚刀

成形磨削时,凸模不能带凸肩,如图3-36所示。当凸模形状复杂,某些表面因砂轮不能进入而无法直接磨削时,可考虑将凸模改成镶拼结构,如图3-37所示。

图3-36 凸模结构

a)无凸肩的凸模 b)带凸肩的凸模

图3-37 镶拼凸模

1、2、3—拼块

5.工艺实施

非圆形冲孔凸模的加工工艺路线见表3-4。此类结构加工工艺的不足之处就是淬火之前进行机械加工成形,这样势必带来热处理的变形、氧化、脱碳、烧蚀等问题,影响凸模的精度和质量。在选材时应采用热变形小的材料,并且要防止过烧和氧化等现象的产生。

表3-4 非圆形冲孔凸模的加工工艺路线