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影响模具零件表面质量的因素及改善措施
彭
磊
摘要： 模具零件的表面质量对模具的使用性能有很大影响, 如何使工件的表面质量达到要求, 如何减小各因素对工件表面质量的影响,就成为必须考虑的问题, 本文通过对影响模具零件表面质量的因素进行分析,并提出提高工件表面质量的措施。
关键词： 模具零件
表面质量
影响因素
模具零件的表面质量, 是指模具零件经过加工后的表面层状态, 它包括表面粗糙度, 表面层的加工硬化, 表面层的金相组织状态及表面层的残余应力等;而模具的失效是个别的零件的失效造成的, 其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能, 而研究与生产实践表明, 零件的失效大都从表面开始, 零件表面质量的高低是决定其使用性能的重要因素, 因此,正确地理解零件表面质量内涵, 改善表面质量,提高产品使用性能 有重要意义。.影响表面粗糙度的因素及改进措施
(1).切削加工中的影响
切削加工后的表面粗糙度主要取决于切削残留面积的高度。根据切削原理,影响切削残留面积高度H的因素,主要包括刀尖圆弧半径rε、主偏角kr副偏角kr＇及进给量f。此外,切削过程中的塑性变形,摩擦,积屑瘤,鳞刺,振动对加工表面粗糙度的影响也很大。
为减小切削加工后的表面粗糙度值,可采取如下措施: 1)合理选择切削速度, 因为在一定的切削速度范围内容易产积屑瘤或鳞刺;减小进给量, 可降低残留面积高度。
2)合理选择刀具材料, 适当增大刀具前角, 可抑制积屑瘤和鳞刺生长;选择较大刀尖圆弧半径, 减小主副偏角,均可减少残留面积。
3)合理选择切削液, 切削液在加工过程中能降低切削区的温度, 减少刀刃与工件的摩擦, 从而减少了切削过程中的塑性变形, 对降低表面粗糙度值有很大作用。
4)必要时, 在加工前骊零件进行正火, 调质热处理, 以提高硬度, 降低塑性和韧性。
(2).磨削加工中的影响
磨削加工表面是由砂轮表面上的磨粒刻出的无数细小的刻痕或沟槽所组成的。磨削加工的表面粗糙度是由刻痕几何因素和表面层金属的塑性变形决定的。若单位面积上的刻痕越多,即通过单位面积的磨粒越多,且刻痕细密均匀,则表面粗糙度数值越小。此外,砂轮的磨削速度比一般切削加工的速度高,磨粒在工件表面滑擦,磨削区温度很高,工件表层金属的金相组织发生变化形成表面烧伤,出现较大的塑性变形,使表面粗糙度值增大。
减少磨削加工后的表面粗糙度值, 可采取以下措施: 1)提高砂轮线速度, 因为速度高就有可能使表层金属来不及变形，致使表层金属的塑性变形减小，磨削表面的粗糙度值也明显减小。2)磨削深度对表层金属塑性变形的影响很大。减少磨削深度, 能降抵表面粗糙度值。
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3)合理选择砂轮, 通常, 砂轮粒度取46# ~ 60#为宜。选择中软砂轮, 磨钝了的磨粒能及时脱露出新的磨粒继续切削, 工件表面能获得较小的表面粗糙度值。4)经常仔细修整砂轮, 适当增加光磨次数。
5)检查并保持切削液的清洁, 对磨削加工来说, 切削液的作用十分重要, 对降低磨削力, 温度及砂轮磨损都有良好的效果, 有利于减少表面粗糙度值。
2.影响表层金属力学物理性能的因素及改进措施
(1)加工表面层的冷作硬化
硬化程度取决于产生塑性变形的力和变形速度以及切削温度。切削速度和进给量对硬化影响较大, 刀具刃中磨损也会对硬化产生很大影响。此外, 工件材料的塑性越大, 冷作硬化程度也越严重。
减小冷作硬化, 可采用如下方法和措施: 1)减小进给量和切削深度, 提高切削速度, 可降低切削力, 使塑性变形减小, 从而轻冷作硬化的程度。
2)适当增大刀具前角和后角, 减小刃口圆弧半径, 使切削刃保持锋利, 硬化程度也会减轻。
3)工件选用含碳量稍高的材料, 含碳量越高, 强度越高, 其塑性变形越小, 冷作硬化程度越小。
4)磨削时, 减慢工件转速, 增加对工件热作用时间, 可弱化塑性变形, 使冷作硬化程度减小。
(2)表层金属的金相组织变化
磨削加工表面金相组织的变化。机械加工过程中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高。当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。对于一般的切削加工方法，通常不会上升到如此高的程度。但在磨削加工时，不仅磨削比压特别大，且磨削速度也特别高，切除金属的功率消耗远大于其他加工方法。加工所消耗能量的绝大部分都要转化为热量，这些热量中的大部分(约80%)将传给被加工表面，使工件表面具有很高的温度。对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。磨削加工是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化的加工方法，在磨削加工中的烧伤现象，会严重影响零件的使用性能。
改善磨削烧伤的措施: 1)合理选用磨削用量。以平磨为例来分析磨削用量对烧伤的影响。磨削深度对磨削温度影响极大;加大横向进给量对减轻烧伤有利，但增大横向进给量会导致工件表面粗糙度值变大，因而，可采用较宽的砂轮来弥补;加大工件的回转速度，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度的影响相比小得多。从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件回转速度和较小的磨削深度。
2)正确选择砂轮, 根据所加工工件材料, 合理选择砂轮粒度, 硬度, 组织, 结合剂。若砂轮粒度太细, 硬度高, 组织太密, 结合剂无弹性, 易出现烧伤。此外, 为降低磨削区温度, 在砂轮的孔隙内可浸入像石蜡类润滑物质。
3）改善冷却措施, 切削液直接进入磨削区可带走大量的热量, 避免产生烧伤。
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(3)表层金属的残余应力
表层金属产生残余应力的原因是：机械加工时，在加工表面的金属层内有塑性变形产生，使表层金属的比体积增大。由于塑性变形只在表面层中产生，而表面层金属的比体积增大和体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻碍，这样就在表面层内产生了压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。当刀具从被加工表面上切除金属时，表层金属的纤维被拉长，刀具后刀面与已加工表面的摩擦又加大了这种拉伸作用。刀具切离之后，拉伸弹性变形将逐渐恢复。而拉伸塑性变形则不能恢复。表面层金属的拉伸塑性变形，受到与它相连的里层未发生塑性变形的金属的阻碍，因此就在表层产生压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。
减小残余应力的措施:
如适当提高切削速度, 增大刀具前角, 减小刃口圆弧半径, 合理选择冷却液, 从而使残余应力减小。提高表面质量的其他方法:
1)滚压加工
滚压加工是在常温状态下, 通过滚珠或滚轮对金属表面进行滚压, 从而改善工件表面的微观几何形状的方法。
2）挤压加工 挤压加工是利用经过研磨的、具有一定形状的超硬材料(金刚石或立方氮化硼)作为挤压头，安装在专用的弹性刀架上，在常温状态下对金属表面进行挤压。挤压后的金属表面粗糙度值下降，硬度提高，表面形成压缩残余应力，从而提高了表面抗疲劳强度。
3)喷丸强化 喷丸强化是利用大量高速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。
总结 : 模具零件的表面质量与其使用性能密切相关, 因此, 在模具制造中, 要注重细节, 尽可能地减小误差: 还要从经济效益等方面考虑, 在保证质量的同时又不造成不必要的浪费。
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参
考
文
献 汤忠义主编.模具制造工艺.北京: 中国劳动社会保障出版社出版, 2005 2 张铮主编.模具设计与制造实训指导.北京: 电子工业出版社, 2000 3 程培源主编.模具寿命与材料.北京: 机械工业出版社, 1999 4 张鲁阳主编.模具失效与防护.北京: 机械工业出版社, 1998 5 许发樾主编.模具标准应用手册.北京: 机械工业出版社, 1994
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