1.3　案例3　认知磨削加工在模具制造中的应用

通过前面几个案例的简单介绍，大家可以发现，在模具零件的加工工艺过程中，往往将磨削工艺放在最后一道工序，原因是磨削加工是用磨具（如砂轮）以较高的线速度对工件表面进行加工，不仅可以磨削各种碳钢、铸铁、有色金属，还能磨硬度很高的淬火钢、各种切削刀具和硬质合金等，更是模具零件精密加工的主要方法之一。

模具绝大部分零件都要经过磨削加工，例如，模板的工作表面，型芯、型腔的工作表面，导柱的外圆，导套的内外圆表面以及模具零件之间的接触面等。在模具制造中形状相对简单的平面，圆和外圆可使用普通磨削加工，而形状复杂的零件则需使用各种精密磨床进行成形磨削。对于精度要求高的多孔、多型孔的模板或凹模的精加工，比较理想的方法就是坐标磨削。

这里我们将通过几个简单的案例，让大家对磨削加工在模具零件的加工中的应用有一个初步的认识。

案例资讯3　磨削加工设备的认知

磨削加工在模具零件的加工中主要以平面、外圆、内圆、成形面的磨削为主，砂轮对工件的磨削形式如图1-15所示。

磨床作为磨削加工设备，模具零件加工中常用的磨床根据其功能可分为外圆磨床、内圆磨床、平面磨床，另外，在专业模具生产厂家，特别是精密小型模具的生产厂家，光学曲线磨床应用也较为广泛，其加工精度高，表面质量好，生产效率高，常用于加工具有非圆形截面的小型零件，如非圆形凸模、小型芯等。

（1）平面磨床

平面磨床主要用于磨削平面，立轴式平面磨床利用砂轮的端面磨削工件，卧轴式磨床利用砂轮的圆周面磨削工件，在矩台平面磨床上利用夹具也可以磨削斜面。其主要由立柱、砂轮架、砂轮、工作台和床身等部分组成。卧轴式平面磨床如图1-16所示。

砂轮安装在磨头上，由单独的电机直接带动，磨头沿拖板的水平导轨可由液压驱动作横向进给，也可用手动进给，拖板可沿立柱的垂直导轨作上下移动，以调整砂轮的高低位置及完成垂直进给运动；工作台的往复运动也可由液压传动实现，也可用手轮操纵，以便进行必要的调整。

在平面磨床上，中小型工件装夹是靠工作台上安装的电磁吸盘来装夹的，大型工件或不便于吸紧的工件才采用平口钳或压紧装置固定在工作台面上。

（2）外圆磨床

普通外圆磨床一般用来加工外圆柱面、外圆锥面和端面等，在万能外圆磨床上还可以加工内圆柱面和内圆锥面，万能外圆磨床由床身、工作台、头架、砂轮架、尾座、内圆磨头和砂轮组成，如图1-17所示。

床身用来安装各部件，并保证各部件间相对位置精度，床身上部装有工作台、砂轮架、头架和尾座等。工作台可沿着床身的纵向导轨作直线往复运动，使工件实现纵向进给，在工作台前侧面的T形槽内，装有两个换向挡块，用以操纵工作台自动换向，工作台也可以手动操作使之移动。头架上装有主轴，主轴端部可以安装顶尖、拨盘或卡盘，用来装夹工件。砂轮架是专门用于安装砂轮的部件，并有单独的电机通过皮带带动砂轮作高速旋转，砂轮架可以在床身后部的横向导轨上移动。尾座上装有套筒，套筒内安装顶尖，用来配合头架上安装的顶尖、拨盘或卡盘装夹工件；尾座在工作台上的位置可以根据加工工件的长度不同进行调整。内圆磨头是磨削内圆表面用的，在它的主轴上可以安装内圆磨削砂轮，由单独电机带动；内圆磨头可以绕支架转动，使用时翻下，不用时翻向砂轮架上方。砂轮是磨床磨削的刃具，由磨床的主电机带动，用来磨削工件。

（3）内圆磨床

内圆磨床主要用于磨削内圆柱面、内圆锥面和端面等。内圆磨床由床身、工作台、头架、磨具架、砂轮修整器等部件组成。内圆磨床各部件的作用和液压传动系统与外圆磨床相似，如图1-18所示。

另外在模具零件的加工中，还会用到坐标磨床和光学曲线磨床。坐标磨床具有精密坐标定位装置，用于磨削孔距精度要求很高的精密孔和成形表面的磨床。坐标磨床与坐标镗床有相同的结构布局，不同的是镗刀主轴换成了高速磨头。磨削时，工件固定在能按坐标定位移动的工作台上，砂轮除高速自转外还通过行星传动机构作慢速的公转，并能作垂直进给运动。改变磨头行星运动的半径，可实现径向进给。磨头通常采用高频电动磨头或空气透平磨头。坐标磨床除能磨削圆柱孔外，还可磨削圆弧内外表面和圆锥孔等，主要用于加工淬硬工件、冲模和压模等。在磨头上安装插磨附件，使砂轮轴线处于水平位置，砂轮不作行星运动而只作上下往复运动，可进行类似于插削形式的磨削，以加工内齿圈、分度板和凸轮等。数控坐标磨床可以通过NC程序控制磨削运动，能够磨削各种成形表面，其应用越来越广泛。

光学曲线磨床是在没有数控、数显技术前，所使用的一种高精度的曲线磨床，它是通过光的折射反映出曲线的形状，能将工件、砂轮经光学系统放大几十倍，投影在一个屏幕上，工作时，操作者可在屏幕上随时观察砂轮沿工件型面加工的情况，被加工件的运动可用手动操作或用直流电机控制，以达到加工型面的目的。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设备，但目前逐步被数控磨床所代替。

1.3.1　斜导柱的磨削加工

斜导柱的结构形状如图1-19所示。固定部分的端面有一半为斜面，工作部分头部为便于斜销导入滑块，做成半球形。材料为20钢渗碳处理，淬火硬度在55HRC以上，工作表面经磨削加工后保持有Ra0.8μm的表面粗糙度。

构成斜销的主要表面为不同直径的同轴圆柱表面。根据其尺寸和材料，可直接选用热轧圆钢为坯料。

在机械加工中主要保证其配合面精度和滑动面的表面粗糙度。另外还要注意各圆柱面间的同轴度和表面硬度要求。

由于斜销滑动面表面有硬度要求，因此一般在精加工前要安排热处理工序。

斜导柱的加工工艺过程可归纳为：备料、粗车加工、半精车削加工、热处理和磨削加工等步骤。

在经过下料、粗车、精车加工后，除工作面单边留0.2～0.3mm的磨削余量外，其他都可以加工到尺寸，之后铣削固定端部的斜面，然后进行渗碳热处理使斜导柱达到硬度要求，最后通过外圆磨床磨斜导柱工作面到尺寸。导正部分的半球面只是起一个导向作用，尺寸精度较低，但表面粗糙度要求较高，对于这部分的磨削，可以由钳工进行抛光处理，或者将砂轮修成对应半径的内圆形进行磨削。模具回转体零件中类似的内、外圆的磨削加工，采用修砂轮的方法，是比较常用的工艺。

斜导柱的加工工艺除斜导柱尺寸和精度要求是主要确定因素外，工厂现有的加工设备也是影响因素之一。比如后续的磨削，也可利用回转台在平面磨床上进行，故在确定斜销加工的具体工艺时，各个工厂也不尽相同，要根据具体情况进行选择。

1.3.2　型腔板的磨削加工

型腔板属于标准模架里的零件，一般在购买回标准模架后，可以拆下后直接在型腔板上进行方槽、型腔镶块固定槽、固定用螺钉孔、流道孔等的加工，作为标准模架厂商在生产标准模架时，对于型腔板加工的工艺一般为：在备好的坯料上通过粗铣、调质热处理、精铣后各平面留0.3～0.5mm的磨削余量，之后进行平磨加工，以达到型腔板六面体的要求尺寸和表面粗糙度，接着铣出背面四个角的起模小台阶，然后钻、镗、磨导套固定孔，最后由钳工钻固定螺钉底孔并攻螺纹，完成标准模架中型腔板的加工。

在标准模架中板类零件的种类繁多，模座、垫板、固定板、卸料板、推件板等均属此类。不同种类的板类零件其形状、材料、尺寸、精度及性能要求不同，但每一块板类零件都是由平面和孔系组成的，并且一般都采用45钢调质处理，硬度要求一般在28～32HRC之间，属于普通机加工可加工的硬度，所以其他板的加工工艺和上述型腔板的加工工艺大同小异。

这些板类零件在磨削加工时，重点要保证六个表面之间的平行度和垂直度以及各表面的表面粗糙度和精度等级，一般模板平面的加工尺寸精度要达到IT7～IT8，表面粗糙度Ra=0.8～3.2μm。对于平面为分型面的模板，加工质量要达到IT6～IT7，Ra=0.4～1.6μm。另外，模板上各孔的尺寸精度、垂直度和孔间距也要保证要求，常用模板各孔径的配合精度一般为IT6～IT7，Ra=0.4～1.6μm，假如动模板上导柱的固定孔和定模板上导套的固定孔直径相同时，可以将定模板和动模板合起来，用工艺定位销定位后同时镗孔，这样既能保持孔径和孔距相同，又能保证孔的同轴度要求，但随着加工设备精度的不断提高，目前在数控机床上分开对各板的孔进行加工后也可以保证安装配合精度。对安装滑动导柱的模板，孔轴线与上下模板平面的垂直度要求为4级精度。模板上各孔之间的孔间距应保持一致，一般误差要求在±0.02mm以内。

图1-20所示为香皂盒注塑模具的型腔板，材料为45钢，调质处理，图1-21所示为购买的标准模架中的型腔板，我们将在这块板子的基础上进行加工，最终得到图1-20所示的型腔板。

对于该标准模架中的型腔板的加工工艺和前面所述相似，这里不再赘述。那么在此基础上要完成如图1-20所示的型腔板的加工，采用的工艺主要有铣削加工、钻削加工、磨削加工。现代模具设计一般不再以型腔板的表面作为主分型面的贴合面，而是以型腔镶块和型芯镶块的配合面作为分型面，所以一般要求型腔板的表面比型腔镶块的表面低0.1～0.3mm。模具设计时采用的是标准模架中型腔板的厚度尺寸，所以有的企业在进行其他加工前，先将型腔板的大面在平磨床上进行磨削，之后由钳工划线打出水道孔，然后按照基准将型腔板固定在数控铣床上并找正。加工型腔镶块固定方孔这一面，如图1-20（a）所示，依次经过粗铣、精铣完成型腔镶块固定方孔和滑块方槽的加工。如果精度要求较高，则在精铣时留0.3mm的磨削余量，接着在数控铣床上用中心钻点出各个螺钉孔的孔位。这些孔的精度要求都不是很高，可以在数控铣床上完成孔的加工，也可后续由钳工完成。完成这面的加工后，将工件翻转加工背面的流道及流道孔，如图1-20（b）所示。这里需要注意，分浇道一般是待型腔镶块压装后再做配加工，这样可保证型腔上的分浇道与固定板上的分浇道对正。有些企业的加工设备精度较高，也可分开加工，最后装配。

1.3.3　铭牌冲裁凸凹模的磨削加工

冲裁凸凹模零件如图1-22所示。在冲裁模具中，本凸凹模零件的凸模工作部分完成铭牌外形的落料，凹模部分是完成两个圆柱孔及“SUST”字样的冲孔，从零件图上可以看出，该凸凹模的加工，采用“凸、凹模配作法”，外成形轮廓面是非基准轮廓面，它与落料凹模的实际尺寸配制，保证双面间隙为0.06mm；凸凹模的两个凹模内孔及字样凹模也是与冲孔凸模的实际尺寸配间隙。

该零件的外形尺寸是82mm×18mm×25mm。成形表面是外形轮廓、两个圆孔及“SUST”字样。底面有两个用于紧固的M6的螺纹孔。凸凹模的外成形轮廓由直线和两端的样条线构成，表面为直纹面，形状比较复杂。该零件的凹模部分的漏料孔为台阶式。外成形表面的精加工可以采用数控成形磨削加工或电火花线切割（后续会有详细介绍）的方法。该零件的底面还有两个M6的螺纹孔，可供数控铣削或数控成形磨削时夹紧固定用。凸凹模零件的两个圆孔内成形表面，在热处理前可以用铰刀铰削，热处理后再进行研磨，保证冲裁间隙。漏料孔在热处理后不再进行加工。

“SUST”字样部分的加工需要在热处理前预钻穿丝孔，并在数控铣床上加工漏料孔，热处理之后，采用线切割加工出字样的成形，两个圆孔的加工也可采用这种工艺在线切割机床上加工。

经过上述分析，我们可以根据现有的加工设备条件，采用以下两个加工工艺方案：

方案一：备料—退火—铣六方—磨六面—数控粗、半精加工外形—数控点圆成形孔位及字样的穿丝孔位置—钻圆成形孔—钻穿丝孔—钻并攻螺纹孔—数控铣漏料孔—铰成形圆孔—热处理到硬度要求—研磨内孔—成形磨削外形—钳工修配。

方案二：备料—退火—铣六方—磨六面—数控点圆成形孔位及字样的穿丝孔位置—钻外形及字样的穿丝孔—钻并攻螺纹孔—数控铣漏料孔—热处理到硬度要求—平磨上下两面—电火花线切割外形—线切割圆孔及字样—钳工修配。