光整加工

模具表面的光整加工技术刘德平1，李宏兵1，2（1.郑州大学机械工程学院，450000；2.郑州轻工业学院轻工职业学院450002）关键词：模具；光整加工；高速铣削光整加工是指精加工后，从工件上不切除或只切除极薄的材料层，以降低工件表面粗糙度或强化其表面的加工方法。

光整加工可以获得比一般机械加工更高的表面质量。

模具表面光整加工一直以来都是模具加工中的难题之一，特别是对于一些硬度较高的金属模具进行装配时，我国目前仍以手工研磨抛光为主。

手工研磨抛光不仅难以保障产品质量、加工周期长，而且模具钳工作业环境差、劳动强度大，从而使之成为模具制造效率的瓶颈，也制约了我国模具行业向更高层次发展。

对于模具复杂型腔和一些狭缝的精加工，传统的机加工方法已无法胜任，必须采用新的工艺措施，如电化学或电化学机械光整加工技术。

随着科学技术的不断发展，各类模具的加工工艺要求越来越高。

提高模具的抛光效率和表面质量，使我国模具制造工艺水平再上新台阶，已成为刻不容缓的重要课题。

在模具表面光整加工技术中，主要的可以分为两大部分，即传统光整加工技术和非传统光整加工技术。

传统光整加工技术主要是以手工研磨抛光为主和逐渐发展起来的机械光整加工；非传统光整加工主要包括化学抛光、电化学抛光、电解研磨、电化学机械光整加工、超声波加工、电火花抛光、激光抛光技术以及磁流变抛光等。

下面就主要的加工方法进行介绍。

1. 常用光整加工方法与设备(1) 手工研磨抛光该方法是传统模具光整加工所采用的主要手段，也是我国目前仍广泛采用的方法之一。

该方法不需要特殊的设备，适应性比较强，主要依赖于模具钳工的经验和技术水平，但效率低(约占整个模具周期的1/3)，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。

但就目前的社会经济技术发展状况来看，在今后的相当一段时间内还不能完全淘汰这种加工手段。

(2) 数字式模具抛光机这种抛光工具采用数字化控制，数字式显示和控制工艺参数，备有整套磨头及磨料，半自动抛光，具有体积小、使用方便的优点。

其工艺特点主要有：a)具有平整功能，最大可平整的波纹长度为75mm。

b)和手工抛光相比，功效提高一倍，质量提高一个等级。

c)质量稳定，重复性好。

应用范围：a)各种模具材料：包括铸钢、锻钢、铝合金及锌基合金。

b)适用模具表面尺寸：从100×100mm~1500×3000 mm。

(3) 超声波模具抛光机该抛光工具采用高频电火花脉冲电源与超声波快速振动研磨的原理进行抛光。

它能完成一般抛光工具(电磨软轴等)难以伸入的窄槽、窄缝、边、角等曲折部位的抛光，抛光后不塌棱角，不影响模具的精度。

该工具可以解决用户过去因工件形状复杂难以达到抛光要求这一难题。

并且缩短了抛光时间提高了工作效率。

为了提高粗糙度大于Ra1.6工件的抛光速度，工具采用超声波与专用的高频窄脉冲高峰值电流的脉冲电源复合进行抛光，由超声波的冲击和电脉冲的腐蚀同时作用于工件表面，能迅速降低其粗糙度，对各种特殊加工后的粗硬表面十分有效。

采用该工具进行抛光，可快速对粗糙表面整形抛光，不受工件形状、材料硬度限制，对原始表面粗糙度没有要求，功效比较高。

(4)高速铣削技术从上世纪80年代以来，随着高速铣削技术的成熟与发展，模具型面加工已多采用此项加工工艺手段作为模具半精加工和精加工的手段，用电火花（EDM）进行模具型面精加工和抛光的工艺已逐渐减少。

这主要是因为：除有内锐角的型腔和极窄而深的型腔外，基本都可用高速铣削代替EDM加工；采用高速铣削加工模具型面可比EDM加工节省25%～60%加工工时；高速铣削的型面表面质量好，可避免EDM加工可能出现的表面微细型纹；高速铣削能加工45～60HRC 硬表面，精铣面粗糙度可达Ra=0.63µm，减少手工抛光工时；省却EDM加工电极的制造环节，显著缩短制模周期和成本。

“高速铣削”在制造业发达国家，如德国和日本，已成为模具半精加工、精加工的主流工艺手段，我国正处于积极发展阶段。

(5) 电化学和电化学机械光整加工电化学及其复合光整加工技术主要是靠金属工件的电化学阳极溶解原理来加工，属于离子的去除。

且因为是非接触加工，没有加工变形层、变质层和残余应力；工具无磨损，可以长期应用；不产生飞边及毛刺。

图1为各种加工方法所得表面形貌对比。

模具表面的光整加工中采用电化学机械加工，比一般超精加工的寿命可提高5倍以上。

图1 各种加工方法所得表面形貌对比2.模具表面光整加工中的精密磨削加工磨削加工采用的机床有三种主要类型：平面磨床、内外圆磨床及工具磨具。

精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的产生，即使是十分微小的裂纹，在后续的加工使用中也会显露出来，从而影响零件的使用寿命。

因此，精磨的进给量要小，冷却条件要充分。

尺寸公差在0.01mm以内的零件要尽可能采用恒温磨削。

由计算可知，300mm长的钢件，当温差3℃时，材料会有10.8mm左右的变化，10.8=1.2×3×3(每100mm变形量1.2mm/℃)，各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。

精磨时选择好恰当的磨削砂轮十分重要，针对模具钢材的V、Mo含量较高的状况，选用GD单晶刚玉砂轮较为合适。

当加工硬质合金、淬火硬度高的模具材质时，应优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮。

有机粘结剂砂轮自磨锋利性好，通过选择合适的粒度，磨出的工件粗糙可达Ra=0.2µm，近年来，随着新材料的应用，立方氮化硼砂轮（即CBN砂轮），显示出良好的加工效果。

在数控成型磨，坐标磨床，CNC内、外圆磨床上进行光整加工，效果均优于其它种类砂轮。

光整磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锋利度。

如果砂轮的砂粒钝化，会在工件表面产生滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。

板类零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常会遇到一种长而薄的薄板零件，此类零件的加工较难。

因为加工时，在磁力的吸附作用下，工件产生形变，紧贴于工作台表面，当拿下工件后，工件又会产生回复变形，厚度测量一致，但平行度达不到要求，解决的办法可采用隔磁磨削法，磨削时以等高块垫在工件下面，四面用挡块抵住，加工时采用小进刀，多光刀的方式。

加工好一面后，可不用再垫等高块，直接吸附加工，这样可改善磨削效果，达到上、下两面的平行度要求。

轴类零件具有回转面，其加工广泛采用内外圆磨床及工具磨床。

加工过程中，头架及顶尖相当于母线，如果其存在跳动问题，加工出来的工件同样会产生此问题，影响零件的质量，因此在加工前要做好头架及顶尖的检测工作。

进行内孔磨削时，冷却液要充分浇到磨削接触位置，以利于磨削的顺利排出。

加工薄壁轴类零件，最好采用夹持工艺台，夹紧力不可过大，否则容易在工件圆周上产生“内三角”变形。

3. 模具表面光整加工的发展趋势模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展。

日本已研制了数控研磨机，可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。

另外，由于模具型腔形状复杂，任何一种研磨抛光方法都有一定局限性。

应注意发展特种研磨与抛光方法，如挤压研磨、电化学抛光、超声抛光以及复合抛光工艺与装备，以提高模具表面质量。

随着模具向精密化和大型化方向发展，加工精度超过1µm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。

兼备两种以上工艺特点的复合加工技术在今后的模具制造中前景广阔。

4..结束语模具表面的质量对成形制品的外观质量和模具使用寿命具有重要影响。

因此，在模具设计与制造中，对模具表面质量的要求也越来越高。

如何正确地选择适宜的光整加工方法，以提高模具表面质量，延长模具使用寿命，加快模具生产效率，值得我们在工作中进一步地总结和发现。

光整加工技术1.光整加工技术的功能1）减小和细化零件表面粗糙度，去除划痕、微观裂纹等表面缺陷，提高和改善零件表面质量；2）提高零件表面物理力学性能，改善零件表面应力分布状态；3）去除棱边毛刺，倒圆倒角，保证表面之间光滑过渡，提高零件的装配工艺性。

4）改善零件表面的光泽度和光亮程度，提高零件表面清洁程度等。

2. 光整加工技术特点进行光整加工的目的，主要是提高零件的表面质量。

无论是传统的光整加工方法，还是近年来出现的新工艺技术，都具有以下主要特点：1）光整加工的加工余量小，原则上只是前道工序公差带宽度的几分之一。

一般情况下，只能改善表面质量（减小粗糙度值，消除划痕、裂纹和毛刺等），不影响加工精度。

如果余量太大，不仅生产效率低，有时还可能导致工件的原有精度下降。

2）光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工件之间的相对运动应尽量复杂。

因为光整加工是用细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、划擦、刻划的过程，只要保证磨具与工件加工表面能具有较大的随机性接触，就能使表面误差逐步均化到最终消除，从而获得很高的表面质量。

3）光整加工时，磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置，一般不能修正加工表面的形状和位置误差，其精度要靠先行工序来保证。

第四节表面的光整加工零件表面的光整加工技术主要是指超精研、研磨、珩磨和抛光加工。

这些加工方法的特点是没有与磨削深度相对应的用量参数，一般只规定加工时的压强。

加工时所用的工具由加工面本身导向，而相对于工件的定位基准没有确定的位置，所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。

所以这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度值，而形状精度和位置精度则主要由前面工序保证。

采用这些方法加工时，其加工余量都不可能太大，一般只是前道工序公差的几分之一。

一、超精研图6-10 超精研加工原理1—工件低速回转运动2—磨条轴向进给运动3—磨条高速往复振摆运动超精研是降低零件加工表面粗糙度的一种有效的工艺方法，其工作原理及切削过程简介如下。

1. 超精研的工作原理超精研是采用细粒度的磨条在一定的压力和切削速度下作往复运动，对工件表面进行光整加工的方法，其加工原理如图6-10 所示。

加工中有三种运动：工件低速回转运动1、磨条轴向进给运动2 和磨条高速往复振摆运动3。

这三种运动使磨粒在工件表面上形成不重复的复杂轨迹。

2. 超精研的切削过程超精研的切削过程与磨削不同，一般可划分为如下四个阶段：（1 ）强烈切削阶段：超精研加工时虽然磨条的磨粒细、压力小和工件与磨条之间易形成润滑油膜，但在开始研磨时，由于工件表面粗糙，少数凸峰上的压强很大，破坏了油膜，故切削作用强烈。

（2 ）正常切削阶段：当少数凸峰被研磨平之后，接触面积增加、单位面积上的压力下降，致使切削作用减弱而进入正常切削阶段。

（3 ）微弱切削阶段：随着接触面积逐渐增大，单位面积上的压力更低，切削作用微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌入磨条的空隙中，从面使磨条产生光滑表面，对工件表面进行抛光。

（4 ）自动停止切削阶段：工件表面被研平，单位面积上的压力极低，磨条与工件之间又形成油膜，不再接触，故切削自动停止。