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硬質合金模具製作加工方法

公司從2003年開始製作YG系列的硬質合金模具, 工作中經過實踐驗證和反復的試驗對比, 對硬質合金部件的結構和加工的方法進行了不斷改進。 在生產中使用穩定, 給公司創造了可觀的經濟效益。

1. 硬質合金模具結構

由於硬質合金的特殊性, 其價格居高不下, 為了降低模具成本, 製作過程中常把它用在最關鍵的部位——採用鑲嵌硬質合金部件的模具結構。 對於鑲嵌環形、塊狀硬質合金套的模具, 結構簡單, 加工方法簡便, 目前已在成型、拉伸等工序的模具中廣泛使用。

採用硬質合金外圓周面作為工作面(見圖1、圖3);採用硬質合金內圓周面作為工作面(見圖2、圖4)。

2. 硬質合金模具

鑲套的裝配和固定硬質合金模具鑲套傳統採用熔銅焊接和熱裝。 根據與硬質合金配合的鋼質材料, 選取合理的過盈量, 把裝配結合面進行各自的粗加工。 硬質合金屬於粉末冶金材料, 其抗壓強度較大, 而抗拉強度較小。

(1)鑲嵌硬質合金外套, 多採用銅焊接(見圖1), 使用脫水硼砂, 硬質合金外套粗加工內孔, 鋼質材料內芯外圓周接合面加工成多邊形。 使硬質合金內孔和鋼質內芯採用內結多邊形的結構, 使其配合後既能保證定位精度又能使熔銅順利流入多邊形的空隙,

牢固地結合為一體。

如果採用過盈配合, 則用小過盈配合, 防止撐裂。

注意:銅焊接後及時保溫, 放入烘箱或埋入保溫性較好的材料, 緩慢降至室溫, 時效去除內部應力。

(2)鑲嵌硬質合金內套, 為防止使用過程中配合鬆動, 採用過盈配合, 加熱鋼質外套壓入硬質合金內套(見圖2)。 但是要嚴格控制過盈適量, 防止過大撐裂鋼質外套。

注意:熱裝後同焊接後一樣, 及時保溫, 放入烘箱或埋入保溫性較好的材料, 緩慢降至室溫, 時效去內部應力。

(3)採用物理冷擠壓固定的方法(見圖3、圖4)。 製作過程中鋼質材料和硬質合金套小過盈量並採用細螺紋擠壓固定, 螺紋聯接處加塗鎖固厭氧膠。

圖1、圖2兩種方式為傳統結構的裝配方式, 結構簡單, 製作成本較低。 缺點是, 無論是熱裝還是銅焊接, 或多或少都會使構架材料及YG8材料的組織發生不利的變化;使用過程中容易發生鑲套撐裂、脫落的情況。

圖3、圖4為近年來採用越來越的裝配方式, 避免了高溫對模具材料的影響, 保證了模具在使用過程中的穩定性。 缺點是製作過程較複雜, 加工工藝要求較高。

3. 硬質合金模具的磨削

磨削硬質合金的刀具是金剛石砂輪, 以往採用樹脂結合劑的金剛石砂輪, 近幾年隨著超硬材料的發展, 陶瓷結合劑金剛石砂輪出現並迅速推廣使用, 承擔了磨削硬質合金的主要任務。陶瓷結合劑金剛石砂輪的優點是使用壽命長,加工過程磨損量很小,基本不用考慮砂輪損耗的補償。目前我公司主要使用“北京安泰”和“鄭州研創”品牌的陶瓷結合劑金剛石砂輪。

(1)磨削砂輪選擇:粗磨主要考慮加工效率,金剛石砂輪的細微性可以選擇140#~170#;精磨,要考慮加工的尺寸公差和形位公差,金剛石砂輪的細微性可以選擇170#~200#;拋光,主要考慮表面的粗糙度,金剛石砂輪的細微性可以選擇270#~325#,表面要求再高的可以選擇W32~W40細微性的金剛石砂輪,自製拋光研磨膏。市面出售的金剛石研磨膏如果不能滿足生產使用,也可以自行配製,用機油、臘、凡士林、硬質酸及金剛石微粉等原料,按照一定比例配置而成。

(2)磨削:選擇合適尺寸的金剛石砂輪,如果沒有合適尺寸的,可自製非標準砂輪。根據使用要求,在市面選購相近的型號再加工成需要的尺寸。根據磨床裝夾需要,加工出合格的砂輪固定軸,再用磷酸和氧化銅混合均勻後作為粘結劑,均勻塗在基體和砂輪的接合面。粘結完成,靜止放置一段時間,凝固後用火緩慢加熱接合面部位,使其粘結均勻牢固。自然冷卻,再放置24h即可使用。

(3)切削液的選擇:磨削硬質合金的切削液可選用市售的專用乳化液,我公司經過幾年的實踐驗證,也可以採用亞硝酸鈉溶液。使用亞硝酸鈉溶液,用市售的亞硝酸鈉溶解入自來水,兌成亞硝酸鈉溶液,成本不到0.2元/kg;市面銷售的專用乳化液售價4~5元/kg左右。使用亞硝酸鈉溶液的缺點是,工件表面容易殘留堿白的痕跡,去除方法是磨削完後及時清洗擦乾工件表面;使用專用乳化液的缺點是,磨削過程會產生大量泡沫,磨削過程觀察困難。

(4)防銹處理方法:硬質合金零件磨削完畢,及時用絨布擦乾,吹風烘乾效果更好,否則長時間存放容易生銹。硬質合金生銹後,不容易去除,雖有市售的硬質合金清洗劑,但是效果不好,鏽跡不能完全去掉。去掉的方法有兩個:①磨完後及時擦乾。②鏽點用研磨或拋光進行處理。因此工件完成後,短時間不投入使用要真空密封或塗油防銹。

4. 硬質合金模具的車削

硬質合金因為硬度高,以往只能採取磨削加工。隨著我公司超硬材料的研究和發展,于2011年成功開發了金剛石聚晶複合片專案,其中刀具類的金剛石聚晶複合片刀頭的研製成功,解決了YG類硬質合金不能被車削的難題。

(1)聚晶複合片車刀頭的製作,焊接刀頭採取銀合金焊接,儘量不用銅焊接。因為銅的熔點較高,焊接過程中很容易使複合片中的金剛石氧化,而銀合金焊接的熔點較低,焊接過程短。在銀合金焊接全過程中要把握焊接的溫度和時間,溫度太高容易使金剛石氧化,溫度太低則造成焊接介質熔化不充分,焊接不牢固。

(2)硬質合金車削和磨削相比的特點:①車削加工效率高、經濟效益好。去除相同體積的金屬時,車削往往可以採用較大的切削深度和較高的轉速,而磨削則只能採用小進給量,否則容易產生磨削燒傷,磨削的加工進給量每次一般控制在0.02~0.05mm,而車削的進給量每次可達到0.3mm以上,能耗僅為磨削的1/5。②車削可以倒角、加工內外螺紋、退刀槽等形狀,磨削只能加工光滑表面,不能直接加工複雜形狀。車削一次裝夾可完成多表面的加工,磨削則不能。③車削所用的刀具,基本可不使用切削液,是一種潔淨的加工工藝。磨削必須採用切削液。④車刀的成本較低,磨削必須選用昂貴的金剛石砂輪。⑤磨削的優點是,可以加工出鏡面,車削的表面粗糙度稍差,操作不熟練易出現崩裂現象。

在實際的加工過程中,根據不同的需要採用車削、磨削相結合的方式。

承擔了磨削硬質合金的主要任務。陶瓷結合劑金剛石砂輪的優點是使用壽命長,加工過程磨損量很小,基本不用考慮砂輪損耗的補償。目前我公司主要使用“北京安泰”和“鄭州研創”品牌的陶瓷結合劑金剛石砂輪。

(1)磨削砂輪選擇:粗磨主要考慮加工效率,金剛石砂輪的細微性可以選擇140#~170#;精磨,要考慮加工的尺寸公差和形位公差,金剛石砂輪的細微性可以選擇170#~200#;拋光,主要考慮表面的粗糙度,金剛石砂輪的細微性可以選擇270#~325#,表面要求再高的可以選擇W32~W40細微性的金剛石砂輪,自製拋光研磨膏。市面出售的金剛石研磨膏如果不能滿足生產使用,也可以自行配製,用機油、臘、凡士林、硬質酸及金剛石微粉等原料,按照一定比例配置而成。

(2)磨削:選擇合適尺寸的金剛石砂輪,如果沒有合適尺寸的,可自製非標準砂輪。根據使用要求,在市面選購相近的型號再加工成需要的尺寸。根據磨床裝夾需要,加工出合格的砂輪固定軸,再用磷酸和氧化銅混合均勻後作為粘結劑,均勻塗在基體和砂輪的接合面。粘結完成,靜止放置一段時間,凝固後用火緩慢加熱接合面部位,使其粘結均勻牢固。自然冷卻,再放置24h即可使用。

(3)切削液的選擇:磨削硬質合金的切削液可選用市售的專用乳化液,我公司經過幾年的實踐驗證,也可以採用亞硝酸鈉溶液。使用亞硝酸鈉溶液,用市售的亞硝酸鈉溶解入自來水,兌成亞硝酸鈉溶液,成本不到0.2元/kg;市面銷售的專用乳化液售價4~5元/kg左右。使用亞硝酸鈉溶液的缺點是,工件表面容易殘留堿白的痕跡,去除方法是磨削完後及時清洗擦乾工件表面;使用專用乳化液的缺點是,磨削過程會產生大量泡沫,磨削過程觀察困難。

(4)防銹處理方法:硬質合金零件磨削完畢,及時用絨布擦乾,吹風烘乾效果更好,否則長時間存放容易生銹。硬質合金生銹後,不容易去除,雖有市售的硬質合金清洗劑,但是效果不好,鏽跡不能完全去掉。去掉的方法有兩個:①磨完後及時擦乾。②鏽點用研磨或拋光進行處理。因此工件完成後,短時間不投入使用要真空密封或塗油防銹。

4. 硬質合金模具的車削

硬質合金因為硬度高,以往只能採取磨削加工。隨著我公司超硬材料的研究和發展,于2011年成功開發了金剛石聚晶複合片專案,其中刀具類的金剛石聚晶複合片刀頭的研製成功,解決了YG類硬質合金不能被車削的難題。

(1)聚晶複合片車刀頭的製作,焊接刀頭採取銀合金焊接,儘量不用銅焊接。因為銅的熔點較高,焊接過程中很容易使複合片中的金剛石氧化,而銀合金焊接的熔點較低,焊接過程短。在銀合金焊接全過程中要把握焊接的溫度和時間,溫度太高容易使金剛石氧化,溫度太低則造成焊接介質熔化不充分,焊接不牢固。

(2)硬質合金車削和磨削相比的特點:①車削加工效率高、經濟效益好。去除相同體積的金屬時,車削往往可以採用較大的切削深度和較高的轉速,而磨削則只能採用小進給量,否則容易產生磨削燒傷,磨削的加工進給量每次一般控制在0.02~0.05mm,而車削的進給量每次可達到0.3mm以上,能耗僅為磨削的1/5。②車削可以倒角、加工內外螺紋、退刀槽等形狀,磨削只能加工光滑表面,不能直接加工複雜形狀。車削一次裝夾可完成多表面的加工,磨削則不能。③車削所用的刀具,基本可不使用切削液,是一種潔淨的加工工藝。磨削必須採用切削液。④車刀的成本較低,磨削必須選用昂貴的金剛石砂輪。⑤磨削的優點是,可以加工出鏡面,車削的表面粗糙度稍差,操作不熟練易出現崩裂現象。

在實際的加工過程中,根據不同的需要採用車削、磨削相結合的方式。

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