精密殷钢模具加工工艺.docx

精密殷钢模具加工工艺何晓蓉 , 高建军(信息产业部电子第三十九研究所 , 陕西西安710065)摘要 : 讨论了研制高精度碳纤维复合材料天线副反射器采用低膨胀合金 ( 殷钢) 模具材料的必要性 。通过对模具结构分析 , 在制定合理的工艺规程基础上 , 解决了模具制造过程中殷钢材料切削加工和热处 理工艺等技术难题 。研制出的碳纤维复合材料天线副反射器模具表面精度达 0. 028m m 。关键词 :模具 ;低膨胀合金 ;制造工艺 ;热处理中图分类号 : t g142. 33 ; t g506文献标识码 :b文章编号 : 1001 - 2168 ( 2002) 05 - 0056 - 03the tec hn ol ogy f or proce ss ing t he prec is ion l o w- expa n s ion al l oy d ieh e xi a o- r o n g , gao j i a n- j u n( el e c t r o ni cs n o . 39 re s e a r c h i ns t i t u t e of t h e i nf o r m a t i o n i n d us t r y mi ni s t r y , xi a n , s h a a n xi 710065 , chi n a )abstract : t h e n e c e s s i t y of a dop t i n g l o w- e xp a ns i o n all o y m a t e r i al f o r t h e m o ul d f o r m a n uf a c t u r i n ghi g h-p r e ci s i o na n t e n n aa u xili a r yr ef l e c t o r s of c a r bo n f i be rc o m p o u n dm a t e r i al w as s t u di e d .t h r o u g h t h e a n al ys i s oft h e m o ul d s t r uc t u r e a n d o n t h e bas i s of t h e e s t a bli s h m e n t of r e as o n a bl ea n d a d va nc e d t e c h n ol o gi c al p r oc e s s , t h e t e c h ni c al dif f i c ul t i e s s uc h as c u t t i n g a n d h e a t- t r e a t m e n t oft h e l o w- e xp a ns i o n all o y m a t e r i al i n m a n uf a c t u r i n g t h e m o ul d w e r e c o n q u e r e d . t h e s u rf a c e p r e2ci s i o n of t h e m o ul d f o r t h em a t e r i al r e a c h e d 0 . 028 m m .hi g h-p r e ci s i o n a n t e n n a a u xili a r yr ef l e c t o r s ofc a r bo n f i be r c o m p o u n dkey wor ds : m o ul d ; l o w- e xp a ns i o n all o y ; m a n uf a c t u r i n g t e c h n ol o g y ; h e a t t r e a t m e n t度高 (最高成型温度达 170 ) , 采用普通的金属材料作为高精度碳纤维复合材料的模具材料因其材料 的热膨胀系数与复合材料不匹配 , 造成碳纤维复合材料制件在经过高温固化成型后产生热应力结构变形 ,制件表面精度达不到设计精度要求 。4j 32 低膨胀合金钢材料 , 又称殷钢 。这种合金 具有很低的膨胀系数 ( 25 170 的线膨胀系数为1. 6 10 - 6/ ) 、塑性良好 、性能稳定 ,但导热性差 。 主要用于制造在环境温度变化较大 、尺寸精度要求 高的零部件 , 是制造高精度副反射器模具的理想材 料 。但是由于模具的结构复杂 、型面加工精度高及1 引 言在高精度 、轻型雷达天线领域中 , 碳纤维复合 材料以它具有的高比强度 、高比刚度及极小的膨胀系数 ,成为天线材料的佼佼者 。在复合材料制件制造过程中 , 模具是复合材料 成型的主要工艺装备 。由于天线副反射器的型面精 度要求高 , 碳纤维复合材料的膨胀系数小 , 成型温作者简介 : 何晓蓉 ( 1961 - ) , 女 , 四川省仪陇县人 , 工程师 。主要 从事模具和机械加工工艺研究工作 。地址 :西安市信息产业部电 子第三十九研究所 ,电话 : ( 029) 8220631 - 4092收稿日期 : 2001 - 10 - 31角时 ,也即 45时 ,最容易造成触指脱模 。d r |。当由 45角过渡到垂直面时 ,扫描速度f n 也 r x y = d r x - d r y = 0此时d r x = d r y由 k n | d r |逐渐增大至 k n | d r | + f r r x y , 这样 , 就有效地保证了触指在垂直角上速| f n | k n | d r |这时扫描速度f n 为最小 ,且扫描速度与操作度的自动调整 , 从而解决了最容易产生触指脱模这一难题 。者设定的速度 f 无关 , 而仅与系统的参数有关 , 这就避免了由于操作者设置的速度 f 太快而造成触 指脱模的现象 (图 7b) 。另外 ,在由平面过渡到 45角时 ,因为 | r x y |逐 渐 降 低 至 零 , 因 此 扫 描 速 度 f n , 也 由 k n 参考文献 :1许 伟 . 意大利 fi dia 公司的仿形数字化技术 j .航空工艺技术 ,1992 , ( 2)d r + f r | r x y |逐 渐 降 低 至 k n |模具工业2002. no . 5 总 25557材料自身含镍量高 , 造成切削性能显著下降和刀具磨损大 ,制造加工难度很大 。量为 10m m (单边) 。为了保证毛坯质量 ,使用超声波探伤测定锻件内部缺陷 。2模具结构4m 天线副反射器为修正型环焦双曲面 ,3. 2模具的精度分配根据模具的结构形式和加工特点 , 影响模具精 度的因素主要为加工误差 、测量误差和工件变形 。 其中加工误差和工件变形导致的误差是影响模具精 度的主要因素 。3. 2. 1 加工误差 a加工误差主要包括机床精度 、刀具磨损 、刀具的 几何形状误差以及工件定位 、装夹误差等因素 。为 了保证加工精度 ,选用 a t- 600b 2 数控车床 ,加工精 度为 0. 008m m 。另外选用硬质合金刀具 ,同时编制合理的加工工艺 ,按误差 0. 025m m 分配到各工序 。直径为 452m 、厚 2m m ,型面精度小于 0. 1m m 。图 1 为抛物面天线副反射器的结构 。碳纤维复合材料副反 射器的基本成型方法是在模具前处理后铺覆纤维预浸无纬布 (或织物) , 经过封装 , 在热压罐中经加 温 、加压固化成型 。根据制件的结构特点和成型方 法 ,模具采用了组合结构 。图 2 为模具结构 。由于模 具在热压罐中处处受到均衡的压力 0. 51m pa , 而 采用的 4j 32 精密合金材料 (殷钢) 的导热性较差 ,为了保证成型精度和传热速度均衡 , 模具设计为薄壁 壳状体 。根据制件的结构和表面要求 , 模具的型面 设计精度 0. 03m m , 模具型面表面粗糙度 r a =0. 8m , 尤其是中心顶点要求 r 0. 5m m , 这给加 工带来了很大的困难 。3. 2. 2测量误差 b由于模具的精度要求高 , 必须保证有较高精度的测量手段和设备 。对于环焦双曲面表面 , 精度测 量选用美国产 xc el 9129 三坐标测量机 。该设备精度为 ( 0. 5 + l / 1000)m 。考虑其读数误差 , 测量误 差为 0. 005m m 。4. 2. 3工件变形误差 c模具的结构形式为对称刚性铸体 , 自由锻造成 型和半精加工后都进行热处理退火工序 , 以稳定工件内部组织 , 同时通过改善切削性能等措施控制工 件变形 。但考虑到工件较大 , 分配其变形误差为 0. 01m m 。 按照误差分配值计算总误差为 :图 1 抛物面天线副反射器结构a . 副反射器反射面2 22总 = a +b +c(0. 025 ) 2 + (0. 005 ) 2 + (0. 01 ) 2= 0. 0273m m通 过 计 算 , 认 为 模 具 制 造 的 型 面 精 度 满 足0. 03m m 的要求是有把握的 。图 2 抛物面天线副反射器成型模具结构3模具制造工艺及关键技术通过对模具材料的特性和加工工艺性分析 , 确 定副反射器模具主要加工工艺流程为 : 模具毛坯制 备 热处理 : 淬火 、回火 粗车 : 加工粗基准 、端面 及外圆 数控车 : 加工端面 、外圆及型面 热处理 : 消除内应力 数控精车 : 加工型面及中心尖点 型面抛光 时效处理 镗四周 、面各孔 检验 成品 。3. 3 模具加工中的关键技术通过以上分析 , 影响模具精度主要误差是加工 误差和变形误差 , 控制加工误差和变形是保证模具 精度的关键 。在模具加工过程中 , 除了选择高精度 的数控车床控制误差外 ,选择合适的刀具及材料 ,制定合理的切削要素和切削用量也是至关重要的 。为 了减少工件变形误差 , 除了采用合理的结构设计减 少模具自身的变形外 , 制定合理的热处理工艺可最 大限度地减少加工过程中造成的工件变形 。3. 3. 1 模具切削加工工艺3. 1模具毛坯的制备模具毛坯采用 4j 32 殷钢材料自由锻造而成 。锻 造毛坯不允许有裂纹 、过烧等缺陷 。毛坯机加工余模具工业2002. no . 5 总 255584j 32 合金材料含镍量高达 31. 5 %33. 0 % 。虽然镍能使材料的强度 、塑性 、韧性增大 , 但导热率降 低 (导热系数仅为 13. 4w / ( m . k) ) 。该合金的硬度虽然不高 ( 160 hb ) ,韧性却很高 ,切削时软 、粘 ,使切 削性能显著降低 。因此加工性能较差 , 属难切削金 属材料 。它具有以下特点 :( 1) 切削力大 。由于合金在铸态下的金相组织 是奥氏体 , 材料抗拉强度和硬度不很高 , 但韧性较好 。切削时塑性变形大 ,晶格歪扭畸变 、断面收缩也 较高 ,加工硬化严重 ,强度明显提高 ,切削阻力增大 。( 2) 切削温度高 。该材料具有高的热强性和大的摩擦系数 , 切削时消耗的切削变形功和摩擦功 大 ,产生大量的热能 。材料的导热系数低 ,在切削区内积聚大量的切削热 ,形成了高的切削温度 。( 3) 刀具磨损快 。由于合金材料自身的特性 ,切 削时产生的大量热量不易被切屑带走 , 集中在刀具 上 , 造成刀具剧烈磨损 , 有时甚至产生刀具刃口的 塑性变形 、崩刀 、缺口 、剥落等现象 。同时该材料具有的软 、粘和塑性 , 切削时增加了切屑和刀具前刃 面的摩擦 , 加剧了刀具的磨损 , 这样不仅降低了刀 具的耐用度 ,而且降低了加工精度 。通过选择合适的刀具材料和刀具几何参数 , 采 用正确的加工工艺及冷却润滑液 , 改善切削性能 ,保证模具的加工精度 。选用耐热性好 、耐磨性高 , 抗氧化性 、粘附性低 的碳化钨硬质合金 ( yd 15) 作为切削刀具材料 。模 具在车削加工时 , 刀具采用较大的前角 , 刀刃锋利 , 切削轻快 , 刀具前面设有断屑槽和前后角有一定的粗糙度使切屑和刀具不易粘结 。刀具前角取 0 =1230,后角 0 = 810,刃倾角 s = - 2 - 6。 切削加工工艺参数包括切削速度 、切削深度和进给量 。切削速度不宜过高 ,以降低切削温度 ,一般 选择 0. 71m / s 。切削深度不宜过小 , 以免留下加 工硬化层 。进给量不能过大 ,以免切削负荷太重 ,但也不能过小 , 这样会使刀具在上次加工后所形成的 冷硬层内工作 , 加速刀具的磨损 , 一般控制进给量 为 0. 51m m / r 。在精加工模具型面时 ,为了保证表 面光洁度 , 切削速度选择为 1. 8m / s , 进给量为0. 05m m / r 。为了减少切削时产生的大量切削热 ,必须进行充分的冷却和润滑 , 冷却润滑液采用煤油和 机械油混合 。3. 3. 2模具中心顶点的加工 为了保证制件中心的尖点 , 模具中心的凹点按设计要求 r 0. 5m m 。采用常规的车削加工 , 即使采用很细的刀尖 , 刀尖走到中心时其切削速度几乎为零 ,无法实现 r 0. 5m m 的加工 。通过大量的工艺 试验 ,采用钻 、车结合和分步加工的方法解决了此难题 。在模具精加工时 ,磨制了一个特殊的钻头 ,该钻 头的顶角根据模具的曲线计算加工制得 , 即与模具 凹点的曲线形状一致 。在精加工时 , 先用钻头细心 地加工出 5m m 深 、r 0. 5m m 的中心孔 ,再换车刀数 控车削接刀 , 使钻削加工面与车削加工面圆滑过渡连接 。在接刀过程中要注意切削速度和进刀量 , 切 削速度选择为 1. 8m / s , 进给量为 0. 05m m / r 。通过 缓慢过渡接刀使曲面圆滑 。精加工后的模具表面经抛光处理 ,保证了表面粗糙度 r a = 0. 8m 的要求 。3. 3. 3 殷钢模具的热处理工艺4j 32 合金为单相奥氏体合金 , 不能用热处理进 行强化 , 热处理的目的是为了获得较低的膨胀系数 和较高的尺寸稳定性 , 同时保证机械加工的精