模具技术第四章知识课件

第四章光整加工一、学习目标二、主要内容三、本章重点四、课后习题9/27/20241学习目标掌握手工研靡及抛光、超声波抛光、电解修磨抛光、挤压珩磨、超精研抛等的工作原理掌握常用工具及设备、工艺特点、操作方法和技巧掌握模具在光整抛光加工时出现各种问题的分析和解决能力2返回上一张下一张9/27/2024主要内容第一节概述 第二节手工研磨及抛光第三节超声波抛光第四节电解修磨抛光第五节其他光整加工3返回上一张下一张9/27/2024第一节概述研磨是将研具表面嵌入磨料或敷涂磨料并添加润滑剂，在一定的压力作用下，使研具与工件接触并做相对运动，通过磨料作用，从工件表面切去一层极薄的切屑，使工件具有精确的尺寸、准确的几何形状和较低的表面粗糙度，这种对工件表面进行最终精密加工的方法叫做研磨。一、研磨的工作原理研磨加工时，在研具和工件表面间存在有分散的磨料或研磨剂，在两者之间施加一定的压力，并使其产生复杂的相对运动，4返回上一张下一张9/27/2024二、研磨的分类湿研磨湿研磨即在研磨过程中将研磨剂涂抹在研具或工件上，用分散的磨粒进行研磨。(2) 干研磨干研磨即在研磨以前，先将磨粒压入研具，用压砂研具对工件进行研磨。6返回上一张下一张9/27/2024（3）抛光抛光加工多用来使工件表面显现光泽，在抛光过程中，化学作用比在研磨中要显著得多三、研磨与抛光的目的1）提高塑料模具凹模型腔的表面质量，以满足塑件表面质量与精度求。2）提高塑料模具浇注系统、流道的表面质量，以降低注射的流动阻力。3）使模具易于脱模4）提高模具接合面精度，防止树脂渗漏；提高模具的尺寸精度及形状精度，同时也提高了塑料制品的精度。7返回上一张下一张9/27/20245）对产生反应气体的塑料进行注射成形时，模具表面质量状态良好，具有防止被腐蚀作用。6）在金属塑性成形加工中，防止出现沾粘和提高成形性能，并使模具工作零件型面与工作之间的磨擦和润滑状态良好。7）去除电加工时所形成的熔融再凝固层和微裂纹，以防止在生产过程中此层脱落而影响模具精度和使用寿命。8）减少了由于局部过载而产生的裂纹或脱落，提高了模具工作零件的表面强度和模具寿命，同时还防止产生锈蚀。8返回上一张下一张9/27/2024第二节手工研磨及抛光一、磨料与研磨剂（一）磨料（1）磨料的种类磨料的种类很多，一般是按硬度来划分的。（2）磨料的粒度磨料的粒度是指磨料的颗粒尺寸。磨料可１按其颗粒尺寸的大小分为磨粒、磨粉、微粉和超微粉四组。（3）磨料的硬度磨料的硬度是指磨料表面抵抗局部外作用的能力，9返回上一张下一张9/27/2024（4）磨料的强度磨料的强度是指磨料本身的牢固程度。（二）研磨剂研磨剂是磨料与润滑剂合成的一种混合剂。常用的研磨剂有液体和固体(或膏状)两大类。10返回上一张下一张9/27/2024二、研磨工艺（一）研具在研磨加工中，研具是保证研磨工件几何精度的重要因素。因此，对研具的材料、精度和表面粗糙度都有较高的要求。研具材料应具备如下技术条件：组织结构细致均匀；有很高的稳定性和耐磨性；有很好的嵌存磨料的性能；工作面的硬度应比工件表面硬度稍低。嵌砂研具的常用材料是铸铁，它适于研磨淬火钢。铸铁因有游离碳的存在，故可起到润滑剂的作用。球墨铸铁比一般铸铁容易嵌存磨粒，而且嵌得均匀牢固，能得到较好的研磨效果。同时还能增加研具本身的耐用度。11返回上一张下一张9/27/2024（二）研磨运动轨迹研磨时，研具与工件之间所做的相对运动，称为研磨运动。在研磨运动中，研具(或工件)上的某一点在工件(或研具)表面上所走过的路线，就是研磨运动的轨迹。研磨时选用不同的运动轨迹能使工件表面各处都受到均匀的研削。研磨运动应满足以下几点。(1)研磨运动应保证工件均匀地接触研具的全部表面。研磨运动应保证工件受到均匀研磨，即被研工件表面上每一点的研磨量均应相同。(3) 研磨运动应使运动轨迹不断有规律地改变方向，避免过早地出现重复。12返回上一张下一张9/27/2024(4)研磨运动应根据不同的研磨工艺要求，具体选取最佳运动速度。(5)整个研磨运动自始至终应力求平稳，(6)在研磨运动中，研具与工件之间应处于弹性浮动状态，而不应是强制的限位状态。（三）研磨余量(1) 研磨预加工余量的确定工件在研磨前的预加工很重要，它将直接影响到以后的研磨加工精度和研磨余量。为了保证研磨的精度和加工余量，工件在研磨前的预加工，应有足够的尺寸精度、几何形状精度和表面精度。13返回上一张下一张9/27/2024(2) 研磨中研磨余量的确定为了达到最终的精度要求，工件往往需要经过粗研、半精研、精研等多道研磨工序才能完成。而研磨工序之间的加工余量也应本着研磨前预加工应考虑的那几个方面来确定。表4-1是淬硬钢件双向平面研磨余量的实例。14返回上一张下一张9/27/202415返回上一张下一张9/27/2024（四）研磨的压力、速度和时间(1)研磨的压力研磨过程中，工件与研具的接触面积由小到大，适当地调整研磨压力，可以获得较高的效率和较低的表面粗糙度。(2)研磨的速度在一定条件下，提高研磨速度可以提高研磨效率。但是，如果工件的加工精度要求很高，采用较高的研磨速度进行研磨则不能得到令人满意的效果。合理地选择研磨速度应考虑加工精度、工件的材质、硬度、研磨面积等，同时也要考虑研磨的加工方式等多方面因素。一般研磨速度应在10m/min~150m/min之间。对于精密研磨来说，其研磨速度应选择在30m/min以下。一般手工粗研磨每分钟约往复40~60次；精研磨每分钟约往复20~40次。16返回上一张下一张9/27/2024(3)研磨的时间研磨时间和研磨速度这两个研磨要素是密切相关的，它们都同研磨中工件所走过的路程成正比。通过研磨原理的分析可知：研磨开始阶段因有工件的原始粗糙度及几何形状误差，工件与研具接触面积较小，使磨粒压下较深。随着研磨时间增加，磨粒压下渐浅，通过工件横截表面的磨粒增多，几何形状误差很快变小而表面粗糙度的改善也较快。当基本消除几何形状误差之后，工件与研具上的磨粒接触较多，此时磨粒压下深度较浅，各点切削厚度趋于均匀，研磨时间再加长，则通过工件横截面磨粒数量增多，对工件精度的改善变得缓慢了。超过一定的研磨时间之后，磨粒钝化得更细，压下更浅，切削能力也更低了，并逐渐趋向稳定。17返回上一张下一张9/27/2024（五）研磨的步骤仅就研磨来讲，使工件表面呈镜面，并不是最后抛光一个工序所能加工出来的，而是要经过粗研磨、半精研磨、精研磨等多道工序的预加工。工件表面粗糙度数值要求的越低，抛光之前的预研磨工序也就越多，而表面粗糙度数值的降低是循序渐进的。18返回上一张下一张9/27/202419返回上一张下一张9/27/2024如前所述，磨粒粗，切削能力强，研磨效率高，所获得的研磨表面质量低。磨粒细，切削能力弱，研磨效率低，所获得的研磨表面质量高。因此，为提高研磨效率，选择磨料粒度时，应从粗到细，分级研磨，最终研磨到工件所要求的表面粗糙度数值。图4-4所示为模具工作零件经切削加工或电加工，再经磨削加工后，进行研磨抛光的实例。20返回上一张下一张9/27/202421返回上一张下一张9/27/2024（六）常用的研磨方法及工具1、手工研磨（1）用油石进行研磨根据研磨面大小选择适当大小的油石，以使油石能纵横交叉移动。油石要经常修磨，以保持平整或保持所需形状。研磨过程中，应经常将油石和零件进行清洗，否则由于发热胶着和堵塞而降低研磨速度。22返回上一张下一张9/27/2024（2）用砂纸进行研磨（3）用磨粒进行研磨磨粒有氧化铝、碳化硅、金刚砂等，粒度选择见表4-3。（4）用研磨膏研磨23返回上一张下一张9/27/20242、手持研抛工具的应用近年来推广应用气动及电动手持抛光工具进行研磨、抛光，以提高研磨效率。电动抛光机带有三种不同的研抛头，电动机通过软轴与手持研抛头连接，可使研抛头作旋转运动或往复运动。使用不同的研抛头，配上不同的磨削头，可以进行各种不同的研抛工作。（1）手持往复式研抛头（2）手动直身式旋转研抛头（3）手持角式旋转研抛头24返回上一张下一张9/27/202425返回上一张下一张9/27/202426返回上一张下一张9/27/202427返回上一张下一张9/27/2024（七）影响研磨质量的因素在使用磨料进行加工的各道研磨工序中，被研表面粗糙度主要是大量磨粒切削刃尖在被研表面上所形成的无数切痕互相重叠的结果。总的来说，被研表面粗糙度的高低，取决于磨粒的粗细，或者说取决于磨粒压下工件表面的深度及通过工件单位横截表面的有效磨粒数量。(1)磨料粒度磨料的粒度越细，所获得的尺寸精度越高，表面粗糙度越低。所以在选用磨料粒度时，应根据预加工形成的原始表面粗糙度、加工余量、工件成品要求的表面粗糙度等因素综合考虑。在研磨工作中，还要求磨料的颗粒基本均匀一致。28返回上一张下一张9/27/2024(2)研磨运动轨迹不同的研磨运动轨迹对研磨表面质量的影响亦不相同。其中，直线往复式研出的表面粗糙度最差。这是因为运动的方向性强，单纯的直线往复运动其研磨纹路是平行的，易使切痕重复加深，不利于表面粗糙度的改善。而其他如螺旋式、“8”字形式、摆线式、正弦曲线式研磨轨迹的共同特点是，运动的方向在不断地变化，研磨纹路是纵横交错的。在一定的研磨条件下，可研出较理想的表面粗糙度来。(3)研磨压力在所用压力范围内工件表面粗糙度随着研磨压力的降低而降低。要获得较低的表面粗糙度值，则需合理地选择研磨压力。29返回上一张下一张9/27/2024(4)工件材质的硬度一般来说，被研表面粗糙度是随着被研工件材料硬度的增加而得到改善的。因此，对于淬硬钢的工件，可通过提高淬火硬度的方法来改善研磨条件。在实际研磨过程中，除了上述影响因素外，研磨的速度、润滑剂的选用、研具的质量、嵌砂技术、研磨时间、研磨运动的平稳性、工件的原始表面粗糙度及其几何形状精度、工作环境的清洁程度等都会影响到研磨质量。30返回上一张下一张9/27/2024三、抛光在所有的机械加工痕迹都消除，获得洁净的金属表面以后，就可以开始抛光加工。通过抛光可以获得很高的表面质量，表面粗糙度可达Ra0.008μm，并使加工面呈现光泽。（一）抛光工具1、手工抛光工具（1） 平面用抛光器31返回上一张下一张9/27/202432返回上一张下一张9/27/2024（2）球面用抛光器33返回上一张下一张9/27/2024（3）自由曲面用抛光器34返回上一张下一张9/27/20242、电动抛光机的应用两种常用的抛光方法。（1）加工面平面或曲率半径较大的规则面时，采用手持角式旋转研抛头或手持直身式旋转研抛头，配用铜环，抛光膏涂在工件上进行抛光加工。（2）加工面为小曲面或复杂形状的型面时，采用手持往复式研抛头，配用铜环，抛光膏涂在工件上进行抛光加工。

35返回上一张下一张9/27/20243、新型抛光磨削头它是采用高分子弹性多孔性材料制成的一种新型磨削头，这种磨削头具有微孔海绵状结构，磨料均匀，弹性好，可以直接进行镜面加工。使用时磨削力均匀，产热少，不易堵塞，能获得平滑、光洁、均匀的表面。弹性磨料配方有多种，分别用于磨削各种材料。磨削头在使用前可用砂轮修整成各种需要的形状。36返回上一张下一张9/27/2024（二）抛光工艺1、影响可抛光性的因素抛光可达到的表面粗糙度值取决于下面三个因素。（1）抛光工艺要求（2）模具工作零件的钢材等级或材质（3）钢材的热处理2、抛光工序的工艺步骤抛光的工艺步骤要根据操作者的经验、使用的工具、设备情况和材料的性能等决定。通常采用两种方法进行抛光。（1）选定抛光膏的粒度（2）选用中硬的抛光工具37返回上一张下一张9/27/20243、抛光中可能出现的缺陷及解决方法（1）“桔皮状”问题抛光时压力过大且时间过长时，会出现这种情况。较软的材料容易产生这种过抛光现象。其原因并不是钢材有缺陷，而是抛光用力过大，导致金属材料表面产生微小塑性变形所致。解决方法为：通过氮化或其他热处理方式增加材料的表面硬度。对于较软的材料，采用软质抛光工具。（2）“针孔状”问题由于材料中含有杂质，在抛光过程中．这些杂质从金属组织中脱离下来，形成针孔状小坑。解决方法为：避免用氧化铝抛光膏进行机抛。在适当的压力下作最短时间的抛光，采用优质合金钢材。38返回上一张下一张9/27/2024第三节超声波抛光超声波抛光是超声波加工的一种特殊应用，它对工件只进行微量尺寸加工，加工后能提高表面粗糙度。不但可减小工件表面粗糙度，甚至可得到近似镜面的光亮度一、超声波抛光的基本原理及设备（一）超声波抛光的基本原理超声波抛光的原理是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液抛光脆硬材料的一种加工方法。其原理如图4-13所示39返回上一张下一张9/27/202440返回上一张下一张9/27/2024（二）超声波抛光机41返回上一张下一张9/27/2024二、超声波抛光工艺特点（一）超声波抛光工艺1、超声波抛光的表面质量及其影响因素超声波抛光的表面，其表面粗糙度数值的大小，取决于每粒磨料每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨料颗粒的直径、被加工材料的性质、超声振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等有关。42返回上一张下一张9/27/202443返回上一张下一张9/27/20242、磨料及工作液的选用（1）磨料的选用磨料的粒度要根据加工表面的原始粗糙度和要求达到的粗糙度来选择。44返回上一张下一张9/27/2024（2）工作液的选用超声波抛光用的工作液，可选用煤油、汽油、润滑油或水。磨料悬浮工作液体的性能对表面粗糙度的影响比较复杂。实践表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。在要求工件表面达到镜面光亮度时，也可以采用干抛方式，即只用磨料，不加工作液。3、抛光速度、抛光余量与抛光精度（1）抛光速度超声波抛光速度的高低与工件材料、硬度及磨具材料有关。45返回上一张下一张9/27/2024（2）抛光余量超声波抛光电火花加工表面时，最小抛光余量应大于电加工变质层或电蚀凹穴深度，以便将热影响层抛去，因此电加工所选用的规准不同，抛光去除厚度也有所区别。（3）抛光精度抛光精度除与操作者的熟练程度有关外，还与被抛光件原始表面粗糙度有很大关系。抛光后的平面度与原始表面的粗糙度有关，粗糙度值越大，抛光切除量也越大，越难保证平面度。46返回上一张下一张9/27/2024（二）超声波抛光的特点(1)抛光效率高、适用于碳素工具钢、合金工具钢以及硬质合金等。(2)能高速地去除电火花加工后形成的表面硬化层和消除线切割加工的黑白条纹。(3)显著降低表面粗糙度Ra值。超声波抛光的表面粗糙度值可达Ra0.0l2μm。(4)对于窄槽、圆弧、深槽等的抛光尤为适用。(5)采用超声波抛光，可提高已加工表面的耐磨性和耐腐蚀性。47返回上一张下一张9/27/2024三、超声波抛光效率及其影响因素超声波抛光效率的高低一般用超声波抛光速度来表示。抛光速度是指单位面积所用的抛光时间，单位min/cm2。影响超声波抛光速度的主要因素有：工具振动频率、振幅、抛光工具和工件间的静压力、磨料的种类和粒度、磨料悬浮液的浓度，抛光工具与工件材料、工件抛光面积及原始表面粗糙度等。一般表面粗糙度从Ra5μm减少到Ra0.04μm，其抛光速度为10min/cm2~15min/cm2。48返回上一张下一张9/27/2024第四节电解修磨抛光电加工表面在精修前，应去除硬化层，或采用一种软化的方法，以大大减少钳工的修整工作量和缩短模具的制造周期。作为这种方法，有化学抛光、电解抛光、电解修磨、液体抛光等等。化学抛光、电解抛光由于采用无机酸作电解液，因此对环境有一定污染，目前较少采用。现较为广泛采用的是电解修磨抛光。49返回上一张下一张9/27/2024一、电解修磨抛光的原理及特点（一）电解抛光的原理50返回上一张下一张9/27/2024（二）电解修磨抛光的特点(1)电解修磨抛光是基于电化学腐蚀原理去除金属的。它不会使工件热变形或产生应力，工件硬度也不影响腐蚀速度。(2)经电解修磨抛光后的表面用油石及砂纸能较容易地抛到表面粗糙度Ra<0.2μm。(3)用电解修磨抛光法去除硬化层时，模具工作零件型面原始粗糙度为Ra6.3μm~3.2μm即可，这相当于电火花中标准加工所得到的表面粗糙度。这时工具电极损耗小，表面波纹度也低。对于已产生的表面波纹，用电解修磨法也能基本除去。(4)对型腔中用一般修磨工具难以精修的部位及形状，如图4-17所示的深槽、窄槽及不规则圆弧、棱角等，采用异形磨头能较准确地按照原型腔进行修磨，这时效果更为显著。(5) 装置结构简单，操作方便，工作电压低，电解液无毒，便于推广。51返回上一张下一张9/27/202452返回上一张下一张9/27/2024二、电解修磨抛光设备53返回上一张下一张9/27/2024三、电解液电解液选用每升水中溶入150g硝酸钠(NaNO3)、50g氯酸钠(NaClO3)的溶液。此电解液无毒，在加工过程中产生轻微的氨气。因硝酸钠是强氧化剂，容易燃烧，使用时应注意勿使它与有机物混合或受强烈振动。四、电解修磨抛光工艺过程1. 模具加工要求要求模具型腔电火花加工至中规准为止，表面粗糙度为Ra6.3μm~3.2μm即可。54返回上一张下一张9/27/2024四、电解修磨抛光工艺过程（1）模具加工要求要求模具型腔电火花加工至中规准为止，表面粗糙度为Ra6.3μm~3.2μm即可。55返回上一张下一张9/27/2024（2）脱脂用有机溶剂或在下列溶液中脱脂。NaOH50g/LNaCO330g/LNa3PO4·12H2O50g/LNa2SiO310g/L溶液温度80℃~110℃清洗时间5min~10min用热水清洗。56返回上一张下一张9/27/20243. 电解修磨抛光将磁铁正极吸附在工件上，将选用的修磨工具插入手柄喷嘴内，开动电解液泵，调节到合适的流量(0.5L/min~1L/min)，电源限流电阻转换开关选至3挡，接通直流电源，握住手柄，使磨头在被加工表面上慢慢移动，并稍加压力，加工表面即发生电化学反应。其电蚀产物为棕色或黑绿色絮状物。加工电流约7A~8A，若工具接触面积太小时，可将转换开关选至1或2挡上，直至硬化层被除去为止。平面修磨速度为0.5cm2/min~2cm2/min，应注意勿使修磨工具在某一局部时间太长，以免造成凹坑。电解修磨抛光后的工件应立即用热水冲洗，然后用细油石(500＃以上)或研磨膏进一步抛光，对暂不能进一步抛光的工件可短期置于亚硝酸钠溶液中保存。57返回上一张下一张9/27/2024经电解修磨抛光的模具表面无任何机械划痕，表面粗糙度可达Ra0.4μm~0.2μm，但是加工表面会附有极薄一层四氧化三铁组成的黑膜，所以必须经过手工抛光或电动抛光机高速抛光来去除。实践证明，电解修磨抛光是一种行之有效的模具抛光方法，用它来抛光型腔模的角部、根部、窄缝和沟槽以及复杂的型面比手工抛光可节省工时50%~70%。58返回上一张下一张9/27/2024五、影响电解修磨抛光的主要因素（1） 磨料粒度（2）冲波形的影响。（3）电流、抛光时间的影响59返回上一张下一张9/27/2024第五节其他光整加工一、挤压珩磨（一）挤压珩磨的基本原理挤压研磨是利用一种含磨料的半流动状态的粘性磨料介质，在一定压力下强迫通过被加工表面，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料的工艺方法。60返回上一张下一张9/27/202461返回上一张下一张9/27/2024（二）挤压研磨的工艺特点(1)适用范围由于粘性磨料是一种半流动状态的粘弹性材料，它可以用适于各种复杂表面的抛光和去毛刺。(2)抛光效果抛光后的表面粗糙度和原始状态有关，可达原始表面粗糙度的1/10，一般可提高3级左右，最好的表面粗糙度可以达到Ra0.025μm的镜面。磨料流动加工可以去除在0.025mm深度的表面残余应力；可以去除前面工序(如电火花加工、线切割加工)形成的表面变质层和其他表面微观缺陷。(3)加工效率材料去除量在0.01mm~0.1mm之间，加工时间通常为1min~5min，最多十几分钟即可完成，与手工抛光相比，加工时间可减少90％以上。对一些小型零件，可以多件同时加工，效率可大大提高。(4)加工精度挤压研磨是一种表面加工技术，因此它不能修正零件的形状误差。切削均匀性可以保持在被切削量的10％以内，因此，也不致于破坏零件原有的形状精度。由于去除量很少，可以达到较高的尺寸精度，一般尺寸精度可控制在微米的数量级。62返回上一张下一张9/27/2024（三）粘性磨料介质粘性磨料介质是将磨料与特殊的基体介质均匀混合而成，其作用相当于切削加工中的刀具，是实现加工的最关键因素，其性能直接影响到抛光效果。1、粘性磨料介质应具备的性能1）具有一定的流动性和粘弹性，以适应不同表面的加工，在通过零件的孔时使磨料对孔壁产生足够的切削力。2）磨料颗粒在介质中分散均匀，并要求介质有很强的内聚力。介质不能粘到磨粒上，以致在磨粒上形成一层膜，包住了磨粒的切削刃，使它不能起到很好的抛光作用。3） 必须具有很小的内摩擦力。63返回上一张下一张9/27/20244）稳定性好，使用寿命长，粘性磨料在上、下磨料室内和零件表面上往复运动时，需要克服阻力，必然要产生热量，因此，要求粘性磨料介质不会因温升而软化，否则将降低抛光效果。5）磨料在配制好之后虽是柔软的，但绝不能发粘，它不应该粘到零件上，给清洗造成困难，也不能粘到操作者手上，影响操作人员的正常工作。6）切削作用强，加工速度快，要有显著的抛光效果。介质对零件无腐蚀作用，对人体无害，不会产生刺激作用而引起皮肤过敏等。64返回上一张下一张9/27/20242、粘性磨料介质的组成粘性介质一般由基体介质、添加剂、磨料三种成分均匀混合而成。（1）基体介质（2）添加剂（3）磨料（4）挤压珩磨的夹具65返回上一张下一张9/27/202466返回上一张下一张9/27/2024（五）挤压珩磨的加工后处理挤压研磨结束后，在工件和夹具中充填了介质，需要将其取出。由于介质本身的结合力强，因此，当剥离介质有困难时，则可准备少量介质使其与工件上的介质相互结合而简单地引出。手接触不到之处可用压缩空气清洗。如果将用压缩空气吹过的模具凸、凹模型面放在有机溶液中浸渍，介质很容易地被溶解而清洗得更好。如果与超声波清洗方法合用效果会更好。67返回上一张下一张9/27/2024（六）挤压珩磨工艺参数和工艺规律挤压研磨工艺参数除了粘性磨料介质的稠粘度、磨料种类和粒度外，主要的还有挤压压力，磨料介质的流动速度(或单位时间介质流量和加工时间等。挤压压力、流量、加工时间由挤压衍磨机控制。挤压压力一般控制在3MPa~15MPa范围内，流量一般控制在7L/min~25L/min，加工时间由几分钟到几十分钟范围内。68返回上一张