精密磨削

浅谈磨削加工对模具寿命的影响

分析了磨削加工工艺对模具寿命的影响，提出减少磨削缺陷的有效措施，从而保证和提高模具使用寿命。

关键词：磨削加工措施模具寿命

模具制造是模具设计的延续，是验证设计正确性的过程。在现代模具生产中采用了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术。磨削加工工作量将占模具总的制造工时的25％～45％。我国模具工业发展到今天取得了巨大的进步，但仍然与国外先进水平有较大的差距，在模具寿命上的比较见附表。模具制造的成品质量与模具制造精度密切相关，特别是与模具型腔面的精度和表面粗糙度有着密切关系。

实际生产中，影响模具失效的因素有：①模具结构；②模具材料；③冷热加工的制造工艺（锻造、热处理、切削加工、磨削加工、电加工等）；④模具工作条件。要提高模具寿命，必须对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行认真分析，制定克服的办法和措施。

目前，在国际上有两种模具制造工艺路线：一是以提高机械加工与电加工的精度与质量，使手工精加工的工作量降到最低，如高精密机床和高速成型铣床及其加工工艺的发展，为这条工艺路线的发展奠定基础。二是侧重精加工中的抛光和研磨工艺，其

加工工时，与机械加工、电火花加工时间几乎相等。一副模具是由众多的零件组配而成，零件的质量直接影响着模具的质量，而零件的最终质量又是由精加工来保证的。在国内大多数的模具制造企业，精加工阶段采用的方法一般是磨削、电加工及钳工处理。

磨削加工对模具寿命的影响未引起人们的充分重视，由于不正确的磨削工艺，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及产生磨削应力，致使后续工序及模具在服役期间的机械疲劳、冷热疲劳产生裂纹的萌生源，严重影响模具的使用寿命。

研究和探讨如何提高磨削加工质量，提高模具使用寿命、延长服役时间，促进采用模具新技术，正是本文的目的。

1 模具的磨削加工

磨削过程的实质是工件被磨削了金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压、磨擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削的全过程表现为力和热的作用。

①在磨削过程中，加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此，表面产生热压应力。当磨削结束时，工件表面温度降低，由于表面已产生热态塑性变形并受到基体的限制，故而表面产生残余拉应力，里层产生残余压应力。

②磨削时，砂轮与工件为弧面接触，砂轮切削时工件产生塑性变形及砂轮与工件间剧烈的摩擦阻力，从而在砂轮与工件间形成大小相等，方向相反的磨削力，同时由于表层材料塑性变形时使工件材料内部金属分子之间产生相对位移，形成内摩擦而发热，砂

轮和工件之间外摩擦也产生热量，这种磨削热在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温，而砂轮是不易传热的，所以80%的热传入工件和磨屑，而金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格，发生金相组织的转变，在磨削淬硬钢时，冷却充分，表面层产生二次淬火，部分残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体比容较大，比容增加，表面产生压应力，如果磨削冷却不好，或不用冷却液，表面产生回火，发生马氏体转变，表面产生拉应力（如γ一Fe转变为α－Fe时铁的体积会膨胀1%，），这些应力（残余应力可达到500～1000 MPa），如果超过材料的屈服极限时，便产生磨削裂纹，另外热处理淬火后模具未立即回火，淬火温度过高，有网状碳化，回火后未回火的马氏体或残余奥氏体过多，在磨削时都会产生相变，发生应力使工件表层产生裂纹。磨削裂纹是一种很细的表面裂纹，磨削裂纹形态一般有3种：平行线条状、网络龟裂状、八字形裂纹。裂纹的发生方向和模具形状有关，裂纹的发展方向和砂轮在工件表面磨削方向有关，其深度在0.03 mm以内。

③磨削时，砂轮不锋利，进刀量大，冷却不良等使工件表面产生的温度达300℃，引起工件表面发生烧伤现象。

2 减少磨削加工缺陷的措施

①合理选择磨削用量，采用径向进给量较小的精磨方法甚至精细磨削。如适当减少径向进给量及砂轮速度、增大轴向进给量，使砂轮与工件接触面积减少，散热条件得到改善，从而有效地控制

表层温度的提高。

②合理选择和修整砂轮，采用白刚玉的砂轮较好，它的性能硬而脆，且易产生新的切削刃，因此切削力小，磨削热较小，在粒度上使用中等粒度，如46～60目较好，在砂轮硬度上采用中软和软（ZR1、ZR2和R1、R2），即粗粒度、低硬度的砂轮，自励性好可降低切削热。

精磨时选择适当的砂轮十分重要，针对模具钢材的高钒高钼状况，选用GD单晶刚玉砂轮比较适合，当加工硬质合金、淬火硬度高的材料时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN（立方氮化硼）砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨床、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。

在磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锐利，当砂轮钝化后，会在工件表面滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。

③合理使用冷却润滑液，发挥冷却、洗涤、润滑的三大作用，保持冷却润滑清洁，从而控制磨削热在允许范围内，以防止工件热变形。改善磨削时的冷却条件，如采用浸油砂轮或内冷却砂轮等措施。将切削液引入砂轮的中心，切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用，防止工件表面烧伤。

④将热处理后的淬火应力降低到最低限度，因为淬火应力、网状

碳化组织在磨削力的作用下，组织产生相变极易使工件产生裂纹。对于高精度模具为了消除磨削的残余应力，在磨削后应进行低温时效处理以提高韧性。

⑤消除磨削应力也可将模具在260～315℃盐浴中浸1.5 min，然后在30℃油中冷却，这样硬度可下降1HRC，残留应力降低40％～65％。

⑥对于尺寸公差在0.01 mm以内的精密模具的精密磨削要注意环境温度的影响，要求恒温磨削。由计算可知，300 mm长的钢件，温差3℃时，材料有10.8μm左右的变化，（10.8=1.2×3×3，每100mm变形量1.2μm/℃），各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。

⑦采用电解磨削加工，改善模具制造精度和表面质量。电解磨削时,砂轮刮除氧化膜：而不是磨削金属，因而磨削力小，磨削热也小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤等现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm；另外，砂轮的磨损置小，如磨削硬质合金，碳化硅砂轮的磨损量大约为磨削掉的硬质合金重量的400%～600％，用电解磨?br> 魇保奥值哪ニ鹆恐挥杏仓屎辖鹉コ康?0%～100%.

3 结束语

总之模具在制造时要充分重视磨削工序，使磨削微裂纹和残余应力降低到最低限度，以提高模具的使用寿命。模具制造是模具设计的延续，是验证设计正确性的过程。在现代模具生产中采用

了先进、高效、高精密机床和自动化生产技术。磨削加工工作量将占模具总的制造工时的25％～45％。我国模具工业发展到今天取得了巨大的进步，但仍然与国外先进水平有较大的差距，在模具寿命上的比较见附表。模具制造的成品质量与模具制造精度密切相关，特别是与模具型腔面的精度和表面粗糙度有着密切关系。

实际生产中，影响模具失效的因素有：①模具结构；②模具材料；③冷热加工的制造工艺（锻造、热处理、切削加工、磨削加工、电加工等）；④模具工作条件。要提高模具寿命，必须对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行认真分析，制定克服的办法和措施。

目前，在国际上有两种模具制造工艺路线：一是以提高机械加工与电加工的精度与质量，使手工精加工的工作量降到最低，如高精密机床和高速成型铣床及其加工工艺的发展，为这条工艺路线的发展奠定基础。二是侧重精加工中的抛光和研磨工艺，其加工工时，与机械加工、电火花加工时间几乎相等。一副模具是由众多的零件组配而成，零件的质量直接影响着模具的质量，而零件的最终质量又是由精加工来保证的。在国内大多数的模具制造企业，精加工阶段采用的方法一般是磨削、电加工及钳工处理。

磨削加工对模具寿命的影响未引起人们的充分重视，由于不正确的磨削工艺，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及产生磨削应力，致使后续工序及模具在服役期间的机械疲劳、冷热疲

劳产生裂纹的萌生源，严重影响模具的使用寿命。

研究和探讨如何提高磨削加工质量，提高模具使用寿命、延长服役时间，促进采用模具新技术，正是本文的目的。

1 模具的磨削加工

磨削过程的实质是工件被磨削了金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压、磨擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削的全过程表现为力和热的作用。

①在磨削过程中，加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此，表面产生热压应力。当磨削结束时，工件表面温度降低，由于表面已产生热态塑性变形并受到基体的限制，故而表面产生残余拉应力，里层产生残余压应力。

②磨削时，砂轮与工件为弧面接触，砂轮切削时工件产生塑性变形及砂轮与工件间剧烈的摩擦阻力，从而在砂轮与工件间形成大小相等，方向相反的磨削力，同时由于表层材料塑性变形时使工件材料内部金属分子之间产生相对位移，形成内摩擦而发热，砂轮和工件之间外摩擦也产生热量，这种磨削热在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温，而砂轮是不易传热的，所以80%的热传入工件和磨屑，而金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格，发生金相组织的转变，在磨削淬硬钢时，冷却充分，表面层产生二次淬火，部分残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体比容较大，比容增加，表面产生压应力，如果磨削冷却不好，或不用冷却液，表面产生回火，发生马氏体转变，表面产生拉应

力（如γ一Fe转变为α－Fe时铁的体积会膨胀1%，），这些应力（残余应力可达到500～1000 MPa），如果超过材料的屈服极限时，便产生磨削裂纹，另外热处理淬火后模具未立即回火，淬火温度过高，有网状碳化，回火后未回火的马氏体或残余奥氏体过多，在磨削时都会产生相变，发生应力使工件表层产生裂纹。磨削裂纹是一种很细的表面裂纹，磨削裂纹形态一般有3种：平行线条状、网络龟裂状、八字形裂纹。裂纹的发生方向和模具形状有关，裂纹的发展方向和砂轮在工件表面磨削方向有关，其深度在0.03 mm以内。

③磨削时，砂轮不锋利，进刀量大，冷却不良等使工件表面产生的温度达300℃，引起工件表面发生烧伤现象。

2 减少磨削加工缺陷的措施

①合理选择磨削用量，采用径向进给量较小的精磨方法甚至精细磨削。如适当减少径向进给量及砂轮速度、增大轴向进给量，使砂轮与工件接触面积减少，散热条件得到改善，从而有效地控制表层温度的提高。

②合理选择和修整砂轮，采用白刚玉的砂轮较好，它的性能硬而脆，且易产生新的切削刃，因此切削力小，磨削热较小，在粒度上使用中等粒度，如46～60目较好，在砂轮硬度上采用中软和软（ZR1、ZR2和R1、R2），即粗粒度、低硬度的砂轮，自励性好可降低切削热。

精磨时选择适当的砂轮十分重要，针对模具钢材的高钒高钼状

况，选用GD单晶刚玉砂轮比较适合，当加工硬质合金、淬火硬度高的材料时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自磨性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm，近年来，随着新材料的应用，CBN（立方氮化硼）砂轮显示出十分好的加工效果，在数控成型磨床、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮。

在磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锐利，当砂轮钝化后，会在工件表面滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。

③合理使用冷却润滑液，发挥冷却、洗涤、润滑的三大作用，保持冷却润滑清洁，从而控制磨削热在允许范围内，以防止工件热变形。改善磨削时的冷却条件，如采用浸油砂轮或内冷却砂轮等措施。将切削液引入砂轮的中心，切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用，防止工件表面烧伤。

④将热处理后的淬火应力降低到最低限度，因为淬火应力、网状碳化组织在磨削力的作用下，组织产生相变极易使工件产生裂纹。对于高精度模具为了消除磨削的残余应力，在磨削后应进行低温时效处理以提高韧性。

⑤消除磨削应力也可将模具在260～315℃盐浴中浸1.5 min，然后在30℃油中冷却，这样硬度可下降1HRC，残留应力降低40％～65％。

⑥对于尺寸公差在0.01 mm以内的精密模具的精密磨削要注意

环境温度的影响，要求恒温磨削。由计算可知，300 mm长的钢件，温差3℃时，材料有10.8μm左右的变化，（10.8=1.2×3×3，每100mm变形量1.2μm/℃），各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。

⑦采用电解磨削加工，改善模具制造精度和表面质量。电解磨削时,砂轮刮除氧化膜：而不是磨削金属，因而磨削力小，磨削热也小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤等现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm；另外，砂轮的磨损置小，如磨削硬质合金，碳化硅砂轮的磨损量大约为磨削掉的硬质合金重量的400%～600％，用电解磨削时，砂轮的磨损量只有硬质合金磨除量的50%～100%.

3 结束语

总之模具在制造时要充分重视磨削工序，使磨削微裂纹和残余应力降低到最低限度，以提高模具的使用寿命。

1.精密和起精密摩削

在工具和模具制造中，磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。技术关键除磨床本身外，磨削工艺也起决定性作用。在磨削脆性材料时，由于材料本身的物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨削后的表面比较粗糙。在某些应用场合如光学元件，这样的粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件的表面粗糙度，

但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。为了解决这一矛盾，在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构相继推出了两种新的磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）和镜面磨削（Mirror Grinding）。

（1）塑性磨削它主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来、所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shers Mode Grinding）。由此磨削后的表面没有微裂纹形成，也没有脆性剥落时的无规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。

塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，在切清形成由脆断向塑性剪切转变的理论上存在各种看法。大多数研究者认为，当磨粒的切削深度小到一定程度时，切屑就由脆断转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般来说，临界切削深度在100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogriding）。根据这一理论。有些人提出了一种观点，即塑件磨削要特殊磨床来实现。这种特殊磨床必须满足如下要求；

l）极高的定位精度和运动精度。以免因磨粒的切削深度超过100μm时，导致转变为脆性磨削。

2）极高的刚性。因为塑性磨削的切削力远超过脆件磨削的水平，机床刚性太低，会出切削力引起的变形而破坏塑性切屑形

成的条件。

对形成塑性磨削的另一种观点认为切削深度不是唯一的因素，只有磨削温度才是切屑由脆性向塑性转变的关键。从理论上讲，当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。作者从实践中找到了支持这种观点的许多证据：比如在一台已经服役20多年的精度和刚度水高的平面磨床上磨削SiC陶瓷，用4000#的金刚石砂轮，工件表面粗糙度小于Rq5μm表面上看不到脆断的痕迹。另外德国亚琛工业大学的K0nig教授作了如下试验．在普通的车床厂，用激光局部加热一个SiN 陶瓷试件，即能顺利地进行切削。这些实验均间接地说明温度对切屑形成机理有决定性的影响。

（2）镜面磨削顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性，当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼等。为了能实现镜面磨削，本东京大学理化研究所的Nakagawa和Omori教授发明了电解在线修整磨削法ELID（Electrolytic

In-Process Dressing）。

镜面磨削的基本出发点是：要达到镜面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，

砂轮必须经常进行修整，修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID首次解决厂使用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。

ELID磨削的关键是用与常规不同的砂轮，它的结合剂通常为青铜或铸铁。图12是ELID在平面磨床上应用的原理及实验装置。在使用ELID磨削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。当电极与砂轮之间接上某一电压时，砂轮的结合剂发生氧化。在切削力作用下，氧化层脱落从而露出了锋利的磨粒（图13）。由于电解修整过程在磨削时连续进行，所以能保证砂轮在整个磨削过程中保持同一锋利状态。这样既可保证工件表面质量的一致，又可节约以往修整砂轮时所需的辅助时间，满足了生产率要求。

ELID在平面磨床上的应用原理及实验装置

a）ELID磨削原理b）砂轮与修整器外观

ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮，应用范围几乎可以覆盖所有的工件材料。它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达到Rq1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工各种泵的陶瓷密封圈，传统的工艺是先磨再抛光，采用ELID磨削，只需一道工序，既节约时间又节省投资。

ELID也被用于加工其他几何形状如球面、柱面和环面等。按

镜面的不同要求，可用于部分取代抛光或把抛光的时间降到最低的水平。

ELID磨削虽有上述优点，但在某些应用场合也有一些缺点。比如在磨削玻璃时，如果采用较大的粒度（2μm），由于砂轮的磨粒连续更替，部分磨粒不断脱离结合剂而成为自由磨粒，这些磨粒在工件与砂轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在工件表面上造成局部的无规则的刻痕，其深度有时能超过磨粒的半径倍。图14是一个EIJD磨削过的工件表面，若不考虑局部的刻痕，其表面粗糙度已达Rq5nm的水平，但由于这样的刻痕，使工件的抛光量要增加到3～5μm，镜面磨削的应用价值在这种情况下被相应地减弱。

由此可见，是否要采用镜面磨削，关键在于应用场合。假如个别刻痕不影响工件的使用，镜面磨削可以取代研磨和抛光，并提高生产效率。否则必须综合考虑所有的加工过程以确定最佳的加工工序的组合。