關於高溫合金鍛模模具的加工策略

由鍛造與衝壓發表于美食2023-01-12

文 / 程仙紅·江西景航航空鍛鑄有限公司模具廠

鍛模模具在機械製造行業的應用非常廣泛，而高溫合金鍛模模具的加工工藝本身就是一項難度係數相對較高的工作，若想提高鍛模模具的加工效率更是需要一定的技能改革與創新。本論文以高溫合金鍛模模具的加工為例，對相關概念進行闡述，在分析傳統鍛模模具加工工藝弊端的基礎上研究加工刀具選擇及切削引數設定，透過實驗分析，確定最佳的切削工藝引數組合：切削速度、切削深度、切削寬度、進給量，給出相應的高溫合金鍛模模具加工的策略，為後續的生產加工解決難題，減低刀具使用成本，提高加工效率，為高溫合金材料模具的加工找到最佳工藝引數，編制最佳化工藝流程。

相關概念闡述

高溫合金

高溫合金是一種抗氧化與抗腐蝕性強的金屬材料，能夠在900℃以上的高溫下進行工作，這種金屬材料以鐵、鎳、鈷為基礎，抗疲勞性強，具有一定的組織穩定性與使用可靠性。目前，高溫合金材料被廣泛應用於航空、航天、石油、化工等領域。高溫合金主要包括以下六種型別：變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物高溫材料、環境高溫合金。本論文主要研究鍛造高溫合金模具的加工。

鑄造高溫合金模具通常情況下是指只能透過鑄造的方法成形的一種高溫合金。鑄造高溫合金的主要特性包括：

⑴切削力大，高溫合金含有許多高熔點金屬元素，構成組織結構緻密的奧氏體固溶體，合金的塑性好，原子結構十分穩定，需要很大能量才能使原子脫離平衡位置，因而變形抗力大。其切削力是普通鋼材的3～5倍，這就增強了對機床剛性和刀具剛性、鋒利程度的要求。

⑵加工硬化傾向嚴重，由於切削溫度高，基體組織中強化相析出，造成表面硬化，這些析出的硬質點在切削過程中會引起刀具劇烈的磨損。同時，在高溫下刀具與工件之間的親和作用易造成刀具與工件粘附。

⑶切削溫度高，切削時，塑性變形嚴重，刀具與工件、切屑之間存在著強烈的摩擦，產生出大量的切削熱，又因高溫合金導熱性差，導熱係數是45#鋼的（1/5～1/2），故使變形區的切削熱高度集中於狹小的切削區域內，造成1000℃以上的高溫，這樣的高溫必然導致擴散磨損和氧化磨損。同時，也會導致刀具和工件的變形，進而影響工件尺寸精度。

鍛模模具

鍛模模具主要是指金屬在熱態或冷態的狀態下進行體積成形的過程中所用的模具的總稱。由於金屬體積成形的形狀不盡相同，所以鍛模模具的結構也不盡相同，本論文主要研究高溫合金等溫精鍛模具，此類模具具有以下特點：結構複雜、高精度、高硬度、高強度、低導熱率、低塑性和高塑性、有硬質點和硬夾物。此類材料的切削過程符合金屬切削的一般原理與規律。但是，此類模具在切削過程中也存在一些顯而易見的劣勢，切削力大，切削溫度高；加工硬化嚴重；容易出現黏刀現象和高硬質點的摩擦現象。本文將針對以上狀況，從工藝與生產兩方面入手，尋求高溫合金鍛模模具加工工藝效率的提高，整合與最佳化加工工藝路徑。

高溫合金鍛模模具傳統加工的分析

模具加工工藝問題分析

高溫合金模具加工是本單位初次接觸，根據對模具材料與結構的分析，參考普通鍛模模具的加工工藝，編寫了模具加工工藝流程如圖1所示。

圖1 模具加工工藝流程

⑴鑽工。鑽螺孔、沉孔及導柱孔，在鑽孔過程中由於材料特性，普通鑽頭無法實施鑽孔，遇到硬質點更無法加工，更換合金鑽頭後，加工也非常困難，僅兩個φ 50mm的導柱孔就加工了40小時，比普通材料同等直徑的孔加工多20倍。

⑵銑工。銑上下面及基面，由於沒有使用冷卻方式，造成刀具嚴重。

⑶數控銑。銑型槽、毛邊槽、鉗口、阻料溝及48mm×48mm×26mm的方形沉臺，由於數控銑轉速達不到高速旋轉的要求，出現加工型槽及阻料溝，採用小直徑刀具時無法提高加工速度，影響了加工效率。

⑷鉗工。由於沒有合金鉸刀，鑽導柱孔無法保證配合精度，導致鉗工花大量時間修配導柱孔，而且由於數控銑加工的型槽表面質量較差，鉗工修型槽時間所需工時也很多。

⑸油模工。由於高溫合金材料的特性，油石無法油研型槽。

由於對模具結構及材料的瞭解不夠細化，沒有透過對模具造型分析模具的整體結構，瞭解模具的尺寸精度，沒有意識到高溫合金鍛模模具的加工是一項技術性強，難度高的工藝，導致模具工藝編寫不合理，影響了加工質量與加工進度。

刀具選用問題分析

最初採用的是普通鑽頭，鑽頭磨損很快，修磨一次鑽頭，鑽孔深度僅5mm，造成人、機疲勞，嚴重影響加工效率。銑刀主要用可轉位刀（牛鼻刀）去除粗加工餘量，半精加工與精加工用球頭刀；採用的是國產株洲普通硬質合金刀片（YD05），每粒刀片加工時間約10min，既費刀片，效率又低。

加工引數的問題分析

由於初次接觸高溫合金模具的加工，對材料特性不瞭解，刀具的頻繁更換，導致各工序的加工引數除錯時間過長，影響了加工質量與加工效率。

高溫合金鍛模模具最佳化後加工工藝的分析

鑄態高溫合金鍛模模具結構的分析

傳統的高溫合金模具的加工缺乏對模具結構進行詳細的分析，瞭解各個零部件之間的尺寸與構造，對模具結構尺寸掌握不精細，無法深入理解模具的設計意圖與工藝效能，以圖2所示的模具模型為例，對其尺寸與構造進行分析，根據鍛模模具的加工引數，確定模具加工工藝的尺寸並進行相關的實驗。透過對模具結構的分析，結構比較複雜，成形部分由上下模組組成，有兩個導柱孔、四個螺絲沉孔、雙型槽、過橋上有R1。5mmx2的阻尼溝，加工難度非常大。

圖2 模具結構圖

模具加工工步的實驗分析

透過對第一塊模具加工的經驗總結，對加工工藝路線進行了最佳化，各工序的加工內容有所變化，分工更合理，並且增加了電加工工序，取消了油模工，具體加工工步圖如圖3所示。在模具正式加工之前，可以先利用VERICUT軟體事先對模具加工工藝進行實驗模擬模擬，以便於在實際加工的過程中發現問題、尋找不足。

圖3 加工工步圖

提高高溫合金鍛模模具加工效率的策略分析

設定加工策略

工藝路線的安排，重點體現在以下四方面：

⑴鑽孔是模具加工難度最大的工作。先由數控確定孔的中心位置，鑽好中心孔，為了提高加工質量，導柱孔可先鑽φ 35mm的荒孔，再由數控銑加工至尺寸，為後序鉗工配導柱節約了時間。

⑵加工高溫合金時吃刀抗力大，故機床、刀具、夾具必須具有足夠的剛性，尤其是粗加工，首先考慮普通機床加工。普通銑床主軸剛性好，可使用直徑比較大的盤銑刀，因此上、下模墊塊及上、下模組的上下面先由普通銑床去除餘量，單面留1mm餘量，再利用數控銑床上進行精加工。這樣可以有效的提高加工效率（表1）。根據模具尺寸的要求分模面見光即可，將餘量留在底面，加工型腔時在分模面對刀保證型腔深度。

表1 銑工與數控銑加工上下面的對比

⑶主要工序是數控加工，合理的安排數控銑與雕刻機分工合作，先由數控銑將頂杆孔、導柱孔、毛邊槽及鉗口加工到位，再將型槽及阻尼溝轉至雕刻機上進行加工，利用雕刻機的高速切削功能，加工複雜型槽與R1。5mm的阻尼溝比數銑加工，效率可提高5倍，而且加工精度及表面質量遠比數控加工好。

⑷已經鑽過通孔的48mm×48mm×26mm的方形沉臺，選用電脈衝加工是最佳選擇，避免數控銑小刀清角；同時取消了油模工工序，採購拋光輪由鉗工拋光，加工工藝的最佳化大大提高廖瑞加工效率。

選用合理的切削引數

根據高溫合金的效能和切削過程中的特點，加工時應考慮以下幾個方面：

⑴切削引數。在切削高溫合金時切削速度與刀具耐用度的關係具有較明顯的駝峰性，切削速度過高或過低時刀具磨損均較快。一般採用低轉速、小走刀量、大的削深度加工（表2）。

表2 數控銑和雕刻機的加工引數

⑵刀具幾何引數。一般刀具前角應略小（0～10°），后角應較大（10°～15°），主偏角應儘可能小些（45°～75°），原則是選擇較小前角、較大后角、較小主偏角的刀刀片。為避免刀尖燒損和崩刃，刀尖採用圓弧過渡；鑽頭使用全合刃金鑽頭，相比普通鑽頭效率提高了50%。

⑶數控銑刀採用進口鎢鈷類硬質合金刀具。瑞典山特維克（HIP）和日本三菱（HTi20T），此兩種硬質合金刀片具有高硬度和耐磨性，耐熱性和導熱性較好，而且有較好的抗粘結性。刀片選用時刀口不能有崩刃、裂紋、缺口，刀具要鋒利。

⑷加工高溫合金時，不論何種切削，都必須連續不斷地加註冷卻潤滑液，嚴禁加工中斷流忽冷忽熱而造成刀具崩刃，採取柴油加機油混合冷卻（比例10：1）。

最佳化數控加工程式

最佳化數控加工程式及走刀路徑方式，主要從以下五個方面進行改進。

⑴利用VERICUT軟體進行夾具建模，在模擬中能明確看出是否有碰撞或過切現象。

⑵粗、精銑加工程式分開，粗加工用數控銑床程式，精加工用雕刻機程式。

⑶加工毛邊槽選用偏置區域清除策略加工，精加工導柱孔則選用最佳等高策略加工，銑阻料溝選用R1。5mm的成形球頭刀沿溝槽中心輪廓加工。根據不同結構、不同精度要求選用不同的加工策略，這樣既能保證模具加工質量，又能提高加工效率。

⑷調整加工引數，不同的刀具、機床選用不一樣的加工引數（表2）。

⑸根據型槽結構分段採取不同的加工路徑方式，由平行加工三維偏置加工及等高加工等幾個方式組合而成。

加工中應注意的事項

由於此材料加工硬化傾向嚴重，所以最後一刀切削深度要不小於0。1mm，且所有的切削加工工序都要求實現均勻的切削進給，避免手動進給。在切削過程中，不允許刀具中途停頓，以免加劇刀具磨損。對於有型面要求的零件，成形刀無法直接加工成形，應儘可能使刀具在數控機床上按設定的軌跡進行加工，或先用一般刀具進行粗加工，最後留少許餘量用成形刀精加工，以保證型面要求。

加工效果對比

同等結構的模具加工工時由原來的321小時縮短至225小時（圖4），提高了加工效率，縮短了制模週期。

圖4 最佳化前後對比

高溫合金模具加工工藝的拓展

針對鑄態（K403）高溫合金材料透過現場加工實踐、對比，將機床、刀具等多種相關因素固化，得出一組可指導現場實際加工的有效引數。參考以上總結的引數，後期連續加工了三套不同結構的圓錐形擠壓模模具（圖5），增加了車工工序，總結出了車削加工引數（表3）及刀具前角、機床轉速和切屑用量對刀具耐用度的關係（圖6），並保證了一次試模合格。