CN105081700B - 一种金属模具用的圆柱形配件加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属模具用的圆柱形配件加工方法及系统，该方法包括：1).对粗加工的圆柱形配件的毛坯件进行表面感应淬火预处理，使其表面形成淬硬层；2).施加脉冲电流到该毛坯件，对其表面淬硬层进行脉冲电流回火处理；同时，实施车削加工形成配件半成品；3).使该配件半成品旋转，向该配件半成品进一步施加脉冲电流对其表层进行电致塑性处理；同时，通过超声滚压装置对所述配件半成品的表面进行超声冲击滚压。本系统由车床改装而成，适应于上述方法加工导柱等各类金属回转体配件。与传统工艺比较，本方法可显著提高导柱表层整体力学性能、表面质量与表面光洁度，大大简化生产工序，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种金属模具用的圆柱形配件加工方法及系统

技术领域

本发明属于金属加工领域，具体涉及一种金属模具用的圆柱形配件(如导柱、冲针等)加工方法及系统。

背景技术

模具配件指的是模具行业专有的用于冲压模具、塑胶模具或FA自动化设备上的金属配件的总称。模具配件包含有：冲针、冲头、导柱、导套、顶针、司筒、钢珠套、无给油导套、无给油滑板、导柱组件等。导柱是用于模具中，与组件组合使用以确保模具精准定位进行活动，并引导模具行程的导向元件。金属模具导柱使用过程中所遇到的最大挑战是其表面因磨损、疲劳、腐蚀等所导致的破坏和失效。因此，实际的工程应用对金属磨具导柱的表面硬度、耐磨性、精度与光洁度等都有较高要求。

如金属模具的导柱传统材料为20Cr类渗碳钢，其加工方法为：将粗加工好的毛坯件高温(920℃)渗碳6小时，低温(200℃)回火2小时，以提高导柱表面硬度与耐磨性；再经磨床加工达到使用要求的表面精度与光洁度。但由于整个渗碳工艺生产周期长，反应温度高，致使导柱的整体力学性能下降，且生产成本较高，生产效率低下。长期以来国内的金属模具导柱加工领域大都采用这种传统的生产工艺，模具导柱表面精度低、服役性能差及加工效率低生产成本高已成为制约我国装备制造业高速发展的瓶颈问题。

对于一些本身硬度很高或加工硬化严重的难加工金属材料来说，其表面往往是高硬度低塑性状态，其切削性能极差，车削加工后表面质量差，同时还大大降低了刀具使用寿命；如果单纯采用超声滚压加工方法使这类难加工材料表面产生强烈的塑性变形，进而在其表层获得较大深度且表面硬度很高的表面强化层是非常困难的，而本发明可以很好解决这类难加工材料难于形成深度较大的高硬度表面强化层这一业界共性问题。

发明内容

针对传统工艺制作金属模具用的导柱、冲针等圆柱形金属配件所存在的上述问题，本发明提供一种金属模具用的圆柱形配件加工方法及系统，以改善圆柱形金属配件表面性能，提高表面精度与光洁度，提高加工效率。

为达上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种金属模具用的圆柱形配件(如导柱)加工方法，包括以下步骤：

1).对粗加工的圆柱形配件的毛坯件进行表面感应淬火预处理，在该毛坯件表面形成一定深度的淬硬层；

2).将具有淬硬层的毛坯件安装于支撑装置上，通过磁力定位的第一、第二两个电刷装置施加脉冲电流到所述毛坯件，通过脉冲电流对所述毛坯件表面的淬硬层进行回火处理；同时，对所述毛坯件进行车削加工，形成配件半成品；

3).由支撑装置带动所述配件半成品旋转，向所述配件半成品再次施加脉冲电流对它的表层进行电致塑性处理；同时，通过沿所述配件半成品轴向移动的超声滚压装置对所述配件半成品的表面进行超声冲击滚压，使所述配件半成品表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成一定深度的强化层。

其中，所述支撑装置由车床的主轴、该主轴上安装的主卡盘、绝缘安装于尾座上的具有副卡盘的从动轴以及绝缘安装于小滑板上的刀架组成。所述毛坯件由所述主卡盘和所述副卡盘夹持并作周向转动，车削用的刀具安装于所述刀架上。

所述超声滚压装置也可安装于在所述车床的刀架上，且所述超声滚压设备具有滚压头，该滚压头以一定预紧力顶压在圆柱形配件表面，由超声滚压装置向圆柱形配件的表面加工区提供具有一定频率和振幅的超声振动。所述超声滚压装置的滚压头的曲率半径4-50mm，表面粗糙度小于Ra0.05μm，硬度大于60HRC；

步骤1)中，所述圆柱形配件的毛坯件的材质是中强度钢、高强度钢，如40Cr、GCr15等。所述圆柱形配件是指金属模具用的导柱、针、冲头、导套、顶针等回转体配件。

步骤3)中，所述超声滚压装置的进给量为0.01-1.00mm·r^-1，预紧压力为100-2000N，超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm；所述配件半成品旋转线速度为10-150m·min^-1。步骤3)中所述刀架上的超声滚压装置由小拖板带动沿所述配件半成品轴向移动，超声冲击滚压的次数为1-15次。

步骤2)和步骤3)中，所述脉冲电流参数为：频率50-10000Hz，脉宽20-100μs，平均电流密度0.1-10A·mm^-2，峰值电流密度0.5-100A·mm^-2。

优选实施例中，所述第一、第二电刷装置均由磁力定位底座、设置于该底座上的绝缘支架以及安装于该绝缘支架上的带所述电刷的刷杆组成。磁力定位底座由铝质座体和设置于该铝质座体内的永磁体组成。在所述第一电刷装置的磁力定位底座上安装一定时开关，该定时开关串联于提供所述脉冲电流的脉冲电源输出回路中用于控制脉冲电源输出时间。该定时开关的定时时间根据步骤2)中所述车削加工的时间或步骤3)中所述超声冲击滚压的总时间(单次滚压时间x次数)来设定。

上述加工方法可以通过以下金属模具用的圆柱形配件加工系统来实现。该加工系统包括：

车床，该车床包含主轴、安装于该主轴的主卡盘、尾座以及小滑板等；

从动轴，绝缘安装于所述尾座上，该从动轴的中心线与所述主轴的中心线重合；

副卡盘，安装于所述从动轴一端，该副卡盘和所述主卡盘用于夹持一圆柱形配件；

用磁力定位的第一电刷装置和第二电刷装置，两者绝缘安装于车床的床身上；

脉冲电源，其一输出端直接或通过定时开关与所述第一电刷装置的电刷连接，另一输出端直接连接所述第二电刷装置的电刷，通过所述第一、第二电刷装置的电刷将脉冲电流导入所述圆柱形配件；

超声滚压装置，具有滚压头，用于对所述圆柱形配件的表层进行超声冲击滚压；及，

绝缘安装于所述小滑板上的刀架，该刀架上安装有刀具和/或所述超声滚压装置。

其中，所述第一电刷装置由磁力定位底座、设置于该底座上的绝缘支架以及安装于该绝缘支架上的带所述电刷的刷杆组成；所述定时开关安装在所述第一电刷装置的磁力定位底座上，所述定时开关的一端子与所述第一电刷装置的电刷连接；所述第二电刷装置和所述第一电刷装置结构相同。

对于经过表面感应淬火后的预处理导柱毛坯件(圆柱形配件)，其表面往往是高硬度低塑性状态。本发明采用声电(脉冲电流与超声滚压)耦合的方法对其表面进行加工处理。通过脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应实现表面感应淬火预处理导柱毛坯件的表面淬硬层回火处理，并提高导柱表面塑性，能够极大改善工件切削性能，提高车削后工件表面质量。进一步向车削后导柱半成品再次施加脉冲电流对它的表层进行电致塑性处理；同时利用超声滚压处理使导柱半成品表面受到冲挤发生剧烈塑性变形，致使其表层位错密度增大，表层晶粒细化至亚微米到纳米尺度，形成表面强化层。脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应、热效应对表面强化层组织起到调节作用，显著降低导柱表层塑性变形抗力，促使变形表层发生动态回复或动态再结晶，使表层晶粒进一步细化，从而进一步提高表层硬度。由于表层加工硬化程度减少，次表层塑性变形能力增强，使晶粒细化层向表层内部扩展，强化层厚度进一步增强。

本发明方法适用于金属模具用导柱、针、冲头、导套、顶针等圆柱形配件的加工，特别是中强度钢、高强度钢材质(40Cr、GCr 15)的圆柱形配件的加工，利用表面淬火加电脉冲回火代替了传统模具导柱等(20Cr类钢)的渗碳加回火的处理工艺，大幅度降低导柱坯料等生产成本。

本加工系统由车床改装而成，可以使用上述方法加工导柱等，相比于传统的导柱加工工艺，本方法的优点如下：在保证导柱原有表层硬度的前提下，导柱表层整体力学性能、表面质量与表面光洁度有极大提高，导柱耐磨性、抗腐蚀性能和疲劳寿命得到有效改善。极大缩短了导柱的生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本。

本加工系统采用磁力定位的电刷装置，可以通过磁力吸合到床身的导轨外侧面、设置于导轨外侧的附加铁板、床头箱及尾座等相应部位；由于其刷杆的安装位置能在绝缘支架的竖直长孔内可上下调节，刷杆与绝缘支架的夹角(45-135度)可调，使用调节方便，能够确保电刷的中心线与圆柱形配件的轴线处于同一平面内，实现两者的可靠电接触。

附图说明

图1为实施本发明方法的由车床改装加工系统的部分示意图；其中，11-超声滚压设备，12-滚压头，21-主卡盘，22-副卡盘，3-第一电刷装置，3’-第二电刷装置,5-脉冲电源，4-表面感应淬火预处理后的导柱毛坯件；

图2为按本方法处理后的GCr15导柱与原有磨床加工的导柱表面宏观形貌对比照片；

图3为按本方法处理后的GCr15导柱横截面沿表层厚度方向的硬度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施方式对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明金属模具用的圆柱形配件加工系统由车床改装而成。该系统包括：

车床，该车床包含主轴(图中未示出)、安装于该主轴的主卡盘21、尾座(图中未示出)以及小滑板(图中未示出)等；绝缘安装于所述尾座上的从动轴(图中未示出)，该从动轴的中心线与所述主轴的中心线重合；安装于所述从动轴一端的副卡盘22，该副卡盘和所述主卡盘用于夹持一圆柱形配件4；用磁力定位的第一电刷装置3和第二电刷装置3’，两者绝缘安装于车床的床身上；脉冲电源5，其一输出端(+端)直接或通过定时开关与所述第一电刷装置3的电刷3连接，另一输出端(-端)直接连接所述第二电刷装置3’的电刷，通过该电刷能将脉冲电流导入所述圆柱形配件4；具有滚压头12的超声滚压装置11，用于对所述圆柱形配件4的表层进行超声冲击滚压；

绝缘安装于所述小滑板上的刀架(图中为示出)，该刀架上安装有刀具(图中未示出)和/或所述超声滚压装置。

其中，所述第一电刷装置3由磁力定位底座31、设置于该底座上的绝缘支架34以及安装于该绝缘支架34上的带电刷36的刷杆35组成。所述定时开关(图中未示出)可安装在所述第一电刷装置的磁力定位底座31上，所述第二电刷装置3’和所述第一电刷装置3结构相同。

磁力定位底座31包括座体、设置于该座体内的永磁体(图中未示出)、铁板(磁路闭合用)和推扭33，向左或右推动该推扭33使该铁板变位，实现该永磁体磁路的闭合或开放。所述绝缘支架34具有竖直长孔，所述刷杆35穿过该竖直长孔用大头螺丝32紧固。

所述刷杆的安装位置能在所述绝缘支架的竖直长孔内可上下调节，所述刷杆伸出长度也可调节，并且所述刷杆与所述绝缘支架的夹角可调，该夹角调节范围为45-135度。该设计方便了第一、第二电刷装置安装位置的选择，可以安装(磁力吸合)到床身的导轨外侧面、设置于导轨外侧的附加铁板、床头箱、尾座等相应部位，并能方便调节确保使所述电刷的中心线与所述圆柱形配件的轴线处于同一平面内，实现两者的可靠电接触。

结合图1系统加工导柱过程如下：

1).对粗加工好的导柱毛坯件进行表面感应淬火预处理，在导柱毛坯件表面形成淬硬层，提高导柱表层硬度；

2).参照图1，首先将表面感应淬火预处理后的导柱毛坯件4用主卡盘21和副卡盘22夹持；脉冲电源5其输出端(+端)与第一电刷装置3的电刷36连接，另一输出端(-端)直接连接所述第二电刷装置3’的电刷36’，调节第一、二电刷装置中刷杆位置、方向使电刷36、36’分别与导柱毛坯件4两端紧密接触；

3).启动车床由主轴带动导柱毛坯件4以一定速度V1旋转；打开脉冲电源5，通过该电刷36、36’施加脉冲电流到所述导柱毛坯件4上；同时，车削掉所述导柱毛坯件4表面氧化皮，形成导柱半成品；

4).由主轴带动所述导柱半成品以V₁旋转，进一步施加脉冲电流到所述导柱半成品，接着启动超声滚压装置11，使滚压头12以一定频率频率和振幅沿垂直于导柱毛坯件4表面轴向法线方向振动，移动刀架使超声滚压装置11靠近导柱毛坯件4，使超声滚压头12以一定的压力F压紧在导柱毛坯件4的表面；并以速度V₂移动超声滚压装置11(小拖板带动)，使其沿所述导柱半成品轴向移动，对所述导柱半成品进行表面超声滚压加工。

步骤3)和步骤4)中，所述脉冲电流参数选取范围为：频率50-10000Hz，脉宽20-100μs，平均电流密度0.1-10A·mm^-2，峰值电流密度0.5-100A·mm^-2。

步骤4)中，具有滚压头12的超声滚压装置11安装在车床的刀架上。所述导柱旋转线速度V₁为10-150m·min^-1；所述滚压头12(或超声滚压装置11)的进给量V₂为0.01-1.00mm·r^-1，预紧压力F为100-2000N，超声振动频率f为15000-60000Hz，超声振动振幅a为5-50μm。

在所述第一电刷装置的磁力定位底座上可以安装一定时开关，该定时开关串联于提供所述脉冲电流5的脉冲电源输出回路中，该定时开关的定时时间根据步骤3)中所述车削加工的时间或步骤4)中所述超声冲击滚压的总时间(单次滚压时间x次数)来设定。

下面参照图1，以GCr15为原料的导柱采用上述加工方法，对实验效果及优点做进一步详细说明。

1、对Ф15.1×150mm规格、原始状态为球化退火、原始硬度为200HV0.1的GCr15原料进行表面感应淬火处理，感应电流125A，频率10000Hz；淬火后表面硬度600HV0.1。

2、将经表面感应淬火预处理的GCr15导柱坯料装夹在图1主卡盘21和副卡盘22之间；配备脉冲电源5和具有滚压头12的超声滚压装置11，所述超声滚压装置、刀具安装在刀架上。

3、对GCr15导柱进行电脉冲回火，同时将预处理GCr15导柱表面氧化皮车削掉，车削至Ф15mm。工件转速400r·min^-1(线速度V1＝18.84m·min^-1)，车床进给量0.1mm·r^-1(进给速度V₂＝40mm·min^-1)；脉冲电流参数为频率500Hz，平均电流密度1.40A·mm^-2，峰值电流密度9.60A·mm^-2。

4、对经预处理的GCr15导柱坯料进行电致塑性与超声滚压表面强化处理：工件转速400r·min^-1(线速度V₁＝18.84m·min^-1)，车床进给量0.1mm·r^-1(进给速度V₂＝40mm·min^-1)；超声滚压装置11工作频率30000Hz，振幅15μm，超声振动滚动压头12顶紧压力F＝1000N；脉冲电流参数为频率500Hz，平均电流密度1.40A·mm^-2，峰值电流密度9.60A·mm^-2，往复加工3次。

加工后的GCr15导柱测得其表面光洁度Ra0.3μm，与传统磨床加工的导柱(Ra0.7μm)相比，表面质量有极大提高，图2为按本方法处理后的GCr15导柱与原有磨床加工的导柱表面宏观形貌对比照片。加工后的工件用线切割沿径向断面切片，用维氏显微硬度计测量样品径向沿表层厚度方向的硬度变化，所加载荷100g，保荷时间为15s。样品径向沿表层厚度方向的硬度变化如图3所示，超声滚压处理影响层厚度为150μm，表层硬度670HV0.1(约HRC58.5)，与传统加工方法硬度相当。传统加工方法每根导柱耗时7min，本发明每根导柱加工耗时在5min以内，加工效率提高约30％。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种金属模具用的圆柱形配件加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1).对粗加工的圆柱形配件的毛坯件进行表面感应淬火预处理，在该毛坯件表面形成一定深度的淬硬层；

2).配置由车床的主轴、该主轴上安装的主卡盘、绝缘安装于尾座上的具有副卡盘的从动轴以及绝缘安装于小滑板上的刀架组成的支撑装置；将具有淬硬层的毛坯件用所述主卡盘和所述副卡盘夹持，通过磁力定位于车床床身上的第一、第二电刷装置施加脉冲电流到所述毛坯件，通过脉冲电流对所述毛坯件表面的淬硬层进行回火处理；同时，对所述毛坯件进行车削加工，形成配件半成品；

其中，所述第一、第二电刷装置结构相同；所述第一电刷装置由磁力定位底座，设置于该磁力定位底座上并带有竖直长孔的绝缘支架以及安装于该绝缘支架上的带电刷的刷杆组成；所述磁力定位底座包括铝质座体，以及设置于该铝质座体内的永磁体、铁板和推扭，向左或右推动该推扭能使该铁板变位实现该永磁体磁路的闭合或开放；

3). 由支撑装置带动所述配件半成品旋转，向所述配件半成品再次施加脉冲电流对它的表层进行电致塑性处理；同时，通过沿所述配件半成品轴向移动的超声滚压装置对所述配件半成品的表面进行超声冲击滚压，使所述配件半成品表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，车削用的刀具和所述超声滚压装置安装于所述刀架上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一电刷装置的磁力定位底座上安装一定时开关，该定时开关串联于提供所述脉冲电流的脉冲电源输出回路中，定时时间根据步骤2）中所述车削加工和步骤3）中所述超声冲击滚压的总时间来设定。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤3）中，所述超声滚压装置的滚压头的曲率半径4-50mm，表面粗糙度小于Ra0.05，硬度大于60HRC；所述超声滚压装置的进给量为0.01-1.00mm·r^-1，预紧压力为100-2000N，超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50；所述配件半成品旋转线速度为10-150m·min^-1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）、步骤3）中，所述脉冲电流参数为：频率50-10000Hz，脉宽20-100，平均电流密度0.1-10A·mm^-2，峰值电流密度0.5-100A·mm^-2。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述圆柱形配件的毛坯件的材质是中强度钢或高强度钢。

7.一种金属模具用的圆柱形配件加工系统，其特征在于，包括：

车床，该车床包含带有主卡盘的主轴、尾座以及小滑板；

绝缘安装于所述尾座上的从动轴，该从动轴的中心线与所述主轴的中心线重合；

安装于所述从动轴一端的副卡盘，该副卡盘和所述主卡盘用于夹持一圆柱形配件；

用磁力定位的第一电刷装置和第二电刷装置，两者绝缘安装于车床的床身上；

脉冲电源，其一输出端通过定时开关与所述第一电刷装置的电刷连接，另一输出端直接连接所述第二电刷装置的电刷，通过所述第一、第二电刷装置的电刷将脉冲电流导入所述圆柱形配件；

超声滚压装置，具有滚压头，用于对所述圆柱形配件的表层进行超声冲击滚压；及，

绝缘安装于所述小滑板上的刀架，该刀架上安装有刀具和所述超声滚压装置；

其中，所述第一、第二电刷装置结构相同；所述第一电刷装置由磁力定位底座、设置于该磁力定位底座上并带有竖直长孔的绝缘支架以及安装于该绝缘支架上的带所述电刷的刷杆组成；所述磁力定位底座包括铝质座体，以及设置于该铝质座体内的永磁体、铁板和推扭，向左或右推动该推扭能使该铁板变位，实现该永磁体磁路的闭合或开放。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述定时开关安装在所述第一电刷装置的磁力定位底座上，所述定时开关的一端与所述第一电刷装置的电刷连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述刷杆穿过所述绝缘支架的竖直长孔用大头螺丝紧固。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述刷杆的安装位置能在所述绝缘支架的竖直长孔内上下调节，所述刷杆与所述绝缘支架的夹角可调，该夹角调节范围为45-135度。