CN110524206A - 一种碳纤维卡具模具的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳纤维卡具模具的制作方法，包括如下步骤：步骤SS1：模具毛坯制备；步骤SS2：热处理：淬火、回火；步骤SS3：数控车床进行粗车加工：加工粗基准、端面；步骤SS4：数控车床进行车削加工：加工端面、型面；步骤SS5：热处理进行消除内应力；步骤SS6：数控车床进行精车加工：加工型面；步骤SS7：型面抛光；步骤SS8：时效处理；步骤SS9：镗四周、面各孔；步骤SS10：误差检验是否符合设计要求，完成碳纤维卡具模具的成品制作。本发明彻底解决了由于模具的结构复杂、碳纤维卡具加工精度要求高，以常规的模具加工技术和加工设备对P20合金钢的加工达不到所要求的精度，而且很大可能会造成切削性能下降和刀具磨损大，制造加工难度很大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维卡具模具的制作方法，属于模具制作技术领域。
背景技术
为了减轻绝缘子更换卡具的重量，且保证其强度不变，采用了碳纤维复合材料制作卡具。在碳纤维卡具制造过程中，模具是碳纤维卡具成型的主要工艺装备。由于卡具的精度要求高，碳纤维复合材料的热膨胀系数小，成型温度高(最高成型温度达170℃)，若采用普通的金属材料作为高精度碳纤维复合材料制造的模具材料，因普通金属材料的热膨胀系数与碳纤维复合材料不匹配，造成碳纤维卡具在经过高温固化成型后产生热应力结构变形，精度达不到设计要求。目前采用P20型号的合金钢。P20合金钢是一种模具钢，适用于制作塑料模和压铸低熔点金属的模具材料，这种合金钢具有很低的热膨胀系数 (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，是制造高精度碳纤维卡具模具的理想材料。但由于模具的结构复杂、碳纤维卡具加工精度要求高，以常规的模具加工技术和加工设备对P20合金钢的加工达不到所要求的精度，而且很大可能会造成切削性能下降和刀具磨损大，制造加工难度很大。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种碳纤维卡具模具的制作方法。
本发明采用如下技术方案：一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：模具毛坯制备；
步骤SS2：热处理：淬火、回火；
步骤SS3：数控车床进行粗车加工：加工粗基准、端面；
步骤SS4：数控车床进行车削加工：加工端面、型面；
步骤SS5：热处理进行消除内应力；
步骤SS6：数控车床进行精车加工：加工型面；
步骤SS7：型面抛光；
步骤SS8：时效处理；
步骤SS9：镗四周、面各孔；
步骤SS10：误差检验是否符合设计要求，完成碳纤维卡具模具的成品制作。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1具体包括：模具毛坯采用 P20合金钢自由锻造而成，毛坯机加工单边余量为10mm，使用超声波探伤测定P20合金钢锻件内部缺陷。
作为一种较佳的实施例，所述数控车床选用AT-600B2数控车床，加工精度为0.008mm。
作为一种较佳的实施例，所述数控车床的切削刀具材料选用碳化钨硬质合金YD15；所述切削刀具的刀具参数为：刀具前角γ0＝12°～30°，刀具后角α0＝8°～10°，刀具刃倾角λs＝-2°～-6°。
作为一种较佳的实施例，所述切削刀具的加工工艺参数为：切削速度为0.7～1m/s，进给量为0.5～1mm/r。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS6中的数控车床进行精车加工型面的切削刀具的加工工艺参数为：切削速度为1.8m/s，进给量为0.05mm/r。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2中的所述淬火、回火具体包括：在模具毛坯自由锻造后，进行淬火和回火处理；淬火温度为 830℃，保温30min，水淬，使合金成分均匀化；然后进行回火处理，回火温度315℃，保温60min，消除固溶处理的应力。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS5中的热处理消除内应力具体包括：回火热处理，回火温度315℃，保温60min，空冷。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS8中的时效处理具体包括：时效温度190℃，保温48h，缓慢冷却到室温。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS10具体包括：碳纤维卡具模具的检测采用XCEL9129三坐标测量机，设备精度为(0.5+L/1000) μm，考虑读数误差，得到测量误差小于0.005mm；基于AT-600B2 数控车床的加工精度为0.008mm，切削刀具选用碳化钨硬质合金YD15，计算的加工误差小于0.025mm；基于热处理获得的工件的变形误差小于0.01mm；按照误差分配值计算总误差为：
通过计算，模具制造的型面精度满足0.03mm的要求；
碳纤维卡具模具在机加工完成后，在XCEL9129三坐标测量机上测量型面精度，经计算处理δ＝0.028mm，X＝-0.005mm，即碳纤维卡具模具精度满足设计要求。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明在针对采用P20合金钢材料制造的碳纤维卡具模具时，为了满足加工精度要求，提出一种新的碳纤维卡具模具加工工艺方法，新的模具加工技术、加工设备以及加工用的刀具，解决了因P20合金钢材料性质导致切削性能下降和刀具磨损大的问题，实现了高精度加工，使碳纤维卡具模具精度满足设计要求；第二，本发明除用于解决碳纤维卡具模具加工精度问题，还可以推广至其他碳纤维制品模具的加工上；第三，本发明在采用P20 合金钢制造碳纤维卡具模具中，编制了新的碳纤维卡具模具加工工艺流程，选用了新的数控车床，选用了耐热性好、耐磨性高、抗氧化性、粘附性低的碳化钨硬质合金YD15刀具，制定合理的切削加工工艺以及热处理工艺；第四，本发明在推广至其他碳纤维制品模具的加工上时，要考虑切削速度的问题；本发明从整体上彻底解决了由于模具的结构复杂、碳纤维卡具加工精度要求高，以常规的模具加工技术和加工设备对P20合金钢的加工达不到所要求的精度，而且很大可能会造成切削性能下降和刀具磨损大，制造加工难度很大的技术问题。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
根据碳纤维卡具的结构特点和成型方法(高温模压成型)，碳纤维卡具模具采用了组合结构。碳纤维卡具模具的型面设计精度要求小于0.03mm，碳纤维卡具模具型面表面粗糙度Ra要求等于0.8μm。
通过对碳纤维卡具模具材料的特性和加工工艺性分析，本发明提出一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：模具毛坯制备；
步骤SS2：热处理：淬火、回火；
步骤SS3：数控车床进行粗车加工：加工粗基准、端面；
步骤SS4：数控车床进行车削加工：加工端面、型面；
步骤SS5：热处理进行消除内应力；
步骤SS6：数控车床进行精车加工：加工型面；
步骤SS7：型面抛光；
步骤SS8：时效处理；
步骤SS9：镗四周、面各孔；
步骤SS10：误差检验是否符合设计要求，完成碳纤维卡具模具的成品制作。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1具体包括：模具毛坯采用 P20合金钢自由锻造而成，锻造毛坯不允许有裂纹、过烧等缺陷；毛坯机加工单边余量为10mm，为保证毛坯质量，使用超声波探伤测定 P20合金钢锻件内部缺陷。
作为一种较佳的实施例，为保证加工精度，所述数控车床选用 AT-600B2数控车床，加工精度为0.008mm。
作为一种较佳的实施例，由于P20合金钢的硬度不高，但韧性却很高，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。所以在刀具选择上，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YD15作为切削刀具材料；碳纤维卡具模具在车削加工时，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削和刀具不易粘结，因此切削刀具的刀具参数为：刀具前角γ0＝12°～30°，刀具后角α0＝8°～10°，刀具刃倾角λs＝-2°～-6°。
作为一种较佳的实施例，所述切削刀具的加工工艺参数为：切削速度不宜过高，以降低切削温度，切削速度为0.7～1m/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，进给量为0.5～1mm/r。
作为一种较佳的实施例，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；为保证表面光洁度，所述步骤SS6中的数控车床进行精车加工型面的切削刀具的加工工艺参数为：切削速度为1.8m/s，进给量为0.05mm/r。
P20合金钢为单相奥氏体合金，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度。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2中的所述淬火、回火具体包括：在模具毛坯自由锻造后，进行淬火和回火处理；淬火温度为 830℃，保温30min，水淬，使合金成分均匀化；然后进行回火处理，回火温度315℃，保温60min，消除固溶处理的应力。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS5中的热处理消除内应力具体包括：回火热处理，回火温度315℃，保温60min，空冷。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS8中的时效处理具体包括：时效温度190℃，保温48h，缓慢冷却到室温。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS10具体包括：碳纤维卡具模具的检测采用XCEL9129三坐标测量机，设备精度为(0.5+L/1000) μm，考虑读数误差，得到测量误差小于0.005mm；基于AT-600B2 数控车床的加工精度为0.008mm，切削刀具选用碳化钨硬质合金YD15，计算的加工误差小于0.025mm；基于热处理获得的工件的变形误差小于0.01mm；按照误差分配值计算总误差为：
通过计算，模具制造的型面精度满足0.03mm的要求；
碳纤维卡具模具在机加工完成后，在XCEL9129三坐标测量机上测量型面精度，经计算处理δ＝0.028mm，X＝-0.005mm，即碳纤维卡具模具精度满足设计要求。
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误差。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。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。由于选用了AT-600B2数控车床，其加工精度为0.008mm，刀具选用碳化钨硬质合金(YD15)，而且编制了合理的切削加工工艺，所以计算得加工误差小于0.025mm。工件变形误差主要由热处理工艺引起，由于制定了合理的热处理工艺，稳定了工件内部组织。同时通过改善切削性能等措施控制了工件变形。但考虑到工件较大，所以计算得工件变形误差小于0.01mm。而对于测量误差，由于选用了美国产 XCEL9129三坐标测量机，该设备精度为(0.5+L/1000)μm，考虑其读数误差，得到测量误差小于0.005mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：模具毛坯制备；
步骤SS2：热处理：淬火、回火；
步骤SS3：数控车床进行粗车加工：加工粗基准、端面；
步骤SS4：数控车床进行车削加工：加工端面、型面；
步骤SS5：热处理进行消除内应力；
步骤SS6：数控车床进行精车加工：加工型面；
步骤SS7：型面抛光；
步骤SS8：时效处理；
步骤SS9：镗四周、面各孔；
步骤SS10：误差检验是否符合设计要求，完成碳纤维卡具模具的成品制作。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS1具体包括：模具毛坯采用P20合金钢自由锻造而成，毛坯机加工单边余量为10mm，使用超声波探伤测定P20合金钢锻件内部缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述数控车床选用AT-600B2数控车床，加工精度为0.008mm。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述数控车床的切削刀具材料选用碳化钨硬质合金YD15；所述切削刀具的刀具参数为：刀具前角γ0＝12°～30°，刀具后角α0＝8°～10°，刀具刃倾角λs＝-2°～-6°。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述切削刀具的加工工艺参数为：切削速度为0.7～1m/s，进给量为0.5～1mm/r。
6.根据权利要求4所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS6中的数控车床进行精车加工型面的切削刀具的加工工艺参数为：切削速度为1.8m/s，进给量为0.05mm/r。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS2中的所述淬火、回火具体包括：在模具毛坯自由锻造后，进行淬火和回火处理；淬火温度为830℃，保温30min，水淬，使合金成分均匀化；然后进行回火处理，回火温度315℃，保温60min，消除固溶处理的应力。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS5中的热处理消除内应力具体包括：回火热处理，回火温度315℃，保温60min，空冷。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS8中的时效处理具体包括：时效温度190℃，保温48h，缓慢冷却到室温。
10.根据权利要求1所述的一种碳纤维卡具模具的制作方法，其特征在于，所述步骤SS10具体包括：碳纤维卡具模具的检测采用XCEL9129三坐标测量机，设备精度为(0.5+L/1000)μm，考虑读数误差，得到测量误差小于0.005mm；基于AT-600B2数控车床的加工精度为0.008mm，切削刀具选用碳化钨硬质合金YD15，计算的加工误差小于0.025mm；基于热处理获得的工件的变形误差小于0.01mm；按照误差分配值计算总误差为：
通过计算，模具制造的型面精度满足0.03mm的要求；
碳纤维卡具模具在机加工完成后，在XCEL9129三坐标测量机上测量型面精度，经计算处理δ＝0.028mm，X＝-0.005mm，即碳纤维卡具模具精度满足设计要求。
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