結(jié)合硬質(zhì)合金鉆齒模體設(shè)計(jì)改進(jìn)的成功實(shí)例，介紹了為提高效率、縮短模具生產(chǎn)周期和降低模具成本對(duì)鉆齒模體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)成形模體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原來(lái)電加工成形的工藝調(diào)整在精磨工藝上完成。實(shí)踐結(jié)果表明：該模體的優(yōu)化改進(jìn)縮短了模具生產(chǎn)周期，提高了模具的使用壽命，同時(shí)降低了制造成本，對(duì)類(lèi)似的外圓帶倒角產(chǎn)品模壓成形模具的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)借鑒意義。
礦用鉆齒需裝配在鉆頭本體內(nèi)，鉆齒外圓與鉆頭本體過(guò)盈配合，將鉆齒底部設(shè)計(jì)為裝配過(guò)程中的精確導(dǎo)向部位。近幾年用模單位對(duì)模具的要求越來(lái)越高，不僅要求成本低廉，同時(shí)要求提供模具的生產(chǎn)周期越來(lái)越短。為了解決公司快速發(fā)展與模具成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)之間的矛盾，技術(shù)人員以縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本為目標(biāo)，在不改變壓制工藝的基礎(chǔ)上，改進(jìn)鉆齒模具的結(jié)構(gòu)并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，從而滿足用模單位的需求。
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礦用鉆齒介紹
如圖1所示，該產(chǎn)品的外圓下端帶有18°的導(dǎo)向錐，有利于合金鉆齒產(chǎn)品順暢地壓入鉆頭本體中并與鉆頭緊密配合，使鉆齒在高強(qiáng)度工作狀態(tài)下不會(huì)從鉆頭本體上脫落。鉆齒導(dǎo)向錐的長(zhǎng)度為2.5mm。該鉆齒產(chǎn)品的導(dǎo)向錐部分具有錐度小、導(dǎo)向段長(zhǎng)度短的特點(diǎn)。
圖1 礦用鉆齒
該鉆齒產(chǎn)品的硬質(zhì)合金粉末壓制品通過(guò)DORST自動(dòng)壓力機(jī)壓制完成，模具采用上下壓制（沿高度方向）成形，模具為一件上沖、一件下沖和一件模體的結(jié)構(gòu)模式。上沖頭將產(chǎn)品的頂部球冠部分帶出。產(chǎn)品錐度部分如果由下沖帶出，則會(huì)影響下沖頭的使用壽命，并且造成產(chǎn)品在下沖過(guò)程中脫模困難，因此錐度部分由模體內(nèi)型腔帶出角度。如圖2所示，模具在內(nèi)型腔上加工小角度的錐體部分，小內(nèi)孔加工完成后由電脈沖設(shè)備加工出大內(nèi)孔和錐體部分，再在模具拋光機(jī)上將電脈沖加工出的型腔表面拋光，達(dá)到模壓所需的表面粗糙度要求。
上述工藝的模具制造成本高，模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)。通過(guò)反復(fù)分析研究模具的加工及使用，我們突破以往的傳統(tǒng)工藝，采用分體式模腔代替整體模腔：將模腔分成上、下兩段，倒角的錐體部分置于下模腔中。此結(jié)構(gòu)可將模腔部分的加工工序全部放在磨床上完成，無(wú)需使用數(shù)控電火花和模體拋光機(jī)加工，因此也無(wú)需制作電火花設(shè)備所需的電極。在分體模腔組裝時(shí)，為了避免熱鑲時(shí)上、下模腔因回彈產(chǎn)生的不貼合，壓裝后采用在施加外力狀態(tài)下緩冷至室溫的措施，并加工出空刀端，減少端面的接觸。此生產(chǎn)工藝的加工周期明顯縮短，生產(chǎn)成本比之前低了一半以上。
圖2 改進(jìn)前的鉆齒模具
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具體設(shè)計(jì)思路
鉆齒模具的結(jié)構(gòu)決定了工藝路線，在保證使用功能的前提下，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)：將整體式改進(jìn)成分體式，取消電脈沖和拋光工序，在分體模腔的對(duì)接上采用施壓熱鑲法。
（1）鉆齒模具結(jié)構(gòu)分析 將產(chǎn)品小角度錐體部分設(shè)計(jì)在模腔內(nèi)成形是合理的，原模腔是整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的18°倒角面和大內(nèi)孔由電脈沖加工完成，需制作電脈沖加工使用的電極，電脈沖完成后再在拋光機(jī)上拋光成形面，工藝成本高，制作周期長(zhǎng)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分體式模腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示，倒角的上端面作為分模線，將模腔分成上、下兩段，這樣就能使用精密磨床加工合金模腔的內(nèi)、外圓：精加工成形內(nèi)孔、小角度面及外圓，將最大與最小尺寸的差異控制在0.005mm以內(nèi)，保證上、下兩段模腔外圓尺寸的一致性。通常是一次性加工外圓后再切斷成兩部分，這樣更容易控制外圓的一致性。同時(shí)需保證上、下成形模腔的內(nèi)、外圓同軸度，便于模腔壓裝進(jìn)模體中。此模腔加工工藝無(wú)需再在電脈沖設(shè)備、拋光機(jī)上加工，也不需要制作電脈沖加工時(shí)使用的電極。該技術(shù)方案的改進(jìn)實(shí)施，可使鉆齒模具的生產(chǎn)周期縮短1/3，加工成本只需原來(lái)的1/2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
圖3 改進(jìn)后的鉆齒模具
（ 2 ） 模腔壓入模體的控制 為提高模具的使用壽命，模腔采用硬質(zhì)合金材料。加工工藝中需要將模腔壓入到模體中，模腔與模體為過(guò)盈配合，過(guò)盈量控制在0.03～0.05mm。壓裝工藝采用熱鑲：將模體加熱至200～250℃，恒溫5～8min，此時(shí)鋼件材質(zhì)的模體受熱膨脹，內(nèi)孔增大，合金模腔直接放入模體內(nèi)，無(wú)需外力壓入，待模體冷卻至室溫時(shí)，內(nèi)孔收縮將合金模腔緊緊抱死，達(dá)到熱鑲的目的。但是模腔為上、下兩段組合時(shí)，采用熱鑲工藝會(huì)導(dǎo)致上、下兩段模腔接觸的端面在模體冷卻收縮時(shí)有向外端回彈的現(xiàn)象，造成上、下端面貼合不緊密，壓制的鉆齒產(chǎn)品在倒角邊緣產(chǎn)生毛刺。為解決這種缺陷，在熱鑲時(shí)施加外力，即在模體加熱后分別套入合金模腔，此時(shí)在合金模腔外端面施加壓力，一般使用5t手壓機(jī)即可完成，直到模體冷卻至室溫后才解除外壓力，如此可抵消合金模腔套的回彈力。同時(shí)對(duì)合金模腔端面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加端面空刀部分，使上、下模腔的接觸面減小，端面回彈力減小。端面空刀部分的空間還能收存熱鑲中不能及時(shí)排除的空氣。施壓式熱鑲方法合金模腔連接處的縫隙很小，在20倍顯微鏡下觀察壓制的鉆齒產(chǎn)品的外圓倒角部分，未見(jiàn)有毛刺現(xiàn)象產(chǎn)生。
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結(jié)語(yǔ)
優(yōu)化的鉆齒模具及相關(guān)加工工藝具有兩個(gè)特點(diǎn)：①鉆齒模具內(nèi)部鑲套的合金模腔改進(jìn)成分體式結(jié)構(gòu)，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，縮短了模具的生產(chǎn)周期。②采用施壓式熱鑲方法并在上、下模腔的貼合面中增加一個(gè)空刀部分。在鋼件模體降溫收縮時(shí)，通過(guò)上、下模腔兩端施加壓力，控制模腔受壓向兩端的垂直位移，避免模具壓制的鉆齒產(chǎn)品出現(xiàn)毛刺邊， 同時(shí)保證模具內(nèi)應(yīng)力均勻，提高模具的使用壽命。
值得注意的是：① 為了保證模具的精度，精密磨削上、下模腔時(shí)，需控制好內(nèi)、外圓的同軸度。②需控制外圓尺寸的一致性。③上端模腔內(nèi)孔尺寸與下模腔倒角端尺寸的一致性是控制模具精度的關(guān)鍵。2018年我公司采用這種模具結(jié)構(gòu)生產(chǎn)了兩百多套鉆齒模具，不僅成本低，交貨期也得到了有效保證，受到用模單位的一致好評(píng)。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的鉆齒模具成本低、周期短且壽命長(zhǎng)，適用于模腔內(nèi)孔帶有倒角的鉆齒產(chǎn)品的壓制成形。
