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0 前言
目前，在国际上有两种模具制造路线:一是德国模具企业为代表，主张尽量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。二是日本模具企业，重视精饰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。新工艺的兴起，对传统的磨削方法提出了挑战并产生一定冲击，但磨床磨削具有自身的一些优势。磨削精度较高，对公差要求较严的加工非磨削莫属，磨削时可以在线测量，且加工时间可闭合循环，这种方法在其它机床上难以实现。而最重要的一点是层出不穷的新材料替代了许多传统的材料，而磨削是加工这类新型材料的好方法。
故尽管在现代模具生产中采用了先进的、高效、高精度机床和自动化生产技术，磨削加工工作量仍占模具总工作量(按工时计)的25%～45%。然而在磨削加工中，由于磨削加工缺陷的存在，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及磨削应力等，成为后续工序及模具在服役期间的机械疲劳、冷热疲劳裂纹的萌生源，严重影响了模具的使用寿命。本文就模具制造过程中磨削加工质量及其对模具寿命的影响进行研究和探讨，通过改善磨削加工质量，发展磨削新技术，延长模具服役时间，提高模具使用寿命。
1 磨削加工
根据模具零件的外观形状不同，工艺过程大致为:粗加工→热处理(淬火、调质)→精磨→电加工→钳工(表面处理)→组配加工。
1.1 磨削加工的特点
磨削的全过程表现为力和热的作用。磨削时砂轮与工件间发生摩擦作用和切削作用，在砂轮和工件上分别作用着大小相等、方向相反的力，这种相互作用的力称为磨削力。磨削时由于摩擦和切削，产生的热量传入砂轮、磨屑或被切削液带走，然而砂轮是热的不良导体，因此几乎80%的热量传入工件和磨屑，磨削区域的瞬间温度可达1000℃的高温而烧伤工件的表层。故磨削时特别注意冷却液对工件的冷却，减小磨削过程中的摩擦，降低磨削热，保证零件加工的质量。
1.2 磨削加工缺陷分析
由于磨削和热处理工艺不合理，磨削后，引起工件表面退火、烧伤、磨削裂纹和残余应力，模具在循环载荷作用下，微裂纹扩张，最后导致疲劳失效。如磨削速度过快引起金属烧伤；用钝的或重载砂轮磨削或使用过细的砂轮和冷却剂使用不当引发磨削裂纹等。
1.2.1 磨削烧伤的主要原因
工件在磨削时产生磨削热，在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温，使工件表层金相组织局部发生变化，并在某些部分出现变色现象即磨削烧伤。故引起模具磨削烧伤的主要原因是磨削热，而影响磨削热的因素很多，如磨削工艺系统的刚性不足，磨床工作台进给运动不均匀，工件加工余量的不均匀，砂轮的特性及其磨损程度等等，将引起砂轮与工件之间产生振动，加工时径向进给量过大，砂轮与工件接触区增加，都会影响切削区的温度。
1.2.2 磨削裂纹的主要原因
图1 磨削裂纹
图2 型腔尖角处磨削裂纹
淬火零件在磨削加工后出现很细很浅的裂纹，称为磨削裂纹，如图1、2所示。
磨削裂纹多与磨削方向垂直，有时也呈网状，或称龟裂。其深度在0.03mm以内。细小的磨削裂纹难于用肉眼观察，需用磁粉探伤或稀硝酸冷侵蚀才能显示。这些磨削裂纹即使可以通过轻磨予以去除，但危害犹存，常导致模具在服役中早期失效。模具热处理后磨削裂纹的产生和模具的材质、热处理后的马氏体晶粒度和残余奥氏体量、回火后的残余应力、磨削加工工艺等有关。
(1)模具材质的影响。模具材料中存在着严重的碳化物偏析，特别是高碳钢(Cr12等)模具钢中网状碳化物、带状碳化物、块状碳化物等，破坏了基体组织的连续性，磨削时最易导致磨削裂纹的出现。
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-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500～1000MPa)，如果超过材料的屈服极限时，便产生磨削裂纹。
(2)材料热处理工艺的影响。模具钢淬火温度过高会增加钢中马氏体针的长度，降低了材料的强韧性，增加了材料的脆性。另外，由于淬火温度过高，增大了淬火内应力，导致模具磨削时出现裂纹。模具淬火后残余奥氏体过多，在磨削加工时，由于砂轮和工件剧烈摩擦而产生大量热，使模具表面温度升高，促使残余奥氏体向马氏体转变，产生较大的组织应力，产生磨削裂纹。
(3)回火后的残余应力的影响。模具经热处理淬火后未立即回火，淬火温度过高，有网状碳化物，回火后未回火马氏体或残余奥氏体过多，在磨削时都会产生相变，产生应力使工件表层产生裂纹。模具淬火、回火后残余应力越大，经过磨削时，残余应力和磨削应力迭加值越大，当迭加应力超过材料的强度极限时，模具磨削表面即出现裂纹。
(4)磨削工艺不当引起磨削裂纹。模具在磨削加工时，砂轮的砂粒刃口与工件进行摩擦切削，磨削时进给量越大，刃口切削能力越差，则残留切削应力越大；另外，砂轮与模具剧烈摩擦会产生大量热，砂轮硬度越高，磨削速度越快，产生的热量越大，当急剧冷却时，就会产生磨削热应力，温升越高，热应力越大。由于模具表层温度升高到临界点以上，淬火后的组织也会发生转变，又会产生组织应力，多种应力综合超过模具材料强度极限，便会引起模具表层产生磨削裂纹。
2 减少磨削加工缺陷的措施
表面烧伤和产生磨削裂纹是影响模具寿命的主要原因。为了减少磨削引起工件表面退火、烧伤、磨削裂纹和残余应力等缺陷，应针对产生缺陷的原因，有的放矢。
2.1 磨削烧伤缺陷的对策
防止磨削烧伤，主要是在磨削加工过程中减少热量的产生，加速磨削热的传出，保证零件加工的质量。
(1)提高磨床工作台进给系统的稳定性，保证轴承接触刚度，减小砂轮与工件之间的振动，可以避免磨削烧伤。
(2)提高工件速度，减少径向进给量，减少砂轮和工件的接触面积，或者减小工件的磨削余量，并在去除余量后，进行无进给空磨几次，可以防止磨削烧伤。
(3)合理选择和修整砂轮，防止磨削烧伤。粗粒度、低硬度的砂轮自砺性好，可降低切削热。选用粗粒度砂轮比细粒度砂轮的切削力强，产生的切削热少。能自砺的砂轮，使砂轮始终保持锋利状态，防止砂轮在工件表面滑擦、挤压而造成工件表面烧伤；对高钒高钼模钢，选用GD单晶刚玉砂轮比较适用，当加工硬质合金、淬火硬度高的材质时，优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮，有机粘结剂砂轮自砺性好，磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm。近年来，CBN砂轮即立方氮化硼砂轮在数控成型磨、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工，效果优于其它种类砂轮，显示出良好的加工效果。
(4)合理使用冷却润滑液，发挥切削液的冷却、洗涤、润滑作用，保持冷却润滑清洁，从而控制磨削热的增加，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。
2.2 磨削裂纹缺陷的对策
根据模具磨削裂纹产生的原因，应采取以下预防措施。
(1)合理选材，确保模具钢材料组织成分合格。
马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量增加而增大，故碳素工具钢(T8以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。对碳化物严重偏析的材料应进行合理锻造，并进行锻后球化退火或利用锻造余热淬火加高温回火。对无法进行锻造的高碳模具钢材料可进行固溶双细化处理。当零件硬度和表面外观质量均要求较高时，可选用如1Cr13、16Mn等钢种。对于零件表面外观质量要求较高，而又是急件时，在时间上不允许自然时效1～2个月(出炉后的零件)；或者因磨削工艺方面受到限制，如砂轮、磨床等因素而无法粗精磨；或者由于车间工作环境，不便于采用干磨法等，这时可选用含碳量低的1Cr13、40Cr等钢种。
滚丝模的碳化物不均匀度为5～6级时，最多滚丝2000件；而碳化物不均匀度提高到1～2级时，可滚丝550000件。如果碳化物偏析严重，可能引起过热、过烧、开裂、崩刃、塌陷、拉断等早期失效现象。7CrSiMnMoV火焰淬火钢，具有良好的渗碳、硼处理性能，淬火温度宽，淬透性好，强韧性好，能抑制裂纹。作冷冲压件模具、冷挤压件模具，可取代T10A、Cr12Mov、Cr12等。
(2)模具淬火时应采用正确的热处理工艺规范，防止加热温度过高，尽可能采用硝盐分级淬火。如模具钢6CrNiSiMnMoV热处理工艺:盐浴加热(900±10)℃，硝盐分级，硬度为HRC63，回火:250℃下回火2h，硬度HRC60，无任何热处理裂缝及磨削裂纹。
(3)模具经淬火冷却完后应及时回火。磨削开裂是在磨削淬火工件时，磨削热将表面淬过火的组织进行了回火，使之产生收缩而造成开裂。所以，作为防止磨削开裂的主要方法是在磨削淬火件之前，保证工件硬度条件下，在300℃以下充分回火。
如Cr12钢制定子冲槽凹模，采用不同的热处理工艺(淬火后不及时回火，或回火不充分，甚至不回火)，模具在磨削时将极易产生磨削裂纹，且模具淬火时油冷与采用硝盐分级淬火产生裂纹情况大不一样。淬火油冷产生裂纹的可能性要大，见表1。
(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，其组织产生相变极易使工件产生裂纹。刚出炉的工件，必须待工件自然冷却后(冷却到常温)才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，最好让工件自然时效1～2个月，消除应力后再进行磨削，这也会收到很好的效果。对碳素工具钢，200℃回火1h，残余应力能消除约50%，回火2h，残余应力能消除约75%。
(5)消除磨削应力。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。可将模具在260～315℃的盐浴中浸115min，然后在30℃油中冷却，这样硬度可下降HRC1，而残留应力降低40%～65%。
(6)改善磨削加工工艺。要控制模具有磨削加工余量，不保留太多磨削余量。粗磨选用粒度较粗的软砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率，然后再用粒度细的砂轮进行精磨(背吃刀量较浅)。平磨选择M7130，圆磨选M1431，及时修正砂轮，控制好进刀量，粗磨应≤0.05mm，精磨应≤0.02mm，采用单晶刚玉砂轮或碳化硅砂轮。选用粒度较为锋利的砂轮。
PA36～46K能及时清除表面积屑，减少背吃刀量，增加走刀(磨削)次数，减小工作台速度，取值不大于1～2m/min，也是一种有效的减少磨削裂纹的途径。模腔表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位，也是早期裂纹和疲劳裂纹源，因此在模具加工时一定要刃磨好刀具。平面刀具两端一定要刃磨好圆角R，圆弧刀具刃磨时要用R规测量(或圆弧样板)。在精加工时走刀量要小，不允许出现刀痕。对于复杂模腔一定要留足打磨余量，即使加工后没有刀痕，都要由钳工用气动砂轮打磨抛光。但要注意防止打磨时局部过热烧伤表面和降低表面硬度。如用砂轮速度为30m/s对淬火工具(冲压模凸模)所作的试验表明，当磨削深度ae=0.025mm时磨削热较低，在ae=0.050mm时磨削热较高，ae=0.0750mm时磨削热更高。因为机床工件(凸模)砂轮系统有弹性，实际的磨削厚度决定于径向磨削力Fr。又实验表明，在一定条件下，当径向磨削力Fr达到某一定值后，磨削热明显上升，当径向磨削力Fr继续增加超过某一定值后，磨削热达到最大值，磨削裂纹不可避免。
(7)磨削过程中应冷却充分。对CrWMn钢冷挤凹模采用干磨，磨削深度为0.04～0.05mm时，使用中100%开裂。采用湿磨，磨削深度0.005～0.01mm时，使用性能良好。
(8)在模具边缘倒角，在螺钉、销钉孔头部扩孔，能减少这些部位裂纹产生。
(9)有磨削裂纹产生后，可用单晶刚玉砂轮控制好小的进刀量，继续磨削，将裂纹磨掉。
3 发展磨削新技术，提高模具寿命
在磨削加工中，造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及磨削应力等缺陷的原因很多，模具在服役过程中也可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互促进，各自发展，直到用模具生产出来的产品为废品，导致模具失效。故在实践中，不但要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。关键是要采用先进的磨削技术，改善磨削质量，提高模具使用寿命。
(1)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、烧伤等到现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm。
(2)德国BLOHM公司磨加工中心采用连续修整技术，在砂轮上方装有修整滚轮，在磨削加工的同时，用金刚石滚轮修整砂轮，从而使砂轮始终处于锐利状态，以提高磨削精度。采用连续修整方法还可防止因砂粒磨损而产生的磨削力，也不易烧伤。
(3)开发传统切削液的替代品。将液氮作为切削液直接喷射到切削区，液氮可显著降低磨削区温度，减少磨削烧伤。日本学者研制的间接利用液氮喷气冷却磨削系统，利用液氮冷却过的超低温(-50℃以下)气体直接喷吹于磨削部位，砂轮为经固体润滑剂处理或添加了极少量超精植物油的CBN砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大，且残余应力的分布区域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。
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