鉆齒模具的優(yōu)化設計

■ 自貢長城裝備技術(shù)有限責任公司 （四川自貢 643000） 陽金焜 范 昆 蔡 斌

礦用鉆齒需裝配在鉆頭本體內(nèi)，鉆齒外圓與鉆頭本體過盈配合，將鉆齒底部設計為裝配過程中的精確導向部位。近幾年用模單位對模具的要求越來越高，不僅要求成本低廉，同時要求提供模具的生產(chǎn)周期越來越短。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，在不改變壓制工藝的基礎上，改進鉆齒模具的結(jié)構(gòu)并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，從而滿足用模單位的需求。

1. 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，使鉆齒在高強度工作狀態(tài)下不會從鉆頭本體上脫落。鉆齒導向錐的長度為2.5mm。該鉆齒產(chǎn)品的導向錐部分具有錐度小、導向段長度短的特點。

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DORST自動壓力機壓制完成，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，則會影響下沖頭的使用壽命，并且造成產(chǎn)品在下沖過程中脫模困難，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備加工出大內(nèi)孔和錐體部分，再在模具拋光機上將電脈沖加工出的型腔表面拋光，達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。通過反復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，無需使用數(shù)控電火花和模體拋光機加工，因此也無需制作電火花設備所需的電極。在分體模腔組裝時，為了避免熱鑲時上、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 改進前的鉆齒模具

2. 具體設計思路

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)：將整體式改進成分體式，取消電脈沖和拋光工序，在分體模腔的對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計在模腔內(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上拋光成形面，工藝成本高，制作周期長。為了解決這個問題，設計了分體式模腔結(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。同時需保證上、下成形模腔的內(nèi)、外圓同軸度，便于模腔壓裝進模體中。此模腔加工工藝無需再在電脈沖設備、拋光機上加工，也不需要制作電脈沖加工時使用的電極。該技術(shù)方案的改進實施，可使鉆齒模具的生產(chǎn)周期縮短1/3，加工成本只需原來的1/2，經(jīng)濟效益顯著。

（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，模腔與模體為過盈配合，過盈量控制在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)，無需外力壓入，待模體冷卻至室溫時，內(nèi)孔收縮將合金模腔緊緊抱死，達到熱鑲的目的。但是模腔為上、下兩段組合時，采用熱鑲工藝會導致上、下兩段模腔接觸的端面在模體冷卻收縮時有向外端回彈的現(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，在熱鑲時施加外力，即在模體加熱后分別套入合金模腔，此時在合金模腔外端面施加壓力，一般使用5t手壓機即可完成，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。同時對合金模腔端面結(jié)構(gòu)進行優(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，未見有毛刺現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖3 改進后的鉆齒模具

3. 結(jié)語

優(yōu)化的鉆齒模具及相關(guān)加工工藝具有兩個特點：①鉆齒模具內(nèi)部鑲套的合金模腔改進成分體式結(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空刀部分。在鋼件模體降溫收縮時，通過上、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，同時保證模具內(nèi)應力均勻，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，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。實踐證明，改進后的鉆齒模具成本低、周期短且壽命長，適用于模腔內(nèi)孔帶有倒角的鉆齒產(chǎn)品的壓制成形。