研磨与抛光

研磨与抛光

第5章模具的研磨与抛光

模具的研磨与抛光是以降低零件表面粗糙度，提高表面形状精度和增加表面光泽为主要目的，属光整加工，可归为磨削工艺大类。他们研磨与抛光在工作成形理论上很相似，一般用于产品、零件的最终加工。

现代模具成形表面的精度和表面粗糙度要求越来越高，特别是高精度、高寿命的模具要求到μm级的精度。一般的磨削表面不可避免要留下磨痕、微裂纹等缺陷，这些缺陷对一些模具的精度影响很大，其成形表面一部分可采用超精密磨削加工达到设计要求，但大多数异型和高精度表面大都要进行研磨与抛光加工。

对冲压模具来讲，模具经研磨与抛光后，改善了模具的表面粗糙度，利于板料的流动，减小流动阻力，极大地提高了成形零件的表面质量，特别是对于汽车外覆盖件尤为明显。经研磨刃口后的冲裁模具，可消除模具刃口的磨削伤痕，使冲裁件毛刺高度减少。

塑料模具型腔研磨、抛光后，极大地提高型腔表面质量，提高成形性能，满足塑件成型质量

的要求、塑件易于脱模。浇注系统经研磨、抛光后，可降低注射时塑料的流动阻力。另外研磨与抛光可提高模具接合面精度，防止树脂渗漏，防止出现沾粘等。

电火花成型的模具表面会有一层薄薄的变质层，变质层上许多缺陷需要用研磨与抛光去处。另外研磨与抛光还可改善模具表面的力学性能，减少应力集中，增加型面的疲劳强度。

5.1模具的研磨

5.1.1研磨的基本原理与分类

研磨是一种微量加工的工艺方法，研磨借助于研具与研磨剂（一种游离的磨料），在工件的被加工表面和研具之间上产生相对运动，并施以一定的压力，从工件上去除微小的表面凸起层, 以获得很低的表面粗糙度和很高的尺寸精度、几何形状精度等，在模具制造中，特别是产品外观质量要求较高的精密压铸模、塑料模、汽车覆盖件模具应用广泛。

1.研磨的基本原理

1）物理作用研磨时，研具的研磨面上均

匀地涂有研磨剂，若研

具材料的硬度低于工件，当研具和工件在压力作用下做相对运动时，研磨剂中具有尖锐棱角和高硬度的微粒，有些会被压嵌入研具表面上产生切削作用（塑性变形），有些则在研具和工件表面间滚动或滑动产生滑擦（弹性变形）。这些微粒如同无数的切削刀刃，对工件表面产生微量的切削作用，并均匀地从工件表面切去一层极薄的金属，图5.1.1所示为研磨加工模型。同时，钝化了的磨粒在研磨压力的作用下，通过挤压被加工表面的峰点，使被加工表面产生微挤压塑性变形，从而使工件逐渐得到高的尺寸精度和低的表面粗糙度。图 5.1.1 研磨加工模型

2）化学作用而当采用氧化铬、硬脂酸等研磨剂时，在研磨过程中研磨剂和工件的被加工表面上产生化学作用，生成一层极薄的氧化膜，氧化膜很容易被磨掉。研磨的过程就是氧化膜的不断生成和擦除的过程，如此多次循环反复，使被加工表面的粗糙度降低。

2.研磨的应用特点

1）表面粗糙度低研磨属于微量进给磨削，切削深度小，有利于降低工件表面粗糙度值。

加工表面粗糙度可达Ra0 .01μm。

2）尺寸精度高研磨采用极细的微粉磨料，机床、研具和工件处于弹性浮动工作状态，在低速、低压作用下，逐次磨去被加工表面的凸峰点，加工精度可达0 .1μm～0 .01μm。

3）形状精度高研磨时，工件基本处于自由状态，受力均匀，运动平稳，且运动精度不影响形位精度。加工圆柱体的圆柱度可达0 .1μm。

4）改善工件表面力学性能研磨的切削热量小，工件变形小，变质层薄，表面不会出现微裂纹。同时能降低表面磨擦系数，提高耐磨和耐腐蚀性。研磨零件表层存在残余压应力，这种应力有利于提高工件表面的疲劳强度。

5）研具的要求不高研磨所用研具与设备一般比较简单，不要求具有极高的精度；但研具材料一般比工件软，研磨中会受到磨损，应注意及时修整与更换。

3.研磨的分类

（1）按研磨工艺的自动化程度

1）手动研磨工件、研具的相对运动，均用手动操作。加工质量依赖于操作者的技能水平，劳动强度大，工作效率低。适用于各类金属、

非金属工件的各种表面。模具成形零件上的局部窄缝、狭槽、深孔、盲孔和死角等部位，仍然以手工研磨为主。

2）半机械研磨工件和研具之一采用简单的机械运动，另一采用手工操作。加工质量仍与操作者技能有关，劳动强度降低。主要用于工件内、外圆柱面，平面及圆锥面的研磨。模具零件研磨时常用。

3）机械研磨工件、研具的运动均采用机械运动。加工质量靠机械设备保证，工作效率比较高。但只能适用于表面形状不太复杂等零件的研磨。

（2）按研磨剂的使用条件

1）湿研磨研磨过程中将研磨剂涂抹于研具表面，磨料在研具和工件间随即地滚动或滑动，形成对工件表面的切削作用。加工效率较高，但加工表面的几何形状和尺寸精度及光泽度不如干研磨，多用于粗研和半精研平面与内外圆柱面。

2）干研磨在研磨之前，先将磨粒均匀地压嵌入研具工作表面一定深度，称为嵌砂。研磨过程中，研具与工件保持一定的压力，并按一定

的轨迹做相对运动，实现微切削作用，从而获得很高的尺寸精度和低的表面粗糙度。干研磨时，一般不加或仅涂微量的润滑研磨剂。一般用于精研平面，生产效率不高。

3）半干研磨采用糊状研磨膏，类似湿研磨。研磨时，根据工件加工精度和表面粗糙度的要求，适时地涂敷研磨膏。各类工件的粗、精研磨均适用。

5.1.2研磨工艺

1. 研磨工艺参数

（1）研磨压力

研磨压力是研磨表面单位面积上所承受的压力（Mpa）。在研磨过程中，随着工件表面粗糙度的不断降低，研具与工件表面接触面积在不断增大，则研磨压力逐渐减小。研磨时，研具与工件的接触压力应适当。若研磨压力过大，会加快研具的磨损，使研磨表明粗糙度增高，影响研磨质量；反之，若研磨压力过小，会使切削能力降低，影响研磨效率。

研磨压力的范围一般在（0.01～0.5）MPa。手工研磨时的研磨压力约为（0.01～0.2）Mpa；

精研时的研磨压力约为（0.01～0.05）Mpa；机械研磨时，压力一般为（0.01～0.3）MPa。当研磨压力在（0.04～0.2）MPa范围内时，对降低工件表面粗糙度收效显著。

（２）研磨速度

研磨速度是影响研磨质量和效率的重要因素之一。在一定范围内，研磨速度与研磨效率成正比。但研磨速度过高时，会产生较高的热量，甚至会烧伤工件表面，研具磨损加剧，从而影响加工精度。一般粗研磨时，宜用较高的压力和较低的速度；精研磨时则用较低的压力和较高的速度。这样可提高生产效率和加工表面质量。

选择研磨速度时，应考虑加工精度、工件材料、硬度、研磨面积和加工方式等多方面因素。一般研磨速度应在（10～150）m/min范围内选择，精研速度应在30m/min以下。手工粗研磨时，每分钟约为（40～60）次的往复运动；精研磨时约为每分钟（20～40）次的往复运动。

（３）研磨余量的确定

零件在研磨前的预加工质量与余量，将直接影响到研磨加工时的精度与质量。由于研磨加工只能研磨掉很薄的表面层。因此，零件在研磨前

的预加工，需有足够的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度。对表面积大或形状复杂且精度要求高的工件，研磨余量应取较大值。预加工的质量高，研磨量取较小值。研磨余量的大小还应结合工件的材质、尺寸精度、工艺条件及研磨效率等来确定。研磨余量尽量小，一般手工研磨不大于10μm，机械研磨也应小于15μm。

（４）研磨效率

研磨效率以每分钟研磨去除表面层的厚度来表示。工件表面的硬度越高，研磨效率越低。对于一般淬火钢为１μm／min，合金钢为0.3μm／min，超硬材料为0.1μm／min。通常在研磨的初期阶段，工件几何形状误差的消除和表面粗糙度的改善较快，而后则逐渐减慢，效率下降。这与所用磨料的粒度有关，磨粒粗，切削能力强，研磨效率高，但所得研磨表面质量低；磨粒细，切削能力弱，研磨效率低，但所得研磨表面质量高。因此，为提高研磨效率，选用磨料粒度时，应从粗到细，分级研磨，循序渐进地达到所要求的表面粗糙度

2．研具

研具既是研磨剂的载体，使游离的磨粒嵌入研

具工作表面发挥切削作用。磨粒磨钝時，由于磨粒自身部分碎裂或结合剂断裂，磨粒从研具上局部或完全脫落，而研具工作面上的磨料不断出現新的切削刃口，或不断露出新的磨粒，使研具在一定时间內能保持切削性能要求。同时研具又是研磨成形的工具，自身具有较高的几何形状精度，并将其按一定的方式传递到工件上。

（1）研具的材料

1）灰铸铁晶粒细小，具有良好的润滑性；硬度适中，磨耗低；研磨效果好；价廉易得，应用广泛。

2）球墨铸铁比一般铸铁容易嵌存磨料，可使磨粒嵌入牢固、均匀，同时能增加研具的耐用度，可获得高质量的研磨效果。

3）软钢韧性较好，强度较高；常用于制作小型研具。如研磨小孔、窄槽等。

4）各种有色金属及合金。如铜、黄铜、青铜、锡、铝、铅锡金等，材质较软，表面容易嵌入磨粒，适宜做软钢类工件的研具。

5）非金属材料。如木、竹、皮革、毛毡、纤维板、塑料、玻璃等。除玻璃以外，其他材料质地较软，磨粒易于嵌入，可获得良好的研磨效

果。

（2）研具种类

1）研磨平板用于研磨平面，有带槽和无槽两种类型。带槽的用于粗研，无槽的用于精研，模具零件上的小平面，常用自制的小平板进行研磨，如图5.1.2。

2）研磨环主要研磨外圆柱表面，如图5.1.3。研磨环的内径比工件的外径大（0.025～0.05）mm，当研磨环内径磨大时，可通过外径调解螺钉使调节圈的内径缩小。

3）研磨棒主要用于圆柱孔的研磨，分固定式和可调式两种，如图5.1.4。固定式研磨棒制造容易，但磨损后无法补偿。分有槽的和无槽的两种结构，有槽的用于粗研，无槽的用于精研。当研磨环的内孔和研磨棒的外圆做成圆椎形时，可用于研磨内外圆椎表面。

1-调节圈；2-外环；3-调节螺钉

图5.1.2研磨平板图5.1.3研磨环

5.1.4研磨棒

（3）研具硬度

研具是磨具大类里的一类特殊工艺装备，它的硬度定义仍沿用磨具硬度的定义。磨具硬度是指磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度，反映结合剂把持磨粒的强度。磨具硬度主要取决于接合剂加入量的多少和磨具的密度。磨粒容易脱落的表示磨具硬度低；反之，表示硬度高。研具硬度的等级一般分为超软﹑软﹑中软﹑中﹑中硬﹑硬和超硬7大級。从这些等级中还可再细分出若干小级。测定磨具硬度的方法﹐较常用的有手锥法、机械锥法、洛氏硬度計测定法和喷砂硬度计测定法。在研磨切削加工中，若被研工件的材质硬度高﹐一般选用硬度低的磨具；反之﹐則选用硬度高的磨具。

3.常用的研磨剂

研磨剂是由磨料、研磨液及辅料按一定比例配制而成的混合物。常用的研磨剂有液体和固体两大类。液体研磨剂由研磨粉、硬脂酸、煤油、汽

油、工业用甘油配制而成；固体研磨剂是指研磨膏，由磨料和无腐蚀性载体，如硬脂酸、肥皂片、凡士林配制而成。

磨料的选择一般要根据所要求的加工表面粗糙度来选择，从研磨加工的效率和质量来说，要求磨料的颗粒要均匀。粗研磨时，为了提高生产率，用较粗的粒度，如W28～W40；精研磨时，用较细的粒度如，如W5～W27；精细研磨时，用更细的粒度如，如W1～W3.5。

（1）磨料

磨料的种类很多，表5.1.1为常用的磨料种类及其应用范围。

表5.1.1常用的磨料及其应用范围

系列磨料名称颜色应用范围

氧化铝系棕刚玉棕褐色粗、精研钢、铸铁及青铜

白刚玉白色粗研淬火钢、高速钢及有色金属

铬钢玉紫红色研磨低粗糙度表面、各种钢件

单晶刚玉透明、无色研磨不锈钢等强度高、韧性大的工件

碳化物系黑色碳化硅黑色半透明研磨铸铁、黄铜、铝等材料

绿色碳化硅绿色半透明研磨硬质合金、硬铬、玻璃、陶瓷、石材等材料碳化硼灰黑色研磨硬质合金、陶瓷、人造宝石等高硬度材料

超硬磨料系天然金刚石灰色至黄白色研磨硬质合金、人造宝石、玻璃、陶瓷、半导体材料等高硬

度难加工材料

人造金刚石

立方氮化硼琥珀色研磨硬度高的淬火钢、高钒高钼高速钢、镍基合金钢等

软磨料系氧化铬深红色精细研磨或抛光钢、淬火钢、铸铁、光学玻璃及单晶硅等，

氧化铈的研磨抛光效率是氧化铁的1.5～2倍。

氧化铁铁红色

氧化铈土黄色

氧化镁白色

（2）研磨液

研磨液主要起润滑和冷却作用，他应具备有一定的黏度和稀释能力；表面张力要低；化学稳定性要好，对被研磨工件没有化学腐蚀作用；能与磨粒很好的混合，易于沉淀研磨脱落的粉尘和颗粒物；对操作者无害，易于清洗等。常用的研磨液有煤油、机油、工业用甘油、动物油等。；

此外研磨剂中还会用到一些在研磨时起到润滑、吸附等作用的混合脂辅助材料。

4.研磨机

研磨机是用塗上或嵌入磨料的研具对工件表面进行研磨的机床。主要用于研磨工件中的高精度平面﹑內外圆柱面﹑圆锥面﹑球面﹑螺纹面和其他型面。研磨机的主要类型有圆盘式研磨机﹑转轴式研磨机和各种专用研磨机。

（1）圆盘式研磨机

分单盘和双盘两种，以双盘研磨机应用最为普

遍。在双盘研磨机上，多个工件同时放入位于上﹑下研磨盘之間的保持架內，保持架和工件由偏心或行星机构带动作平面平行运动。下研磨盘旋转，与之平行的上研磨盘可以不转，或与下研磨盘反向旋转，并可上下移动以压紧工件(压力可调)。此外，上研磨盘还可随摇臂绕立柱转动一角度，以便装卸工件。双盘研磨机主要用与加工两平行面、一个平面(需增加压紧工件的附件)、外圆柱面和球面(采用带V形槽的研磨盘)等。加工外圆柱面时，因工件既要滑动又要滚动，须合理选择保持架孔槽型式和排列角度。单盘研磨机只有一个下研磨盘，用于研磨工件的下平面，可使形状和尺寸各异的工件同盘加工，研磨精度较高。有些研磨机还带有能在研磨过程中自动校正研磨盘的机构。

（2）转轴式研磨机

由正、反向旋转的主轴带动工件或研具(可调式研磨环或研磨棒)旋转，结构比较简单，用于研磨內﹑外圆柱面。

(3) 专用研磨机

依被研磨工件的不同，有中心孔研磨机、钢球研磨机和齿轮研磨机等。此外，还有一种采用类

似无心磨磨削原理的无心研磨机，用于研磨圆柱形工件。

5.2模具的抛光

抛光是利用柔性拋光工具和微细磨料颗粒或其他拋光介质对工件表面进行的修饰加工，去除前工序留下的加工痕迹（如：刀痕、磨纹、麻点、毛刺）。拋光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或鏡面光泽为目的。有時也用以消除光泽(消光处理)。抛光与研磨的机理是相同的，人们习惯上把使用硬质研具的加工称为研磨，而使用软质研具的加工称为抛光。

按照不同的抛光要求，抛光可分为普通抛光和精密抛光。

5.2.1抛光工具

抛光除可采用研磨工具外，还有适合快速降低表面粗糙度的专用抛光工具。

1.油石

用磨料和結合剂等压制烧结而成的条状固结磨具。油石在使用時通常要加油润滑，因而得

名。油石一般用于手工修磨零件，也可装夹在机床上進行珩磨和超精加工。油石有人造的和天然的两类，人造油石由于所用磨料不同有两种结构类型，图5.2.1。

1）用刚玉或碳化硅磨料和结合剂制成的无基体的油石，按其横断面形状可分为正方形、長方形、三角形、楔形、圆形和半圆形等；

2）用金刚石或立方氮化硼磨料和结合剂製成的有基体的油石，有長方形、三角形和弧形等。天然油石是選用质地细腻又具有研磨和拋光能力的天然石英岩加工成的，适用于手工精密修磨。

a)无基油石b)有基油石

图5.2.1油石的分类

2.砂纸

砂纸是由氧化铝或碳化硅等磨料与纸黏结而成，主要用于粗抛光，按颗粒大小常用的有

400#、600#、800#、1000#等磨料粒度。

3.研磨抛光膏

研磨抛光膏是由磨料和研磨液组成的，分硬磨料和软磨料两类。硬磨料研磨抛光膏中的磨料有氧化铝、碳化硅、碳化硼和金刚石等，常用粒度为200＃，240＃，W40等的磨粒和微粉；软磨料研磨抛光膏中含有油质活性物质，使用时可用煤油或汽油稀释。主要用于精抛光。

4.抛研液

它是用于超精加工的研磨材料，由W0.5～W5粒度的氧化铬和乳化液混合而成的。多用于外观要求极高的产品模具的抛光，如光学镜片模具等。

5.2.2抛光工艺

1．工艺顺序

首先了解被抛光零件的材料和热处理硬度，以及前道工序的加工方法和表面粗糙度情况，检查被抛光表面有无划伤和压痕，明确工件最终的粗糙度要求。并以此为依据，分析确定具体的抛光工序和准备抛光用具及抛光剂等。

（1）粗抛

经铣削、电火花成形、磨削等工艺后的表面清洗后，可以选择转速在35000～40000（rpm）的旋转表面抛光机或超声波研磨机进行抛光。常用的方法是先利用直径Φ3mm、WA400#的轮子去除白色电火花层或表面加工痕迹，然后用油石加煤油作为润滑剂或冷却剂手工研磨，再用由粗到细的砂纸逐级进行抛光。对于精磨削的表面，可直接用砂纸进行粗抛光，逐级提高砂纸的号数，直至达到模具表面粗糙度的要求。一般的使用顺序为180#→240# →320# →400# →600#→800 #→1000#。许多模具制造商为了节约时间而选择从#400开始。

（2）半精抛

半精抛主要使用砂纸和煤油。砂纸的号数依次为：400#→600#→800#→1000#→1200#→1500#。一般1500#砂纸只用适于淬硬的模具钢（52HRC 以上），而不适用于预硬钢，因为这样可能会导致预硬钢件表面烧伤。

（3）精抛

精抛主要使用研磨膏。用抛光布轮混合研磨粉或研磨膏进行研磨时，通常的研磨顺序是1800#→3000#→8000#。1800#研磨膏和抛光布轮可用

来去除1200#和1500#砂纸留下的发状磨痕。接着用粘毡和钻石研磨膏进行抛光时，顺序为14000#→60000#→100000#。精度要求在1μm以上（包括1μm）的抛光工艺在模具加工车间中的一个清洁的抛光室内即可进行。若进行更加精密的抛光则必需一个绝对洁净的空间。灰尘、烟雾，头皮屑等都有可能报废数个小时的工作量得到的高精密抛光表面。

2．工艺措施

（1）工具材质的选择

用砂纸抛光需要选用软的木棒或竹棒。在抛光圆面或球面时，使用软木棒可更好的配合圆面和球面的弧度。而较硬的木条像樱桃木，则更适用于平整表面的抛光。修整木条的末端使其能与钢件表面形状保持吻合，这样可以避免木条（或竹条）的锐角接触钢件表面而造成较深的划痕。

（2）抛光方向选择和抛光面的清理

当换用不同型号的砂纸时，抛光方向应与上一次抛光方向变换30°~ 45°进行抛光，这样前一种型号砂纸抛光后留下的条纹阴影即可分辨出来。对于塑料模具，最终的抛光纹路应与塑件的脱模方向一致。