結合硬質合金鑽齒模體設計改進的成功實例，介紹了為提高效率、縮短模具生產周期和降低模具成本對鑽齒模體結構進行的優化設計。通過對成形模體內部結構進行改進，將原來電加工成形的工藝調整在精磨工藝上完成。實踐結果表明：該模體的優化改進縮短了模具生產周期，提高了模具的使用壽命，同時降低了製造成本，對類似的外圓帶倒角產品模壓成型模具的設計具有重要的指導借鑑意義。
礦用鑽齒需裝配在鑽頭本體內，鑽齒外圓與鑽頭本體過盈配合，將鑽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周期越來越短。為了解決公司快速發展與模具成本高、生產周期長之間的矛盾，技術人員以縮短生產周期和降低生產成本為目標，在不改變壓制工藝的基礎上，改進鑽齒模具的結構並優化生產工藝，從而滿足用模單位的需求。
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礦用鑽齒介紹
如圖1所示，該產品的外圓下端帶有18°的導向錐，有利於合金鑽齒產品順暢地壓入鑽頭本體中並與鑽頭緊密配合，使鑽齒在高強度工作狀態下不會從鑽頭本體上脫落。鑽齒導向錐的長度為2.5mm。該鑽齒產品的導向錐部分具有錐度小、導向段長度短的特點。
圖1 礦用鑽齒
該鑽齒產品的硬質合金粉末壓製品通過DORST自動壓力機壓制完成，模具採用上下壓制（沿高度方向）成形，模具為一件上衝、一件下衝和一件模體的結構模式。上衝頭將產品的頂部球冠部分帶出。產品錐度部分如果有下衝帶出，則會影響下衝頭的使用壽命，並且造成產品在下衝過程中脫模困難，因此錐度部分由模體內型腔帶出角度。如圖2所示，模具在內型腔上加工小角度的錐體部分，小內孔加工完成後由電脈衝設備加工出大內孔和錐體部分，再在模具拋光機上將電脈衝加工出的型腔表面拋光，達到模壓所需的表面粗糙度要求。
上述工藝的模具製造成本高，模具生產周期長。通過反覆分析研究模具的加工及使用，我們突破以往的傳統工藝，採用分體式模腔代替整體模腔：將模腔分成上、下兩段，倒角的錐體部分置於下模腔中。此結構可將模腔部分的加工工序全部放在磨床上完成，無需使用數控電火花和模體拋光機加工，因此也無需製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、下模腔因回彈產生的不貼合，壓裝後採用在施加外力狀態下緩冷至室溫的措施，並加工出空刀端，減少端面的接觸。此生產工藝的加工周期明顯縮短，生產成本比之前低了一半以上。
圖2 改進前的鑽齒模具
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具體設計思路
鑽齒模具的結構決定了工藝路線，在保證使用功能的前提下，優化模具結構：將整體式改進成分體式，取消電脈衝和拋光工序，在分體模腔的對接上採用施壓熱鑲法。
（1）鑽齒模具結構分析 將產品小角度錐體部分設計在模腔內成形是合理的，原模腔是整體結構，內部的18°倒角面和大內孔由電脈衝加工完成，需製作電脈衝加工使用的電極，電脈衝完成後再在拋光機上拋光成形面，工藝成本高，製作周期長。
為了解決這個問題，設計了分體式模腔結構，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、外圓：精加工成形內孔、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，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後再切斷成兩部分，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、外圓同軸度，便於模腔壓裝進模體中。此模腔加工工藝無需再在電脈衝設備、拋光機上加工，也不需要製作電脈衝加工時使用的電極。該技術方案的改進實施，可使鑽齒模具的生產周期縮短1/3，加工成本只需原來的1/2，經濟效益顯著。
圖3 改進後的鑽齒模具
（ 2 ） 模腔壓入模體的控制 為提高模具的使用壽命，模腔採用硬質合金材料。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。壓裝工藝採用熱鑲：將模體加熱至200～250℃，恆溫5～8min，此時鋼件材質的模體受熱膨脹，內孔增大，合金模腔直接放入模體內，無需外力壓入，待模體冷卻至室溫時，內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，採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象，造成上、下端面貼合不緊密，壓制的鑽齒產品在倒角邊緣產生毛刺。為解決這種缺陷，在熱鑲時施加外力，即在模體加熱後分別套入合金模腔，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後才解除外壓力，如此可抵消合金模腔套的回彈力。同時對合金模腔端面結構進行優化，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出的空氣。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鑽齒產品的外圓倒角部分，未見有毛刺現象產生。
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結語
優化的鑽齒模具及相關加工工藝具有兩個特點：①鑽齒模具內部鑲套的合金模腔改進成分體式結構，極大地節約了生產成本，縮短了模具的生產周期。②採用施壓式熱鑲方法並在上、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，避免模具壓制的鑽齒產品出現毛刺邊， 同時保證模具內應力均勻，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、外圓的同軸度。②需控制外圓尺寸的一致性。③上端模腔內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鍵。2018年我公司採用這種模具結構生產了兩百多套鑽齒模具，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，改進後的鑽齒模具成本低、周期短且壽命長，適用於模腔內孔帶有倒角的鑽齒產品的壓製成型。
本文發表於《金屬加工（冷加工）》