模具补偿对硬质合金数控刀片精度的影响

原文，何泽，谭斌，吴雨高，姚君，苏陈成

成都邦普切削刀具股份有限公司

硬质合金数控刀片毛坯的精度主要由混合料、模具、压机和烧结工艺等因素决定，在硬质合金数控刀片生产过程中，混合料、压机和烧结工艺相对固定，需要模具来保证毛坯制品的精度。通常压制时就能获得较高精度的压坯，但硬质合金制品在烧结过程中会发生液相收缩，导致尺寸精度降低，一般情况下，压坯密度越大，收缩越小；
反之，压坯密度越小，收缩越大，因此可以通过模具变形进行预补偿来达到改变压坯密度的目的，并获得高精度数控刀片毛坯制品。

本文以重切刀片为例，通过对重切刀片平行度方向、垂直方向以及刀尖高度方向进行预补偿，以分析模具预补偿措施对硬质合金数控刀片精度的影响。

2.1 平行度方向补偿

如图1所示，硬质合金数控刀片平行度方向主要存在烧结后毛坯制品出现内凹型的问题。存在两种情况：一是仅存在中间内凹的情况，另一种是存在中间内凹且L1≠L2的情况。第一种情况与第二种情况形成的原理不同，如果阴模与冲头未做预补偿，则在生产过程中极易发生第二种情况。第一种情况被称为内凹，第二种情况被称为内凹+平行度大小头(俗称前后大小头)。

造成平行度精度内凹的主要原因是装夹孔的存在使得中间压坯密度降低，从而出现切削刃两边压坯密度高于中间，导致产品烧结后出现内凹的情况。第二种情况形成的主要原因是由推料造成的，在推料过程中，由于推入端始终比推出端多回刮一次，如果模具未做补偿，则推出端的压坯高度与推入端相同，从而造成推入端的压坯密度高于推出端。

图1 烧结后毛坯制品内凹现象

2.2 垂直度方向补偿

如图2所示，在垂直度方向，硬质合金数控刀片上冲头压制面与下冲头压制面存在尺寸偏差(俗称上下大小头)，其产生的主要原因是压坯上、下面之间存在密度差异，对烧结涂料及碳气氛产生影响。一般通过压型工艺来改变冲程比，从而改变上下密度差异。实践中，因为烧结炉碳气氛、粉料特性以及涂料等相对恒定，所以需要进行试压和试烧以确定正确的压制参数。

图2 上下大小头的形成(L1≠L2)

2.3 刀尖高度补偿

硬质合金数控刀片刀尖高度不一致是指烧结后毛坯几个主切削刃刀尖存在差异，其主要原因是由压制过程中推料造成的(见图3)。在推料过程中，推入端始终比推出端多回刮一次料，从而造成推入端的单重高于推出端。在上、下冲头未做预补偿时，推入端压坯密度高于推出端压坯密度，易造成烧结后推入端的刀尖高度高于推出端，出现推入端的内接圆大于推出端的情况(俗称前后大小头)。

图3 前后大小头的产生

针对上述内凹、前后大小头、上下大小头以及刀尖高的问题，可以通过对模具和压制工艺进行预补偿来改善。

3.1 平行度方向(内凹)预补偿方案

如图4所示，平行度方向的补偿一般通过阴模补偿。R值以及L1与L2差值因产品尺寸、烧结气氛以及粉料特性的不同而不同，一般需要大量实验数据才能得出理想值。

图4 阴模型腔补偿方案

3.2 前后大小头及刀尖高的预补偿方案

由形成原因分析可知，前后大小头及刀尖高度差异与推入端比推出端多回刮一次料有关，所以对于模具补偿来说，推入端的压坯高度要低于推出端压坯高度，通过改变冲头推入端与推出端的高度来实现补偿。实践中，改变冲头推入端与推出端的高度而不改变阴模前后尺寸也能达到改善数控刀片毛坯前后大小头的效果，而改变推料盒的大小及料管的倾斜角度及大小也是需要重点关注的因素。

3.3 上下大小头补偿方案

硬质合金数控刀片上下大小头主要通过压型工艺的补偿进行调整，使得压坯上下密度差符合烧结炉气氛和粉料特性等。

选取同一牌号的混合料、压机、烧结炉及烧结工艺进行烧结，相关测量尺寸如图5所示。

图5 毛坯制品测量

图5中的L1，L2，L3，L4为不同位置的刀尖切圆测量值，S11，S12，S21，S22分别为数控刀片四个刀尖高度的测量值。S1X，S2X分别为推料推入端高度与推料推出端高度。刃边尺寸是数控刀片的中心尺寸，烧结后产品切圆数据如表1所示。L5，L6分别为数控刀片坯上下切圆尺寸，检测数据如表2所示。

表1 模具补偿前后刀尖与刃边切圆尺寸对比 (mm)

表2 模具和压制工艺补偿前后毛坯上下切圆的尺寸对比 (mm)

由表1可以看出，模具补偿前刀尖切圆之间最大差值达0.08mm，刃边与刀尖切圆最大差值达0.10mm，经模具补偿后，不论是刀尖切圆差值还是刃边与切圆差值最大仅有0.03mm，前后大小头情况明显改善。

由表2可以看出，仅通过压制工艺补偿，不进行模具补偿，很难做到毛坯上下切圆一致，而且不稳定。数控刀片毛坯上下切圆相差0.11mm，上下大小头非常明显。经过模具补偿后，压制工艺也有相应补偿，毛坯上下切圆相差0.02mm。经验证，通过调节压制参数的冲程比能有效改善毛坯上下大小头的情况。

四个刀尖高度测量值如表3所示。可以看出，模具补偿前，数控刀片的4个不同刀尖高最大差值为0.09mm，且S11与S12推入端高度明显高于S21和S22的推出端高度，与原因分析结果一致。经过模具补偿后，四个不同刀尖高差值为0.03mm，符合形位公差要求，刀尖高度尺寸精度得到明显改善。

表3 模具补偿前后刀尖高度尺寸对比 (mm)

根据上述分析可以得到以下结论：①硬质合金数控刀片毛坯尺寸的变形本质上由压坯密度和烧结气氛等因素导致；
②在粉料特性、烧结气氛一致的情况下，通过对模具及压制工艺的预补偿，从而改变压坯密度，可以改善硬质合金数控刀片的毛坯精度；
③推料盒的大小及料管的倾斜角度和大小也是需要重点关注的因素；
④在实际生产过程中，具体的模具及压制工艺预补偿参数需要从长期大量积累的经验数据中得到，甚至有时需要做到“一模一策”或“一料一策”。

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