隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賀劍

影響模具數(shù)控加工效率的因素探析

隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賀劍

模具加工作為機(jī)械加工制造的典型工作，其制造水平的高低直接反映一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力的強(qiáng)弱。作為現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝——模具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期、產(chǎn)品精度和使用壽命，也日益成為企業(yè)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期具有優(yōu)勢(shì)的決定因素。為了適應(yīng)各行各業(yè)對(duì)模具產(chǎn)品的高精度、短工期、低成本要求，模具工業(yè)正廣泛應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)來(lái)加速技術(shù)進(jìn)步。模具數(shù)控加工作為模具數(shù)字化制造的最重要一環(huán)，是影響模具制造工期長(zhǎng)短和質(zhì)量的主要因素。因此，為了縮短模具制造工期，降低模具成本，如何提高模具數(shù)控加工效率成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。下面就從加工工藝、刀具、銑削方式及切削參數(shù)的選擇等幾個(gè)方面對(duì)模具數(shù)控加工效率的影響進(jìn)行分析。

一、加工工藝的選擇

對(duì)于模具毛坯的加工包含基于原始毛坯的等高層加工和基于中間工序的殘留毛坯加工兩種方式。采用基于毛坯的刀具軌跡工藝可以實(shí)現(xiàn)刀具在加工過(guò)程中的加工量均勻。刀具每次加工時(shí)所承受的切削刀、切削深度、切削寬度相當(dāng)，從而保持加工的平穩(wěn)性，是提高模具加工效率、刀具使用壽命、保持機(jī)床精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑?，F(xiàn)有的CAM軟件，如UGNX和Cimatron、PowerMill等都提供了較好的基于毛坯加工編程的工藝。

模具型腔和型芯的加工，其特征一般表現(xiàn)在型面比較復(fù)雜，大部分都是空間的三維曲面，因此曲面銑削加工時(shí)，曲面的光順性、表面粗糙度等直接影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量。常用的數(shù)控加工中心多為三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在模具銑削時(shí)，對(duì)于模具的粗加工和精度要求不高的模具的半精加工（后續(xù)采用拋光工序），最常見(jiàn)的刀具軌跡工藝是采用X、Z或Y、Z兩軸聯(lián)動(dòng)，通過(guò)等步距或變步距行切的方式進(jìn)行加工。對(duì)于模具的半精加工和精加工，則采用450行切實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)加工的工藝，對(duì)于模具的半精加工和精加工表面質(zhì)量、表面粗糙有著非常明顯的改善作用。

對(duì)于大深度模具型腔的粗加工，常用的典型加工方式有鉆削排量、鉆銑排量、挖槽等高分層加工等幾種。其中鉆削排量效率高，但是鉆削排量時(shí)，孔與孔之間形成的尖銳區(qū)是后續(xù)加工的難點(diǎn)，這些尖銳區(qū)無(wú)論采用銑削還是其他方式加工，對(duì)于后續(xù)的精加工都是不利的，尤其是鋸齒狀側(cè)面輪廓銑削時(shí)，由于余量非常不均，對(duì)刀具和機(jī)床沖擊較大，嚴(yán)重影響了后續(xù)加工的順利進(jìn)行。相對(duì)于單純的鉆削排量，采用鉆銑刀鉆銑排量可有效避免鉆削排量的缺點(diǎn)，但由于鉆銑刀的底刃相對(duì)于鉆頭的底刃來(lái)說(shuō)，軸向的下刀及加工效率相對(duì)鉆削排量要低得多。采用鉆銷(xiāo)排量+鉆銑排量是一種比較好的方式，主要余量部分采用鉆削排量，尖銳區(qū)采用鉆銑排量。

二、銑削刀具、刀柄的選擇

銑刀是模具加工的主要刀具，模具的輪廓側(cè)面、上下平面、溝槽及凹凸的成型表面都由粗精銑削加工完成，工作量約占模具切削加工量的80%～90%。

一般數(shù)控機(jī)床加工模具時(shí)，如果考慮刀具成本，采用焊接硬質(zhì)合金刀具來(lái)進(jìn)行模具粗加工是可行的。為提高模具型腔粗加工切削效率，各模具廠從使用高速鋼球頭立銑刀逐漸轉(zhuǎn)向裝涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的球頭立銑刀和帶圓弧形刀角立銑刀。球頭立銑刀與帶圓弧形刀角立銑刀各有優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)上、刀齒數(shù)方面，帶圓弧形刀角立銑刀為好，其銑刀上的可轉(zhuǎn)位刀片多為圓形刀片，價(jià)格低廉，可使用刀角數(shù)相對(duì)較多。若立銑刀直徑大，裝刀片數(shù)就多，可實(shí)現(xiàn)更大進(jìn)給量。

模具精加工所耗費(fèi)時(shí)間占模具總加工時(shí)間比例極大，廣義地說(shuō)精加工應(yīng)包括精切削加工與研磨加工。若能提高精切削加工的效率，不僅能縮短精切削加工時(shí)間，還可縮短以后的研磨工序時(shí)間。精加工型腔成型部分的表面，現(xiàn)主要采用整體球頭立銑刀加工，因它富于柔性，適應(yīng)仿形加工、等高線加工等而被廣泛使用。

常用刀柄有 BT 柄和 HSK 柄。 BT 柄與機(jī)床主軸的接口錐柄錐度為7∶24，這種方式的刀柄只適合于傳統(tǒng)的低速加工，因?yàn)?BT刀柄與主軸只是錐面配合，當(dāng)轉(zhuǎn)速太高時(shí)，由于離心力的作用會(huì)使錐面配合間隙增大，從而影響數(shù)控加工質(zhì)量。當(dāng)機(jī)床最高轉(zhuǎn)速達(dá)到15 000 r/min時(shí)，通常需要采用 HSK 型刀柄，HSK 刀桿為過(guò)定位結(jié)構(gòu)，提供與機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)，在機(jī)床拉力作用下，保證刀桿短錐和端面與機(jī)床緊密配合。

三、銑削方式與切削參數(shù)的選擇

應(yīng)用于模具銑削加工的現(xiàn)代銑削方法有多種，需要在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合模具自身的特點(diǎn)組合應(yīng)用，提高加工效率，為降低加工成本打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1．高速銑削方法。加工特征：采用小的徑向切削深度（嚙合量）ae（降低切削熱產(chǎn)生）；采用小的平均斷屑厚度切削hm（降低切削熱產(chǎn)生）；采用小的軸向切削深度（余量）ap（降低切削熱產(chǎn)生）；采用更耐磨的硬質(zhì)合金刀片材質(zhì)等級(jí)（因?yàn)榧t硬性好的硬質(zhì)合金刀片材質(zhì)等級(jí)在高的線速度下以及工件硬度高但線速度相同時(shí)，具有更好的刀具壽命）；盡量采用比較鋒利的切削刃和槽型設(shè)計(jì)；采用加冷卻液的加工方法使其及時(shí)帶走因高速切削而產(chǎn)生的大量切削熱（可能因此影響刀具壽命，但是綜合經(jīng)濟(jì)性反而提高）。

用此方法的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少后續(xù)拋光所需時(shí)間，減少（甚至取消）電火花加工所需時(shí)間，縮短3D造型所需時(shí)間，節(jié)省加工輔助材料的無(wú)畏消耗，良好的質(zhì)量和表面粗糙度Ra，避免或延緩變形，生產(chǎn)效率高，切削熱量產(chǎn)生低，從而減少對(duì)工件質(zhì)量的影響。

2．“剝皮”銑削方法。加工特征：采用較小的徑向切削深度（嚙合量）、較大或大的軸向切削深度、高切削線速度、螺旋切削刃設(shè)計(jì)要求，不僅起到粗加工的效果，還可以省卻半精加工過(guò)程?！皵[線”銑削方法是與“剝皮”銑削方法類(lèi)似的一種加工方法。采用小的切削徑向深度（嚙合量）和較大的銑削擺動(dòng)直徑。由于刀具切削過(guò)程中切削熱有效分散，刃口得到充分冷卻所以允許采用比常規(guī)方法更大的軸向切削深度或更高切削線速度。

3．高進(jìn)給銑削方法梁。其加工特征為：采用較小的軸向切削深度、非常高的每齒進(jìn)給量、較高的切削線速度。

優(yōu)點(diǎn)：只采用較小的軸向切削深度，似乎加工效率還不如用傳統(tǒng)圓刀片，但實(shí)際上由于采用了比傳統(tǒng)大得多的每齒進(jìn)給量（尤其是當(dāng)加工大懸伸深模腔時(shí)傳統(tǒng)圓刀片銑刀軸向切深往往也不大），所以實(shí)際金屬切除率明顯提高；切削力方向以軸向力為主，有利刀具切削剛性提高，尤其當(dāng)加工大懸伸深模腔時(shí)，表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)圓刀片銑刀。

無(wú)論是采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式還是高速切削方式進(jìn)行模具加工，以下幾條原則都是應(yīng)該注意的。

（1）對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)切削的應(yīng)用。對(duì)刀具而言，采用非對(duì)稱(chēng)切削方式，刀具在切削加工過(guò)程中所承受的切削力小，主軸的扭矩也小。刀具在加工過(guò)程中，要避免雙側(cè)受力。這樣切削比較平穩(wěn)，切削力小，切屑容易排出，對(duì)刀具的傷害比較小。銑刀銑削時(shí)，如果銑刀雙側(cè)受力（滿(mǎn)齒寬切削），因切削力比較大，受機(jī)床振動(dòng)、切削干涉、主軸跳動(dòng)等影響，對(duì)刀具、機(jī)床的要求較高，刀具磨損較快。原則上要避免滿(mǎn)齒寬切削，采用45%～80%削寬度是可行的。

（2）深度優(yōu)先和寬度優(yōu)先的選擇。對(duì)于普通數(shù)控機(jī)床采用焊接硬質(zhì)合金螺旋立銑刀進(jìn)行模具型腔加工時(shí)，在銑削深度和銑削寬度選擇上，滿(mǎn)足相等金屬切屑去除率的前提下，優(yōu)先采用較深的銑削深度、相對(duì)較小的切削寬度是比較合理的。這是由于螺旋立銑刀在加工時(shí)，刀具的磨損集中在切削部位，如果采用小深度、大寬度方式，對(duì)刀具壽命的影響較大，采用大深度、大寬度方式，對(duì)刀具的磨損集中在切削部位；如果采用小深度、大寬度方式，對(duì)刀具壽命的影響較大，采用大深度、相對(duì)窄的寬度進(jìn)行銑削，相同的刀具，其刀具耐用度較高。

采用高速切削機(jī)床進(jìn)行模具加工時(shí)，由于多采用鑲齒刀片進(jìn)行型腔加工，采用寬度優(yōu)先、深度相對(duì)較小的加工方式比較合理。這是由于高速機(jī)床加工時(shí)要避免切削力過(guò)大對(duì)電主軸的損傷，另外，高速切削時(shí)采用較小的切削深度可以有效減小刀具振動(dòng)，保證加工的穩(wěn)定性，減小材料對(duì)刀具和主軸的沖擊。

（3）每齒切削量。無(wú)論是傳統(tǒng)數(shù)控銑削還是高速切削，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度之間的關(guān)系要結(jié)合被加工材料的特點(diǎn)來(lái)考慮。對(duì)金屬切削而言，不同材料，由于結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的不同，加工性能也不同。如鋁合金，要選擇比較鋒利的刀具；如高速鋼或硬質(zhì)合金刀具，粗加工時(shí)，每齒切削量在0.08～0.15mm比較合理。這是由于鋁合金強(qiáng)度低、熔點(diǎn)低，在切削加工過(guò)程中，容易粘刀，如果刀具不鋒利，每齒切削量較小時(shí)，刀具與工件之間是在摩擦，而不是在切削。

鋼制模具型腔加工，刀具材料要選擇強(qiáng)度比較高的硬質(zhì)合金、立方氮化硼，每齒的切削量控制在0.03～0.10mm是合理的。如果每齒切削量過(guò)小，刀具與工作將會(huì)是摩擦，而不是切削；如果每齒削量過(guò)大，切削力大，刀具磨損將較嚴(yán)重。如果采用整體硬質(zhì)合金力具或陶瓷刀具，應(yīng)保證切削穩(wěn)定性，這是由于陶瓷材料和硬質(zhì)合金抗沖擊性較差、很容易崩刃，要盡可能避免加工過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊。

采用不同成型工藝的模具，其所用的模具材料也各不相同。根據(jù)模具加工的實(shí)際情況，對(duì)加工工藝、刀具、主軸刀柄、銑削方式及切削參數(shù)進(jìn)行合理選擇搭配，可以有效提高模具加工效率，降低模具制造成本，保證模具和產(chǎn)品質(zhì)量，這對(duì)于提高模具行業(yè)數(shù)控加工效率具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。