王本日

（上海大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

模具加工從加工工藝方面而言一般分為粗加工、半精加工及精加工［1］。粗加工的任務(wù)是去除多余的加工余量；半精加工的目的則是均勻加工余量，為精加工做好準(zhǔn)備；而精加工是對(duì)模具的精確加工，完成對(duì)模具尺寸的微調(diào)，提高模具的表面光潔度等，從而使模具的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。精加工過(guò)程中的各種誤差最終都會(huì)累積到模具型面上，這種加工累積誤差的大小直接決定了模具加工質(zhì)量的好壞。因此，分析精加工過(guò)程中的誤差，采取相應(yīng)措施減小甚至避免其中一些誤差，對(duì)提高模具的加工質(zhì)量具有重要意義。對(duì)于沖壓模具而言，模具的精加工最主要是對(duì)模具型面的加工，一般使用高速銑床來(lái)完成。本文主要分析高速銑床的精加工誤差。精加工的誤差主要來(lái)源于刀具的讓刀、加工余量的不均勻、刀具磨損、切削要素的影響、刀軌的擬合誤差等。

1 刀具的讓刀現(xiàn)象

讓刀現(xiàn)象是刀具在切削時(shí)受到模具的反作用力發(fā)生彎曲而產(chǎn)生的。從材料力學(xué)方面加以分析，機(jī)床主軸及刀柄的剛度都遠(yuǎn)大于刀具的剛度，故把刀具受力彎曲的支點(diǎn)設(shè)在刀具與刀柄相接處，具體分析如圖1。

圖1 讓刀現(xiàn)象示意圖

圖1中，F(xiàn)為加工時(shí)工件對(duì)于刀具的反作用力，F(xiàn)會(huì)隨著切削量的不同而發(fā)生改變。假設(shè)F恒定，則垂直刀具方向的F′＝Fsinθ，由材料力學(xué)知識(shí)可得刀具各處的撓度［2］為

式中，l為刀具長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為刀具截面的二次矩；θ為型面法向與刀具夾角；d為刀具直徑。

由式（2）可知，F(xiàn)，L，d不變的情況下，θ越大，即型面越陡，V越大，即讓刀量越大，讓刀現(xiàn)象越嚴(yán)重。消除這種讓刀現(xiàn)象最理想的辦法是采用五軸聯(lián)動(dòng)，使刀具軸線(xiàn)與型面法向保持一致。但要求加工的型面是A級(jí)曲面（即型面法向連續(xù)），且型面不能復(fù)雜，故采取折中做法是根據(jù)型面的變化趨勢(shì)人為改變刀具軸線(xiàn)方向，相應(yīng)減小刀具軸線(xiàn)與型面法向的平均夾角θ，使作用于刀具方向的F′減小，來(lái)達(dá)到相對(duì)減小刀具讓刀的目的。對(duì)于較為復(fù)雜的型面，在機(jī)床精度允許的情況下，可采用分區(qū)域多角度的加工方法，降低刀具讓刀對(duì)型面加工的影響。

另由式（2）可知，刀具的長(zhǎng)度l及直徑d對(duì)刀具讓刀的影響是巨大的。因此，在條件允許的情況下，宜盡量采用直徑大而長(zhǎng)度短的刀具加工。

工件對(duì)刀具的作用力F，主要受材料的切削性能及刀具切削用量的影響，故改善材料的加工性能，適當(dāng)減小進(jìn)給量及刀具切深，都能減小F，相應(yīng)減小刀具的讓刀。

2 來(lái)自粗加工余量的影響

粗加工的主要任務(wù)是去除加工余量。為了提高加工效率，粗加工一般選用較大的刀具及切削用量。選用較大刀具的影響如圖2所示。圖中，實(shí)線(xiàn)為粗加工刀具，虛線(xiàn)為高速精加工刀具，黑色區(qū)域?yàn)橐虻毒卟煌a(chǎn)生的加工余量。

圖2 余量殘留對(duì)比圖

由圖可見(jiàn)，當(dāng)型面的圓角半徑小于刀具的圓角半徑時(shí)，工件無(wú)法加工到位，在圓角處會(huì)遺留更多的加工余量。此工件放到高速機(jī)床用較小刀具加工時(shí)，此處讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，從而對(duì)工件型面的加工質(zhì)量有較大影響。同時(shí)，此時(shí)加工余量突然增大，刀具也會(huì)受到較大的沖擊及損傷。解決方法為粗加工機(jī)床半精加工結(jié)束后，用小于高速機(jī)床精加工的刀具粗修圓角，把圓角根部余量半徑修至小于精加工時(shí)的刀具半徑，從而避免刀具在圓角處的讓刀及不必要的沖擊。

3 刀具磨損

刀具磨損有兩方面：① 刀具的正常磨損；② 球頭銑刀特有的磨損。

刀具的正常磨損主要是機(jī)械磨損和熱化學(xué)磨損［3］。由于精加工的型面較為復(fù)雜，不能直接在加工過(guò)程檢測(cè)其加工精度，故其精度除受機(jī)床精度影響外，還受球頭銑刀的尺寸精度、形狀精度及精確對(duì)刀等的影響。刀具的質(zhì)量對(duì)模具型面的加工質(zhì)量影響較大。當(dāng)型面精加工刀具具有較大的前角γn及后角αn時(shí)，會(huì)減小楔角βn。當(dāng)后角αn較大、使刀具變鋒利的同時(shí)，也會(huì)因刀刃形狀的變化而加大影響刀具的形狀。如3、4所示。

圖3 刀具磨損截面圖放大圖

對(duì)于相同程度的磨損，粗加工刀具（虛線(xiàn)）磨損對(duì)型面的影響為a，而精加工刀具（實(shí)線(xiàn)）磨損對(duì)型面的影響為a＋b。可見(jiàn)，精加工刀具磨損較粗加工刀具磨損對(duì)型面質(zhì)量的影響更大。要控制此方面的加工誤差，就要根據(jù)刀具壽命曲線(xiàn)，找出允許刀具磨損量對(duì)應(yīng)的刀具壽命，控制好刀具的使用時(shí)間。當(dāng)然，刀具的實(shí)際使用環(huán)境與壽命曲線(xiàn)的切削環(huán)境經(jīng)常不一致，在實(shí)際使用中，刀具的壽命需要在實(shí)踐中根據(jù)加工精度的要求適當(dāng)加以調(diào)整。

圖4為刀尖磨損示意圖。圖中，球頭銑刀的有效切削半徑De在半球內(nèi)隨背吃刀量ap變化而變化，造成半球內(nèi)各個(gè)高度切削速度不同。Dc2為刀具直徑。

圖4 刀尖磨損示意圖

各高度的切削速度V′＝ωDe（w為主軸轉(zhuǎn)速）。刀尖處De＝0，故此處切削速度V′＝0。當(dāng)?shù)毒咔邢鲿r(shí)，實(shí)際上刀尖是在工件表面擠壓滑行，摩擦劇烈，刀尖處的磨損較快，從而影響刀尖處的球度，給加工帶來(lái)誤差。為消除刀具在此方面的誤差，可將刀具軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)5°～10°，避開(kāi)刀尖切削。另外，也可以選用如圖5鑲圓刀片的平底刀加工較平緩的型面，從根本上消除了球頭銑刀刀尖切削速度為0的弊端。

圖5 用于型面加工的平底刀

加工過(guò)程中，由于老刀片已經(jīng)磨損，使加工型面有相當(dāng)于刀具磨損量的誤差；換新刀加工時(shí)，突然消除型面刀具磨損誤差會(huì)使型面留有的接刀痕跡，如圖7所示。同樣，在型面兩塊相鄰區(qū)域，若分塊加工時(shí)間間隔較長(zhǎng)，由于刀具磨損也會(huì)產(chǎn)生如圖6的接刀痕跡。

在實(shí)際的加工中，可把接刀位置提前10mm左右，如圖7所示，并且把刀具抬高0.2mm，然后在程序運(yùn)行過(guò)程中在10mm的型面范圍內(nèi)把抬高的0.2mm慢慢按0.001mm的步距調(diào)回到0mm，從而消除接刀痕跡。

圖7 接刀示意圖

4 刀軌的影響

球頭銑刀加工型面是通過(guò)來(lái)回往復(fù)的刀軌線(xiàn)來(lái)擬合型面的，故刀軌線(xiàn)的擬合精度對(duì)工件的光潔度有很大的影響。

圖8為由刀軌擬合誤差導(dǎo)致模具表面加工后殘留余量的示意圖。圖中R為刀具半徑，則刀具的直徑d＝2R，L為周期性表面波動(dòng)的半個(gè)波長(zhǎng)，RZ為加工殘留量的高度，由勾股定理可知，

圖8 加工后模具表面殘留余量示意圖

另外，θ為型面法向與刀具軸線(xiàn)的夾角，st為生成刀軌時(shí)的走刀步距，可知

代入式（3）知得

由式（4）可知，模具的表面質(zhì)量與加工刀具的直徑d及換行步距st有關(guān)。st增大，則RZ增大，型面的表面質(zhì)量差。同一把刀具，st對(duì)模具的表面質(zhì)量起決定作用。相反，若增加刀具直徑d，則RZ減小，工件表面粗糙度相應(yīng)減小。因此，要提高工件的表面質(zhì)量，在選用盡量大的刀具的情況下，可適當(dāng)減小刀具換行步距st。

另外，當(dāng)?shù)毒咧睆絛及換行步距st都不變時(shí)，工件型面法向與加工刀具軸線(xiàn)的角度θ對(duì)工件表面粗糙度也有很大影響。實(shí)際上，刀具加工工件表面時(shí)，刀具軸線(xiàn)固定，θ隨型面的曲率變化不斷變化。當(dāng)θ增大時(shí)，RZ變大，工件表面質(zhì)量變差；而θ減小時(shí)，RZ接近加工平面理想狀態(tài)的理論值。對(duì)于較平緩的型面，可用五軸聯(lián)動(dòng)加工方法，使刀具軸線(xiàn)與型面法向夾角θ始終在控制范圍內(nèi)，從而消除θ對(duì)型面光潔度的影響。對(duì)于較復(fù)雜型面，一般采用在垂直方向的等步距加工方法，則式（4）變?yōu)?/p>

可知θ增大時(shí)，RZ有所減小。

5 進(jìn)給量f對(duì)表面質(zhì)量的影響

機(jī)床加工時(shí)，進(jìn)給量f的大小同樣會(huì)對(duì)型面的光潔度有影響，具體分析如圖9。

圖9 進(jìn)給量f對(duì)型面光潔度影響示意圖

圖9中，RZ為加工殘留量的高度，RZ反應(yīng)型面的表面質(zhì)量，即型面光潔度，RZ大則光潔度低，fz為每齒進(jìn)給量，設(shè)刀具齒數(shù)為z，主軸轉(zhuǎn)速為n，則進(jìn)給量

由勾股定理得［4］

由式（6）可知，在主軸轉(zhuǎn)速n一定的情況下增大進(jìn)給量f，會(huì)使工件表面在進(jìn)給方向的RZ增大。另一方面在進(jìn)給量f一定的情況下，增加刀具齒數(shù)及提高主軸轉(zhuǎn)速都會(huì)使RZ減小。因此，盡量采用多齒刀具加工，在機(jī)床功率允許的情況下，提高主軸轉(zhuǎn)速，適當(dāng)減小進(jìn)給量，對(duì)改善型面加工質(zhì)量都有一定作用。

6 刀具的振動(dòng)對(duì)工件加工的影響

由于球頭銑刀銑削為斷層切削，刀具切削時(shí)受到工件頻率1／n（n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速）的沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)，由于工件在前一工序加工后表面存在如圖9的波峰波谷，當(dāng)兩相鄰工序加工刀軌不平行時(shí)，刀具會(huì)受到切削量忽多忽少的周期性沖擊，同樣會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。刀具的振動(dòng)會(huì)讓刀具的彎曲撓度變大，切削不平穩(wěn)，對(duì)工件加工質(zhì)量有一定的影響。消除振動(dòng)在編程方面而言，應(yīng)盡量使前、后工序的刀軌走刀方向一致，避免因前、后工序刀軌不平行帶來(lái)刀具周期性的沖擊。另一方面，振動(dòng)的阻尼系數(shù)ζ與刀具材料的彈性模量E有關(guān)，所以提高刀具的彈性模量也可以減小刀具的振動(dòng)，如用硬質(zhì)合金刀桿代替高速鋼刀桿。

7 順銑與逆銑對(duì)加工質(zhì)量的影響

銑刀的旋轉(zhuǎn)方向與工件的走刀方向相反時(shí)稱(chēng)為逆銑，相同時(shí)稱(chēng)為順銑。

如圖10所示，逆銑時(shí)，切削厚度從零逐漸增大。銑刀刃口有圓角半徑rn，當(dāng)rn瞬時(shí)切削厚度變大時(shí)，實(shí)際切削前角為負(fù)值，刀齒在切削表面上擠壓、滑行，使這一段表面產(chǎn)生冷硬層。當(dāng)?shù)?個(gè)刀齒切入時(shí)，又在冷硬層表面擠壓、滑行，同時(shí)也使工件表面粗糙度變粗。順銑時(shí)，刀齒的切削厚度從最大開(kāi)始，避免了產(chǎn)生擠壓、滑行的現(xiàn)象，同時(shí)切削力的反作用力始終壓向工作臺(tái)，減少了工件的上下振動(dòng)［5］。另外，機(jī)床已消除了螺旋副的軸向間隙，所以，加工時(shí)宜選用順銑。

圖10 順銑、逆銑示意圖

8 結(jié) 語(yǔ)

工件加工誤差的產(chǎn)生原因還有很多，如工件的二次裝夾誤差、機(jī)床的精度影響、刀片的裝夾誤差、操作人員的處理經(jīng)驗(yàn)等等，在此不再一一分析。

由以上分析可知，精加工對(duì)刀具的剛度、抗振性、抗磨性等都提出了更高的要求，而各切削要素之間互相關(guān)聯(lián)，改善其中一個(gè)要素會(huì)影響其他要素的合理性，因此優(yōu)化切削要素的選用對(duì)提高工件的加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。另外，現(xiàn)代的模具型面加工一般使用輔助加工軟件編制加工程序，程序的加工方式、走刀方向及步距、擬合誤差、刀具角度等對(duì)最終工件的加工質(zhì)量都有關(guān)鍵性的影響，因此編程員的編程水平對(duì)加工質(zhì)量也有很大的影響。

［1］陳 琛，模具加工工藝［M］.滕 躍，譯.北京：科學(xué)出版社，2009：128－128.

［2］劉德華，黃 超.材料力學(xué)（Ⅰ）［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2011：53－53.

［3］伊斯卡，戈德堡.解析刀具磨損與刀具壽命［J］.金屬加工（冷加工），2011（23）：10－14.

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［5］陳日耀.金屬切削原理［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：117－177.