影响模具数控加工效率的因素探析

随州职业技术学院 贺剑

影响模具数控加工效率的因素探析

随州职业技术学院 贺剑

模具加工作为机械加工制造的典型工作，其制造水平的高低直接反映一个国家的综合技术实力的强弱。作为现代产品生产的关键工装——模具的设计与生产周期、产品精度和使用寿命，也日益成为企业的新产品开发周期具有优势的决定因素。为了适应各行各业对模具产品的高精度、短工期、低成本要求，模具工业正广泛应用数字化制造技术来加速技术进步。模具数控加工作为模具数字化制造的最重要一环，是影响模具制造工期长短和质量的主要因素。因此，为了缩短模具制造工期，降低模具成本，如何提高模具数控加工效率成为一个亟待解决的问题。下面就从加工工艺、刀具、铣削方式及切削参数的选择等几个方面对模具数控加工效率的影响进行分析。

一、加工工艺的选择

对于模具毛坯的加工包含基于原始毛坯的等高层加工和基于中间工序的残留毛坯加工两种方式。采用基于毛坯的刀具轨迹工艺可以实现刀具在加工过程中的加工量均匀。刀具每次加工时所承受的切削刀、切削深度、切削宽度相当，从而保持加工的平稳性，是提高模具加工效率、刀具使用寿命、保持机床精度、提高产品质量的有效途径。现有的CAM软件，如UGNX和Cimatron、PowerMill等都提供了较好的基于毛坯加工编程的工艺。

模具型腔和型芯的加工，其特征一般表现在型面比较复杂，大部分都是空间的三维曲面，因此曲面铣削加工时，曲面的光顺性、表面粗糙度等直接影响产品的成型质量。常用的数控加工中心多为三轴联动数控机床，在模具铣削时，对于模具的粗加工和精度要求不高的模具的半精加工（后续采用抛光工序），最常见的刀具轨迹工艺是采用X、Z或Y、Z两轴联动，通过等步距或变步距行切的方式进行加工。对于模具的半精加工和精加工，则采用450行切实现X、Y、Z三轴联动加工的工艺，对于模具的半精加工和精加工表面质量、表面粗糙有着非常明显的改善作用。

对于大深度模具型腔的粗加工，常用的典型加工方式有钻削排量、钻铣排量、挖槽等高分层加工等几种。其中钻削排量效率高，但是钻削排量时，孔与孔之间形成的尖锐区是后续加工的难点，这些尖锐区无论采用铣削还是其他方式加工，对于后续的精加工都是不利的，尤其是锯齿状侧面轮廓铣削时，由于余量非常不均，对刀具和机床冲击较大，严重影响了后续加工的顺利进行。相对于单纯的钻削排量，采用钻铣刀钻铣排量可有效避免钻削排量的缺点，但由于钻铣刀的底刃相对于钻头的底刃来说，轴向的下刀及加工效率相对钻削排量要低得多。采用钻销排量+钻铣排量是一种比较好的方式，主要余量部分采用钻削排量，尖锐区采用钻铣排量。

二、铣削刀具、刀柄的选择

铣刀是模具加工的主要刀具，模具的轮廓侧面、上下平面、沟槽及凹凸的成型表面都由粗精铣削加工完成，工作量约占模具切削加工量的80%～90%。

一般数控机床加工模具时，如果考虑刀具成本，采用焊接硬质合金刀具来进行模具粗加工是可行的。为提高模具型腔粗加工切削效率，各模具厂从使用高速钢球头立铣刀逐渐转向装涂层硬质合金可转位刀片的球头立铣刀和带圆弧形刀角立铣刀。球头立铣刀与带圆弧形刀角立铣刀各有优点，在经济上、刀齿数方面，带圆弧形刀角立铣刀为好，其铣刀上的可转位刀片多为圆形刀片，价格低廉，可使用刀角数相对较多。若立铣刀直径大，装刀片数就多，可实现更大进给量。

模具精加工所耗费时间占模具总加工时间比例极大，广义地说精加工应包括精切削加工与研磨加工。若能提高精切削加工的效率，不仅能缩短精切削加工时间，还可缩短以后的研磨工序时间。精加工型腔成型部分的表面，现主要采用整体球头立铣刀加工，因它富于柔性，适应仿形加工、等高线加工等而被广泛使用。

常用刀柄有 BT 柄和 HSK 柄。 BT 柄与机床主轴的接口锥柄锥度为7∶24，这种方式的刀柄只适合于传统的低速加工，因为 BT刀柄与主轴只是锥面配合，当转速太高时，由于离心力的作用会使锥面配合间隙增大，从而影响数控加工质量。当机床最高转速达到15 000 r/min时，通常需要采用 HSK 型刀柄，HSK 刀杆为过定位结构，提供与机床标准联结，在机床拉力作用下，保证刀杆短锥和端面与机床紧密配合。

三、铣削方式与切削参数的选择

应用于模具铣削加工的现代铣削方法有多种，需要在实际应用中结合模具自身的特点组合应用，提高加工效率，为降低加工成本打下扎实的基础。

1．高速铣削方法。加工特征：采用小的径向切削深度（啮合量）ae（降低切削热产生）；采用小的平均断屑厚度切削hm（降低切削热产生）；采用小的轴向切削深度（余量）ap（降低切削热产生）；采用更耐磨的硬质合金刀片材质等级（因为红硬性好的硬质合金刀片材质等级在高的线速度下以及工件硬度高但线速度相同时，具有更好的刀具寿命）；尽量采用比较锋利的切削刃和槽型设计；采用加冷却液的加工方法使其及时带走因高速切削而产生的大量切削热（可能因此影响刀具寿命，但是综合经济性反而提高）。

用此方法的优点是：大大减少后续抛光所需时间，减少（甚至取消）电火花加工所需时间，缩短3D造型所需时间，节省加工辅助材料的无畏消耗，良好的质量和表面粗糙度Ra，避免或延缓变形，生产效率高，切削热量产生低，从而减少对工件质量的影响。

2．“剥皮”铣削方法。加工特征：采用较小的径向切削深度（啮合量）、较大或大的轴向切削深度、高切削线速度、螺旋切削刃设计要求，不仅起到粗加工的效果，还可以省却半精加工过程。“摆线”铣削方法是与“剥皮”铣削方法类似的一种加工方法。采用小的切削径向深度（啮合量）和较大的铣削摆动直径。由于刀具切削过程中切削热有效分散，刃口得到充分冷却所以允许采用比常规方法更大的轴向切削深度或更高切削线速度。

3．高进给铣削方法梁。其加工特征为：采用较小的轴向切削深度、非常高的每齿进给量、较高的切削线速度。

优点：只采用较小的轴向切削深度，似乎加工效率还不如用传统圆刀片，但实际上由于采用了比传统大得多的每齿进给量（尤其是当加工大悬伸深模腔时传统圆刀片铣刀轴向切深往往也不大），所以实际金属切除率明显提高；切削力方向以轴向力为主，有利刀具切削刚性提高，尤其当加工大悬伸深模腔时，表现优于传统圆刀片铣刀。

无论是采用传统的数控加工方式还是高速切削方式进行模具加工，以下几条原则都是应该注意的。

（1）对称和非对称切削的应用。对刀具而言，采用非对称切削方式，刀具在切削加工过程中所承受的切削力小，主轴的扭矩也小。刀具在加工过程中，要避免双侧受力。这样切削比较平稳，切削力小，切屑容易排出，对刀具的伤害比较小。铣刀铣削时，如果铣刀双侧受力（满齿宽切削），因切削力比较大，受机床振动、切削干涉、主轴跳动等影响，对刀具、机床的要求较高，刀具磨损较快。原则上要避免满齿宽切削，采用45%～80%削宽度是可行的。

（2）深度优先和宽度优先的选择。对于普通数控机床采用焊接硬质合金螺旋立铣刀进行模具型腔加工时，在铣削深度和铣削宽度选择上，满足相等金属切屑去除率的前提下，优先采用较深的铣削深度、相对较小的切削宽度是比较合理的。这是由于螺旋立铣刀在加工时，刀具的磨损集中在切削部位，如果采用小深度、大宽度方式，对刀具寿命的影响较大，采用大深度、大宽度方式，对刀具的磨损集中在切削部位；如果采用小深度、大宽度方式，对刀具寿命的影响较大，采用大深度、相对窄的宽度进行铣削，相同的刀具，其刀具耐用度较高。

采用高速切削机床进行模具加工时，由于多采用镶齿刀片进行型腔加工，采用宽度优先、深度相对较小的加工方式比较合理。这是由于高速机床加工时要避免切削力过大对电主轴的损伤，另外，高速切削时采用较小的切削深度可以有效减小刀具振动，保证加工的稳定性，减小材料对刀具和主轴的冲击。

（3）每齿切削量。无论是传统数控铣削还是高速切削，主轴转速与进给速度之间的关系要结合被加工材料的特点来考虑。对金属切削而言，不同材料，由于结构和机械性能的不同，加工性能也不同。如铝合金，要选择比较锋利的刀具；如高速钢或硬质合金刀具，粗加工时，每齿切削量在0.08～0.15mm比较合理。这是由于铝合金强度低、熔点低，在切削加工过程中，容易粘刀，如果刀具不锋利，每齿切削量较小时，刀具与工件之间是在摩擦，而不是在切削。

钢制模具型腔加工，刀具材料要选择强度比较高的硬质合金、立方氮化硼，每齿的切削量控制在0.03～0.10mm是合理的。如果每齿切削量过小，刀具与工作将会是摩擦，而不是切削；如果每齿削量过大，切削力大，刀具磨损将较严重。如果采用整体硬质合金力具或陶瓷刀具，应保证切削稳定性，这是由于陶瓷材料和硬质合金抗冲击性较差、很容易崩刃，要尽可能避免加工过程中的振动和冲击。

采用不同成型工艺的模具，其所用的模具材料也各不相同。根据模具加工的实际情况，对加工工艺、刀具、主轴刀柄、铣削方式及切削参数进行合理选择搭配，可以有效提高模具加工效率，降低模具制造成本，保证模具和产品质量，这对于提高模具行业数控加工效率具有非常现实的意义。