高速切削加工模具的关键技术研究

4 模具高速切削制造工艺技术

　　模具高速切削制造工艺技术主要包括切削方式、走刀、加工阶段、切削参数选择等。
   
　　a)切削方式的选择：在模具高速数控铣削加工中，应尽量选用顺铣加工，因为在顺铣时，刀具刚切人工件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切人工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热量，所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多，径向力也大大增加。同时在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶劣，降低了刀具的使用寿命，顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程如图2所示。高速切削加工适于浅切深，切削深度不应超过0．2咖，这是为避免刀具的位置偏差，确保加工模具的几何精度，保持恒定的金属去除率，保证加在工件上的切削载荷是恒定的，以获得较好的加工效果。
   
　　b)走刀方式的选择：对于带有敞口模具型腔的区域，尽量从材料的外走刀，以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域，采用螺旋进刀方式，在局部区域切入。
   
　　高速切削加工中，由于机床加速的局限性，容易造成时间的浪费，急停或急动则会破坏模具表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。故应尽量减少刀具的急速换向，选择单一路径切削模式进行顺铣，不中断切削过程和刀具路径。尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。
   
　　c)加工阶段及策略：高速切削加工阶段包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工，以及以获取高品质的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工阶段等。
   
　　1)粗加工阶段：粗加工阶段所应采取的工艺策略是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和z轴等高两种方式。对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且同时可以使用螺旋方式，在很少抬刀情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面品质。在高速加工中一定要采取圆弧切入、切出连接方式，以及拐角处圆弧过渡。禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速数控加工的程序。
   
　　2)半精加工阶段：半精加工阶段的策略是进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括：粗加工阶段轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。模具高速加工CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。
   
　　3)精加工阶段：高速切削精加工阶段的策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。对许多形状来说，精加工阶段最有效的策略是使用三维螺旋策略，使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变，从而提高加工速度，减少刀具磨损。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来使用。
   
　　d)切削参数的选择：
   
　　1)刀柄和刀具：不同加工阶段对刀杆的要求有侧重。粗加工阶段：可能产生明显的机械压力；刀头要求减弱摆动和震动。半精加工阶段：在所有加工表面上产生均衡的预留量；可能需要纤细的刀头来加工深部及细小部份。精加工阶段：此工序目的在于精度及平面光亮度；要求最小的圆跳动、高精度和高强度；可能会要求纤细刀杆和直径小的刀具来加工深部或细小部分。
   
　　刀具在高速加工中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，不同材料的工件高速切削时，刀具的选用要注意其与工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TiC(N)等。其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛，可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。
   
　　2)刀具的选择：刀具选择的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被件的表面尺寸相适应。生产中，模具零件周边轮廓的平面加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时。可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行模具自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，球头刀具常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工品质和切削效率方面都优于球头刀，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。
   
　　3)切削用量的确定：选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工品质的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。考虑以下几个因素：
   
　　切削深度t(轴向进给量)：在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，t就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施，为保证模具零件的加工精度和表面品质，一般应留一定的余量进行精加工；
   
　　切削宽度L：一般与刀具直径d成正比，与切削深度成反比；
   
　　切削速度vc：提高vc也是提高生产率的一个措施，但vc与刀具耐用度的关系比较密切，随着vc的增大，刀具耐用度急剧下降，故vc的选择主要取决于刀具耐用度，切削速度与加工材料也有很大关系，具体的确定方法通常采用下列3种方法：由刀具供应商提供；参考已有的实验数据；通过大量切削实验建立自己的数据库。
   
　　4)主轴转速n(r／min)：主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为：vc=πdn／1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。
   
　　5)进给速度vf(每齿进给量fx)：vf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，vf可选择得大些。在加工过程中，vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。
   
　　由于每齿进给量．疋的设定正确与否，对刀具所受切削载荷的合理分布有着极其重要的影响，所以实际生产中的每齿进给量的确定可用类似于确定切削速度的方法来确定：由切削刀具供应商提供；参考别人研究所得的实验数据；通过大量切削实验获得。
   
　　5 结语
   
　　为保证高速加工在模具制造中的顺利实施，首先要注意高速机床的正确选择和安全使用；其次是要清楚高速加工对编程人员的要求与编程方式发生了改变，高速加工对CAD／CAM系统的要求以及高速加工模具的常用编程策略；重点讨论了高速加工模具的工艺技术如切削方式的选择、走刀方式的选择、各加工阶段的不同任务及相应的加工策略、刀头系统和刀具的正确选用、切削用量的选择等，并阐述了高速加工模具工艺制订的内容和一般步骤。