一、模具粗加工的策略：
模具加工作為機械加工制造的典型，其制造水平的高低反映著一個國家的綜合技術實力。各種類型的模具與注射模、壓縮模、沖壓模、級進模、壓鑄模等成型工藝技術的應用，都直接取決于模具制造精度、效率。模具常用銑削加工的策略是粗加工、辦精加工、精加工、拋光及表面強化等的。下面對模具數控加工中常用的策略進行簡單說明。
(1)基于毛坯的加工
采用基于毛坯的加工策略包含基于原始毛坯的等高分層加工和基于中間工序的殘留毛坯加工兩種方式，其數控加工金屬切削的原理相同。目的都是實現刀具在加工過程中的余量均勻，刀具每次加工時所承受的切削力、切削深度、切削寬度相當，從而保持加工的平穩性，提高加工的效率。采用基于毛坯的刀具軌跡策略，對于提高模具的加工效率、提高刀具的使用壽命、保持機床精度、提高產品質量的有效途徑。現有市面的CAM軟件，UGNX和Cimatron、PowerMill等都提供了較好的基于毛坯加工編程的策略。
(2)型面比較復雜的加工
模具型腔和型芯的加工，其特征一般表現在型面比較復雜，大部分都是空間的三維曲面，因此曲面的銑削加工時，曲面的光順性、表面光潔度等精度要求直接影響著產品的成型質量。常用的數控加工中心，多為三軸聯動的數控機床。在模具銑削時，最常見的刀具軌跡策略是采用X、Z或Y、Z兩軸聯動，通過等歩距或變歩距行切的方式進行加工。這種方式對于模具的粗加工和精度要求不高的模具精加工(后續采用拋光工序)是可行的，但是對于模具的半精加工和精加工，這種方式不太理想，如果采用45度行切實現X、Y、Z三軸聯動加工的策略，對于提高模具的半精加工和精加工的表面質量、光潔度有著非常明顯的改善作用，這也是現代模具數控加工中心精加工的一種典型策略。
(3)深腔加工時的策略(鉆削的影響優勢與劣勢)
對于大深度的模具型腔加工，如何提高粗加工的效率一直是機械加工的一個難題。典型常用的加工策略有鉆削排量、鉆銑排量、挖槽等高分層加工等幾種方式。其中鉆削排量的效率高，但是，鉆削排量時，孔與孔之間形成的尖銳區是后續加工的難點，這些尖銳區無論采用銑削還是其它的方式，對于后續的精加工不利，尤其是鋸齒狀的側面輪廓銑削時，由于余量非常不均勻，對刀具和機床沖擊較大，嚴重影響了后續加工的順利進行。相對單純的鉆削排量，采用鉆銑刀進行鉆銑排量時可有效避免鉆削排量的缺點，但是由于鉆銑刀的底刃相對于鉆頭的底刃來說，軸向的下刀及加工效率相對鉆削排量要低得多，采用鉆削排量+鉆銑排量結合的方式是一種比較好的方式，主要余量部分采用鉆削排量，尖銳區采用鉆銑排量的方式。
等高分層的加工策略是比較穩妥的一種方式，但是對于銑刀的加工參數和刀具成本的控制策略相對比較復雜，尤其是中小型模具加工時，其附加值不高，刀具的成本在模具的粗加工時是企業必須考慮的一個重點要素，因此，必須在切削工藝參數和刀具的選擇上作出合理科學的決策，如采用鉆銑排量+等高分層切削也是一個比較好的選擇。
(4)不同材料的加工
不同成型工藝方式的模具，其所采用的模具材料各不相同，市面上模具型腔型芯材料以黑色金屬為主，占90%的比例，鋁合金、鋅和金、不銹鋼材料的模具比例相對較小。黑色金屬材料分兩種典型的類型，經過調質后的中等硬度、綜合性能比較高的的熱處理狀態和高硬度淬火的熱處理狀態。對于調質狀態的模具加工，其加工性能相對較好，對刀具和機床的要求也相對較低。對高硬度淬火狀態的黑色金屬模具材料進行切削時，選擇合適的刀具、合適的機床、合適的刀具軌跡策略、合適的工藝流程方案、合適的冷卻方式、創造有利的排屑方式等等對于提高模具粗加工的效率是非常有意義的。而對于粘性材料如鋁合金、不銹鋼的加工，主要從刀具的選型、冷卻潤滑效果、切削工藝參數上進行合理的搭配即可，其難度相對于高硬度淬火狀態的模具加工要小得多。
(5)變速切削策略(恒功率、扭矩、OMAT功能)
高速切削作為現代數控加工的趨勢，其應用場合越來越廣。但是對于一般的中小型企業，尤其是小型企業由于其使用成本高，，采用高速切削的策略應用不是很普遍，傳統的數控加工策略模式所占的比重還是主流，因此如何有效的提高傳統數控機床的銑削加工效率還是非常具有現實意義的。
傳統數控機床進行銑削時，采用恒功率、恒扭矩的方式進行模具的粗加工策略是非常重要的，既可以有效的提高加工效率、保證產品質量的同時，可有效的降低刀具成本、保持機床的精度和壽命。在數控編程方面，Cimatron和UGNX均提供了較好的變速切削的策略，即針對不同的切削深度和寬度，使切削加工時的主軸轉速、進給速度進行相應的調整來實現，而Vericut軟件也可以通過程序優化的方式來保證加工的平穩性。使用好這些軟件的前提是必須有一定的加工經驗和較為豐富的數控編程經驗，其對人的依賴性較大。
而采用硬件的方式，如通過數控機床的主軸監控或使用OMAT優化控制器來監測主軸的運轉狀況，通過有效的自適應控制方法來優化銑削加工時的轉速S和進給速度F是非常有意義的，且OMAT是基于人工神經模糊控制策略的，因此其經驗的積累可以不斷的在加工過程中得到優化，使用自適應控制策略的時間越長，模具粗加工的效率越高、刀具的成本越來越低。
二、銑削刀具、刀柄、加工參數的合理搭配
1、主軸刀柄的選擇
對于模具型面的粗加工來說，由于銑削時的切削力、扭矩比較大，因此加工時對主軸刀柄的剛性、主軸電機的扭矩和功率、伺服電機的進給推力有一定的要求。因此在粗加工階段，盡量選擇主軸電機功率大、刀柄剛性高的數控機床上來加工，如采用BT50的刀柄主軸或HSK100A的高速電主軸機床來加工。
2、刀具的選擇
一般數控機床加工模具時，如果考慮刀具的成本，采用焊接硬質合金刀具來進行模具的粗加工時是可行的，但如何采用合理的切削參數，對于提高刀具的壽命是非常有意義的。對于模具的粗加工，采用等高分層的高速加工策略，采用鑲齒刀片的刀具或整體硬質合金刀具來進行加工也是非常有效的一種途徑。
3、不同切削刀具對應的切削深度、寬度、轉速和進給速度的搭配
無論是采用傳統的數控加工，還是高速切削的方式進行模具的粗加工，如下的幾條原則都是非常有意義的。
(1)對稱和非對稱切削的應用：對刀具而言，采用非對稱切削的方式，刀具在切削加工過程中，所承受的切削力小，主軸的扭矩也小。刀具在加工過程中，尤其是螺旋立銑刀，加工過程中一定要避免銑刀雙側受力。這樣切削比較平穩，切削力小，切屑容易排出，對刀具的傷害比較小。銑刀銑削時，如果銑刀雙側受力時(滿齒寬切削)，由于切削力比較大、機床的振動、切屑的影響、主軸的跳動等對刀具、機床的要求較高，刀具磨損較快。原則上，要避免滿齒寬切削，采用45~80%的銑削寬度是可行的。
(2)深度優先和寬度優先的選擇：對于普通數控機床采用焊接硬質合金的螺旋立銑刀進行模具型腔型芯的加工時，在銑削深度和銑削寬度的選擇上，滿足相等金屬切屑去除率的前提下，優先采用較深的銑削深度，采用相對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，刀具的磨損集中在切削的部位，如果采用小深度、大寬度的方式，對刀具的壽命影響較大。采用大深度、相對窄的寬度進行銑削時，相同的刀具，其刀具耐用度較高。如采用20mm直徑的銑刀進行粗加工時，采用切削深度10mm、切削寬度為8mm比采用切削深度5mm、切削寬度為12mm的加工參數相比，前者的刀具耐用度提高一倍，加工效率相對高20%左右，同時可以有效的降低刀具的成本。
對于高速切削機床的模具粗加工時，由于多采用鑲齒的刀片進行型腔的加工，采用寬度優先、相對較小的深度來加工是比較合理的。這是由于高速機床加工時，要避免切削力過大對電主軸的損傷，另一方面，由于高速切削時要求采用較小的切削深度，可以有效的減小刀具的振動的同時來保證加工時的一致穩定性，減少對刀具和主軸的沖擊。
(3)每齒切削量：無論是傳統的數控銑削還是高速切削，主軸的轉速、進給速度之間的關系，要結合被加工模具材料的特點來考慮。對金屬切削而言，不同的工件材料，由于其材料的結構及機械性能的不同，材料的加工性能不同。如對于鋁合金而言，要選擇比較鋒利的刀具如高速鋼或硬質合金，粗加工時，每齒切削量在0.08mm~0.15mm之間是比較合理的。這是由于鋁合金材料，其強度低、熔點低，在切削加工過程中，由于材料比較軟，很容易粘刀。如果刀具不鋒利，每齒切削量比較小時，刀具與工件之間是在摩擦，而不是在切削。
對于鋼件模具型腔型芯的加工，刀具要選擇強度比較高的硬質合金、立方氮化硼材料比較好，每齒的切削量控制在0.03~0.10mm之間是合理科學的。如果每齒切削量過小，刀具與工件發生摩擦，不是在切削;如果每齒切削量過大時，切削力大，刀具的磨損嚴重。如果采用整體硬質合金刀具或陶瓷刀具進行加工，在切削的穩定性控制方面要保證好，由于陶瓷材料和硬質合金抗沖擊性比較差，很容易崩刃，因此盡可能避免加工過程中的振動和沖擊。
三、模具數控銑削加工編程
如表1所示的某磚瓦橡皮模具成型時所用的瓦皮墊。現對該瓦皮墊成型的步驟進行簡單介紹，重點說明如何通過對該產品進行逆向工程、模具設計、模具數控加工的基本流程進行了簡要介紹。該產品逆向設計所用的軟件平臺為Imageware、采用UGNX進行模具設計，最后采用UGNX和Mastercam分別進行數控銑削加工編程。
(1)瓦皮產品與模具型面設計
如圖1-圖4所示，首先利用Atos掃描儀或FARO柔性關機臂坐標測量機等掃描設備對瓦皮產品進行三維點云掃描后，將點云導入逆向工程軟件Imageware平臺下，進行點云的處理，包括點云過濾、曲率分析、生成三維空間曲線后，利用Imageware中的逆向曲面造型功能完成產品的主要型面的反求造型設計。將逆向工程后期的產品曲面模型導入UGNX平臺，利用UGNX軟件強大的三維模具專家設計系統功能，快速高效的完成瓦皮凸模型面和凹模型面的詳細設計。
圖1 產品三維點云掃描
圖2 Imageware平臺下產品三維逆向造型
圖3 UG NX平臺下瓦皮凸模型面詳細設計
(2)基于Mastercam的模具型面銑削編程
如圖5-圖10所示，在Mastercam環境下，對于該瓦皮模具型面銑削加工編程，常用的型腔粗加工排量方式有挖槽加工、淺平面銑削等方式，其中淺平面銑削加工是對挖槽加工的補充。半精加工有等高輪廓和曲面平行銑削兩種方式，從圖7和圖8的軌跡可以看出，等高輪廓加工方式存在余量不均勻且不利于裝夾的特點，因此對于該類型型腔半精加工采用曲面平行銑削方式比較好。對于精加工方式，采用平行銑削和平行換向銑削兩種方式均可，但是鑒于模具型腔的表面光潔度要求，采用圖10的軌跡方式進行加工，對于后續的拋光工序順利進行比圖9的軌跡方式要好。
圖5 挖槽粗加工排量
圖7 等高輪廓半精加工
圖9平行銑削精加工
(3)UGNX基于毛坯和殘留的編程優勢
如圖11-圖14所示，在UGNX環境下，對該模具型面進行數控銑削加工編程的流程依次為等高粗加工、殘留加工、曲面流線半精加工和精加工。從中可以看出，由于提供了表面殘余銑削加工的編程功能，對于提高編程的效率和加工效率是極其有利的。因此實際加工編程時采用了UGNX的編程功能和加工策略取得了較好的效果，其加工效率較傳統的模具粗加工的效率提高了50%以上;圖15是加工現場的效果圖。
圖11 等高粗加工軌跡
圖13 型面刀具軌跡加工仿真
圖15 加工現場
采用相同的策略，如圖17和圖18所示對某沖孔落料成型模具的凸模和壓邊圈進行數控銑削加工編程時，采用基于毛坯的方式銑削加工編程的策略。在測量毛坯實物的特征尺寸基礎上，在UGNX環境下將毛坯設計完成后，首先采用立銑刀進行基于毛坯的等高分層加工的方式，然后利用球頭銑刀進行半精加工和精加工，其加工效率比采用單純的球頭銑刀進行粗精加工的方式提高一倍以上。
采用立銑刀進行加工時，關鍵是要對毛坯進行測量，將毛坯的實際尺寸作為編程的毛坯模型，然后利用UGNX的基于毛坯的等高分層的策略進行刀具軌跡的編制和程序的輸出。采用基于毛坯的刀具軌跡編制策略的優勢在于可以有效的減少空刀，同時利用等高分層的策略結合毛坯識別的功能，可以保持刀具切削時軌跡的平穩性、流暢性和高效性。這種方式對于優化刀具軌跡、降低刀具的成本、提高模具的粗加工效率是非常有效的一種途徑，對于模具企業的生產效率和成本是非常有意義的。
圖17、凸模的毛坯及其粗精加工刀具軌跡
圖18、壓邊圈的毛坯及其粗精加工刀具軌跡
四、小結
本文針對模具型面粗加工時，從數控機床主軸刀柄的選用、刀具的選型、切削參數的組合、刀具軌跡的編程策略等方面進行了講解，圍繞提高模具型面銑削粗加工時效率的途徑進行了實例介紹，希望對讀者有所參考借鑒作用。
參考文獻
【1】高速切削技術及應用、機械工業出版社、張伯霖、2003
【2】金屬切削原理、機械工業出版社、陳日曜、1995
【3】材料科學基礎、機械工業出版社、石德珂、2002
浙公網安備: 33028102000314號