模具型腔精加工及走刀方式探討

王志富 楊國文

【摘要】數(shù)控CNC加工過程的優(yōu)化涉及切削參數(shù)、刀具選擇、走刀方式、刀具路徑生成等方面。其中關(guān)于刀具路徑、切削參數(shù)的研究較多，關(guān)于走刀方式的研究較少。本文主要研究模具型腔精加工工藝及用于精加工的刀具走刀方式，以提高模具型腔精加工質(zhì)量并降低成本。

【關(guān)鍵詞】模具;型腔;走刀方式

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對用于制造產(chǎn)品的模具要求不斷提高。不但要求模具的形狀精度和表面質(zhì)量能夠滿足要求，還要求模具使用壽命長，特別是為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，需要盡可能地縮短模具交付時間?；诖耍瑐鹘y(tǒng)的模具制造工藝不斷改進(jìn)，快速高效的CNC銑削加工可以提高模具制造質(zhì)量。借助CNC加工技術(shù)和計算機(jī)輔助制造等新技術(shù)，模具加工邁入計算機(jī)輔助制造新階段。但是，即使是最智能的CAD/CAM系統(tǒng)也只能減少處理過程中的人為干預(yù)，而不能完全避免人工干預(yù)，仍然需要人工操作自動化設(shè)備來調(diào)整加工過程，控制加工工藝參數(shù)，技術(shù)人員必須合理選擇加工刀具、切削參數(shù)、走刀方式等。精密銑削量相對較小，通常刀具的受力不會超過其承受范圍。為了提高效率，可以選擇最大進(jìn)給速度和最大轉(zhuǎn)速。影響銑削性能的因素主要是銑削寬度，即兩個相鄰刀具路徑之間的距離。為了提高加工效率，在確保加工質(zhì)量的前提下，可以嘗試增加切割寬度，這是選擇精加工銑削刀具走刀方式的基本依據(jù)。

1 刀具的選用

為簡化計算量并方便選擇工具組合，必須首先在刀具庫中篩選刀具。可以在模具型腔加工中使用的刀具稱為可用刀具。篩分原理是一種可以在考慮效率和不過切的情況下加工模具型腔中的刀具。選擇依據(jù)如下

首先，分析分型線輪廓的最大內(nèi)切圓直徑 ，刀具庫中最大的直徑（小于） 的刀具就是可以選用的最大刀具

其次，模具型腔的最小圓角半徑和最小的相對側(cè)距離可以確定最小刀具，以便處理模具型腔的各種特殊部位。最小的刀具應(yīng)該是小于模具型腔的最小圓角半徑和最小的相對側(cè)距離的最大刀具 。

最后，可選用所有直徑在 ， 之間的刀具。

2立面、水平面銑削加工

（1）立面上任何點的法線平行于水平面。不管是平面還是沿z軸方向延伸的自由曲線，都可以使用直角立銑刀，通過等高輪廓走刀方式銑削，再垂直進(jìn)給以繼續(xù)銑削下一個切削層，以去除半成品余量，提高表面加工質(zhì)量。在加工中要注意工具臂的伸出是否足夠長，為避免刀柄、工件碰撞，刀具的伸出長度需超出加工面深度。然而，超長懸臂的工具變形變大，加工精度誤差增大，因此需要根據(jù)加工狀態(tài)、刀具選擇伸出長度。

（2）對于垂直于刀具軸線方向的水平面，通常使用高效，高加工質(zhì)量的直角立銑刀立銑方法。加工中的走刀方式可以基于加工表面的輪廓選擇，沿某個方向或圓形方式走刀。

3斜平面銑削加工

可以使用等高輪廓走刀或直角立銑刀沿坡走刀方式進(jìn)行法向與水平面夾角在0°—90°的自由形面加工，但是，不同的走刀方式具有不同的處理效率和質(zhì)量。因此，首先要確定選擇斜面加工走刀方式的選擇依據(jù)和殘余高度的計算方法，然后分析自由曲面的加工走刀方式的選擇。斜平面和水平面之間的夾角θ在0°—90°之間。由于夾角大小不同，所選擇的刀具和加工方法也不同。隨著夾角θ的增大，為了確保加工質(zhì)量，銑削寬度變小，銑削效率會降低，銑削寬度相同時，殘留高度變大，表面質(zhì)量會變差。另外，直角銑刀采用沿坡走刀，必須考慮銑刀坡走角約束。因此，當(dāng)坡度達(dá)到一定水平時，該加工方法不再適用，應(yīng)使用球形刀具。在球形刀具的加工中，盡管靠近球頭末端的切削速度接近零，但是在加工后很容易在零件的表面上留下劃痕，在低切削速度、高轉(zhuǎn)速的情況下劃痕不明顯。如果質(zhì)量要求不是特別高，則仍然可以滿足要求。由于球形切削刃的特殊性，無論是沿平面輪廓加工還是等高輪廓加工。切削刃在工作表面法線平面上的投影仍為圓形。從理論上講，仿形加工、等高輪廓加工的切削性能是相同的，但由于銑刀的力變形影響，當(dāng)平面略有傾斜時采用沿坡走刀加工方法，否則應(yīng)使用球刀等高輪廓走刀方式。

4自由曲面銑削加工

4.1 等效半徑

對于普通模具來說，它們的型腔的大多數(shù)都是自由曲面，自由曲面的銑削加工方法要復(fù)雜得多，且自由曲面其余形狀應(yīng)考慮曲率法線的影響。

具有不同曲率的自由曲面的殘留高度會有所不同。對于曲率相同的自由曲面，不同的凹凸方向?qū)?yīng)的殘留高度也是不同的。在分析中，可以運(yùn)用UG表面分析函數(shù)定義表面曲率半徑，凹面曲率半徑定義為負(fù)值，而凸面的曲率半徑定義為正值。凹面殘留高度和曲面的曲率、刀具半徑、切削寬度有關(guān)。等效半徑即沿坡走刀時，直角立銑刀切削輪廓在法線平面上的投影是橢圓形的，刀具輪廓光滑的一段、刀具的橢圓投影輪廓的短半軸端點、切削輪廓與相鄰兩側(cè)刀具路徑的交點形成的圓的的半徑定義為直角立銑刀的等效半徑。

4.2走刀方式選擇

如果曲面的曲率半徑較小，則半徑較小的刀具的擬合效果更好。因此，直角立銑刀在小半徑區(qū)域的加工效果不如具有相同半徑的球刀好。兩者都使用相同的切削寬度和殘留高度，可通過下列公式計算得到臨界曲率

凹面：

凸面：

其中， 表示等效半徑， 表示曲率半徑， 表示切削寬度。曲率半徑小于 區(qū)域采用半徑較小的刀具銑削，否則選擇半徑較大的刀具。為了使程序員更容易基于UG的表面分析功能進(jìn)行編程，使用UG / OPENAPI接口開發(fā)了加工區(qū)域劃分模塊，以簡化加工過程并在邊界處生成邊界曲線。

直角立銑刀輪廓的輪廓銑削：通常僅用于加工立面。在有傾斜角度的區(qū)域中，直角立銑刀的輪廓銑會留下劃痕，因此通常不使用。

直角立銑刀沿坡度的仿形走刀加工：通常用于與水平面成較小角度且具有較大曲率半徑的區(qū)域。

球刀沿坡度銑削仿形走刀加工：用于加工{ < ?θ

球形銑刀的等高輪廓銑削：用于加工 θ<90°的區(qū)域。

結(jié)語

綜上所述，在模具數(shù)控加工的研究中，首先考慮的問題之一是刀具和切削參數(shù)的選擇。刀具選擇是一個復(fù)雜的過程，它受到多種因素的影響。在精加工走刀方式的研究方面。本文通過分析在滿足相同殘留高度要求的前提下，模具型腔精加工中不同刀具不同走刀方式允許的切削寬度，給出不同區(qū)域效率最高的走刀方式。然后利用UG的曲面分析功能，開發(fā)了模具型腔精加工中加工區(qū)域劃分模塊，并以不同的顏色對不同區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，幫助工藝員進(jìn)行數(shù)控編程，提高加工效率，降低了加工成本。

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王志富，1984.09，工程師，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司工模具分公司，主攻模、夾具設(shè)計制造及數(shù)控加工方面的研究。

楊國文 ，1983.7，工學(xué)碩士，湖南工貿(mào)技師學(xué)院

通用航空教研室主任

從事數(shù)控精密加工，在航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工及薄壁件變形控制方面有深入研究。