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      模具制造中的數(shù)控銑削加工刀具技術(shù)

      2022-09-20 04:55:14張世君
      金屬加工(冷加工) 2022年9期
      關(guān)鍵詞:工步刀桿凸模

      張世君

      山東浩信機械有限公司 山東濰坊 261307

      1 序言

      工業(yè)模具種類繁多,包括翻砂鑄造模具、精密鑄造模具、五金模具、塑膠模具、輪胎模具、高低壓鑄造模具、熱流道模具和粉末合金模具等,模具制造的工藝核心是數(shù)控加工,數(shù)控刀具是數(shù)控加工重要的環(huán)節(jié),俗話說“三分技術(shù),七分刀具”,足見數(shù)控加工刀具的重要性。

      2 模具材料特性

      模具材料包括碳素工具鋼、合金工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵類、不銹鋼類、高溫合金類、有色金屬和淬火鋼類等,這些材質(zhì)涉及到了機加工的六大材料組,業(yè)界把模具材料分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等。六大模具材料的切削特性及適用的刀具材質(zhì)見表1[1]。

      表1 六大模具材料切削特性及適用的刀具材質(zhì)

      (續(xù))

      3 模具銑削CAM加工策略及標準刀具

      加工策略與刀具相互對應(yīng),科學選取有助于保證效率、質(zhì)量和成本。需要加工的模具如圖1所示,根據(jù)相關(guān)標準,制定模具加工工步并選擇相應(yīng)刀具,結(jié)果見表2,圖1上標注的數(shù)字與表2中的序號相對應(yīng)。

      圖1 加工模具

      模具的定位導柱、頂桿孔和其他功能性孔需要使用孔類加工刀具進行加工,孔類加工刀具及其圖示見表3。根據(jù)2D、3D、仿型銑和多軸加工等刀具策略選取對應(yīng)刀具,鉆孔、螺旋鏜削、倒角鉆削、全圓銑削和螺紋銑削分別選擇不同的刀具。

      加工模具時,各個工步中的下刀方式是刀具和刀路選取的關(guān)鍵因素,加工模具時刀具下刀如圖2所示,具體策略及圖示見表4,圖2上標注的數(shù)字與表4中的序號相對應(yīng)。

      圖2 加工模具時刀具下刀示意

      4 模具加工刀具選取

      4.1 考慮因素

      模具銑削加工刀具選擇考慮的因素有:①根據(jù)機床主軸接口(BT、HSK、NT和Capto等)選取刀柄形式。②根據(jù)模具銑削策略及工步的大小選取刀具結(jié)構(gòu)(面銑刀、快進給銑刀、方肩銑、整體合金銑刀、圓鼻刀、球刀、倒角刀和鉆孔刀等)。③根據(jù)模具結(jié)構(gòu)及大小,分析模具型腔、凸模拐角和R角大小,確定最小刀具和最大刀具,二次開粗使用的第二把刀具的直徑為首次切削開粗刀具直徑的1/2,三次開粗所用的第三把刀具直徑為第二把的1/2,以此類推,將模具型腔及凸模拐角處的材料清理干凈,利用精加工策略進行高速精加工,刀具一般根據(jù)加工的復雜程度選用圓鼻刀或球刀。④垂直或水平拐角處的清角一般結(jié)合垂直或水平R角來選取清角刀具。

      表2 模具加工工步及刀具選取

      表3 孔類加工刀具

      表4 刀具下刀方式

      (續(xù))

      4.2 不同模具加工的刀具選取案例

      (1)汽車凸模加工 汽車凸模(見圖3)材料為Cr12,硬度為28~31HRC,采用濕式加工,不進行后期熱處理,加工該模具時的刀具選取見表5。

      圖3 汽車凸模

      表5 汽車凸模加工刀具

      (2)汽車凸模加工 翻砂鑄造模(見圖4)材料為鑄鋁,工件大小為500mm×300mm×160mm,垂直拐角半徑為4mm,水平拐角半徑為3mm,毛坯余量為8mm,采用消失模鑄造技術(shù)進行濕式加工,加工該模具時的刀具選取見表6[2]。

      圖4 翻砂鑄造模

      (3)汽車凸模加工 型腔臺板凹模(見圖5)材料為HT300,尺寸為500mm×400mm×150mm,采用三軸立式加工中心進行濕式加工,在調(diào)質(zhì)處理后加工,加工該模具時的刀具選取見表7。

      圖5 型腔臺板凹模

      表6 翻砂鑄造模加工刀具

      表7 型腔臺板凹模加工工藝案例及刀具方案

      (續(xù))

      5 新一代模具刀具

      目前,世界各大刀具廠在刀具細分市場不斷創(chuàng)新,每年推出具有競爭力的刀具來提質(zhì)增效降本??蓳Q頭刀具系列得到了各大刀具制造商的積極推廣,應(yīng)用越發(fā)廣泛,刀桿可采用合金材質(zhì),減振刀桿、合金減振刀桿的懸伸可達12倍,大大降低了加工時的振動,將表面質(zhì)量提升了幾個量級。最新刀具在刀桿材質(zhì)、刀具結(jié)構(gòu)上進行了質(zhì)的優(yōu)化,在粗加工和二次開粗時,可以快速地更換刀頭,端銑刀頭、圓鼻銑刀頭、倒角頭和鉸刀頭等都可以共用同一把刀桿,大大減少了刀具的投入,適合模具加工使用。

      在模具加工中,刀桿的懸伸需要遵循刀桿最粗原則和刀桿最短原則。當直徑與懸伸有沖突時,可以利用合金刀桿、可換頭刀桿及減振刀桿等來降低加工時振動的頻率及概率,從而保證加工的效率、成本和表面質(zhì)量。刀桿按材料可分為鋼制刀桿、合金刀桿、一般減振刀桿、合金減振刀桿和其他減振刀桿(3D打印刀桿等)。懸伸為3~4倍徑時選用鋼制刀桿,懸伸為5~6倍徑時選用合金刀桿,懸伸為7~8倍徑時選用減振刀桿,懸伸為10~14倍徑時則應(yīng)選用合金減振刀桿[3]。

      對模具加工中使用的刀柄進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計,其中部分創(chuàng)新刀柄見表8。

      先進提效刀具的高效率指的是提升切削三要素的能力,即提高切削速度、背吃刀量ap和進給量fz(或進給速度vf),先進提質(zhì)刀具的提質(zhì)就是指降低失效模式、優(yōu)化減振效果和提升表面質(zhì)量。結(jié)合六大材料組及特定的切削狀態(tài)(特別是容易粘刀的航空鋁合金薄壁零部件及易發(fā)生磨損失效的鈦合金、鎳基合金等)制作專用刀具,針對熱處理后硬度在60HRC以上的模具材料加工,部分創(chuàng)新刀具見表9[4]。

      表8 部分創(chuàng)新刀柄

      表9 部分模具加工創(chuàng)新刀具

      高硬度鋼、合金鋁、淬火鋼和高溫合金等難加 工模具所使用的部分先進銑削刀片見表10。

      表10 部分先進銑削刀片

      6 結(jié)束語

      學會模具CAM軟件及刀具的合理選配,是模具工程師的必修之課。通過對模具工序、工步的全面了解,針對需要加工的模具材質(zhì),匹配科學合理的刀具;通過對加工的凹凸模進行分析,制定合理的刀具路徑、刀具策略和切削參數(shù),選用合適的刀具種類進行加工,就能做到事半功倍,達到提質(zhì)增效降本的目的。

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