影響模具自由曲面加工質(zhì)量的因素分析

楊順田 彭美武

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川618000)

影響模具自由曲面加工質(zhì)量的因素分析

楊順田 彭美武

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川618000)

全面分析了模具自由曲面的數(shù)控加工過程，介紹了影響曲面精度、表面質(zhì)量的相關(guān)因素。提高模具曲面加工質(zhì)量、精度需要多種因素的良好配合。

模具；自由曲面；數(shù)控加工

現(xiàn)代模具制造業(yè)中，型腔或型面設(shè)計日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，對曲面的制造精度也提出了更高的要求。模具制造工藝系統(tǒng)的精度、數(shù)控系統(tǒng)的精度和模具制造的CAM技術(shù)都會對曲面加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。而包含自由曲面的模具制造基本上都是借助各種 CAM 軟件進行自動編程，利用數(shù)控機床加工完成的，工藝裝備與數(shù)控加工方案是影響曲面制造精度的重要因素。

1 合理搭配設(shè)備，提高設(shè)備利用率

模具曲面的加工一般是在數(shù)控加工中心上完成的。數(shù)控加工中心經(jīng)較長時間的使用，會有一定的精度損失，應(yīng)定期對數(shù)控設(shè)備進行檢測維修，明確每臺設(shè)備的加工精度和加工任務(wù)。嚴格區(qū)分粗、精加工設(shè)備的使用。粗加工時對設(shè)備的精度損害是最嚴重的。將使用年限較長、精度較差的設(shè)備定為專用的粗加工設(shè)備，新設(shè)備和精度好的設(shè)備定為精加工設(shè)備，做到對現(xiàn)有設(shè)備資源的合理搭配、明確分工。將機床對加工質(zhì)量的影響降到最低，同時又保護昂貴的數(shù)控設(shè)備，延長設(shè)備的使用壽命。

2 刀具系統(tǒng)的選配

刀具系統(tǒng)是機床的“牙齒”。刀具系統(tǒng)的選配對發(fā)揮機床的作用非常重要，與機床相關(guān)的刀柄、刀具極大地影響數(shù)控加工質(zhì)量。在旋轉(zhuǎn)刀具加工系統(tǒng)中，主軸與夾頭(或其組合體)的聯(lián)結(jié)是實現(xiàn)刀具加工性能的真正基石。

2.1刀柄的選用

常用刀柄與機床的接口有BT柄和HSK柄。BT柄與機床主軸的接口錐柄錐度為7∶24，這種方式的刀柄只適于傳統(tǒng)的低速加工。因為BT刀柄與主軸只是錐面配合，當(dāng)轉(zhuǎn)速太高時，由于離心力的作用會使錐面配合間隙增大，從而影響數(shù)控加工質(zhì)量。當(dāng)機床最高轉(zhuǎn)速達到15000r/min時，通常需要采用HSK型刀柄。HSK 桿為過定位結(jié)構(gòu)，與機床聯(lián)結(jié)，在機床拉力作用下，保證刀桿的短錐、端面與機床緊密配合。

2.2刀柄夾緊方式分析

刀柄對刀桿、刀具的夾緊方式主要有“側(cè)固”式、彈性夾緊式、液壓夾緊式和熱膨脹式等。側(cè)固式精度較低并且難以保證刀具動平衡，在高速銑削時不宜采用。熱膨脹式刀桿夾頭的刀孔與刀柄為過盈配合，須采用專用熱膨脹裝置裝卸刀具。一般使用電感加熱或熱空氣加熱刀桿，使刀孔直徑膨脹，然后將刀柄插入刀孔內(nèi)，冷卻后孔徑收縮將刀柄緊緊夾住。通過多年的應(yīng)用、比較、總結(jié)，現(xiàn)在采取的方案為：粗加工或大進給加工時采用BT彈簧夾頭刀柄；普通機床上的半精加工和精加工采用BT液壓夾頭刀柄；在高速銑和石墨加工機上采用的是HSK型熱脹刀柄或液壓夾頭刀柄。彈簧夾頭刀柄在刀具裝夾時很麻煩又費時，重復(fù)精度較差，加工吸振性能不好，所以用于粗加工或大進給加工。精加工時采用的液壓夾頭刀柄具有極高的夾持回轉(zhuǎn)精度，刀具裝夾方式簡便，并且為全密封結(jié)構(gòu)型式，能有效防止冷卻液、鐵屑特別是石墨粉塵對刀柄的損害。而液壓夾頭刀柄又具有優(yōu)良的阻尼減振性能，可以抑制加工中產(chǎn)生的振動，從而明顯改善模具的表面加工質(zhì)量和表面光潔度。在高速銑削模具時，所采用的 HSK 型熱脹刀柄結(jié)構(gòu)簡單，夾緊可靠，同軸度高，傳遞扭矩和徑向力大。在模具的深型腔加工中，熱脹刀柄的刀具夾持端可以很長、外徑可以做得很小，從而廣泛應(yīng)用在模具的深型腔內(nèi)表曲面加工中。但是，高速銑削時發(fā)現(xiàn)，熱脹刀柄全剛性的結(jié)構(gòu)使阻尼減振性能很差而難以抑制加工中產(chǎn)生的振動，從而大大影響模具的加工質(zhì)量，大幅降低刀具的使用壽命。因此，建議在使用高速機床加工小批量深型腔內(nèi)表曲面時，不要配置熱脹刀柄。

2.3刀具的合理選擇

刀具的正確選擇和使用是影響曲面數(shù)控加工質(zhì)量的重要因素。硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍越來越廣，硬質(zhì)合金將代替大部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀、絲錐等簡單通用刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高。硬質(zhì)合金將在刀具材料中占主導(dǎo)地位，覆蓋大部分常規(guī)的加工領(lǐng)域。在粗加工時，盡可能采用大直徑的牛鼻刀，使用 R2、 R6的硬質(zhì)合金刀片，做到粗加工排屑“多”，提高切削效率；半精加工選用高轉(zhuǎn)速、大進給的鑲片立銑刀，做到半精加工走刀“快”；精加工時，盡量選用硬質(zhì)合金刀桿和高精度球頭鏡面刀片，這樣可在保證加工質(zhì)量的同時，節(jié)省使用整體合金刀具的高昂費用。在模具精加工中，所用最小刀具的半徑應(yīng)小于或等于被加工零件上的內(nèi)輪廓圓角半徑。尤其是在拐角加工時，應(yīng)選用半徑小于拐角處圓角半徑的刀具，以圓弧插補的方式進行加工，這樣可以避免采用直線插補時出現(xiàn)的“過切”現(xiàn)象，做到曲面精加工質(zhì)量“好”。

隨著高品質(zhì)硬質(zhì)合金刀具高速加工技術(shù)的發(fā)展，模具加工速度也有了極大的提高。可以減少加工工序，甚至將耗時的鉗工修復(fù)工作減小到最低程度，從而極大地提高了模具曲面數(shù)控加工質(zhì)量，縮短了模具的生產(chǎn)周期。因此，高速加工技術(shù)逐漸成為模具制造技術(shù)最主要的內(nèi)容之一，高速加工取代傳統(tǒng)低速加工已成為必然。

3 曲面的加工過程分析

曲面的加工過程可分為4個階段：準(zhǔn)備工作階段，技術(shù)方案階段，數(shù)控編程階段，程序定型階段。

3.1準(zhǔn)備工作階段

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)書，按要求接收技術(shù)數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時效性。明確生產(chǎn)計劃，能否按時完成。

3.2技術(shù)方案階段

數(shù)控編程前的首要工作是制定技術(shù)方案。把數(shù)控工藝和數(shù)控程序設(shè)計合并，由程序設(shè)計員一人負責(zé)。技術(shù)方案階段的主要任務(wù)是根據(jù)車間的制造資源，編制數(shù)控加工的工藝方案。為了做好技術(shù)方案，必須了解加工環(huán)境和制造資源，包括：機床、刀具、夾具、軟件、工藝資源、毛坯(如毛料，鍛件，鑄件，熱處理，切削性能，預(yù)加工)等，還要弄清楚零件的技術(shù)要求，如公差要求、表面粗糙度、薄壁件的允許變形、裝配關(guān)系等。數(shù)控工藝方案設(shè)計的主要難度是要處理的信息量大，各種信息之間的關(guān)系又極為錯綜復(fù)雜。處理這些信息主要依靠程序設(shè)計員的工作經(jīng)驗。

3.3數(shù)控編程階段

在編程準(zhǔn)備期間，主要的依據(jù)是三維數(shù)據(jù)和工藝文件。程序設(shè)計員要分析零件的幾何特征，構(gòu)思加工過程，結(jié)合機床具體情況，考慮工件的定位，選用夾具。數(shù)控編程的第一步要正確定義加工坐標(biāo)系，選擇好對刀點。選擇的編程原點應(yīng)方便編程、便于測量檢查、便于操作，同時考慮引起的加工誤差較小。第二步是按照數(shù)控工藝方案一步一步地在計算機上編制刀具軌跡。第三步是驗證程序的正確性，可行性?？梢酝ㄟ^計算機仿真模擬或試切削樣件。第四步是優(yōu)化程序。

3.4程序定型階段

審核數(shù)控編程走刀路線，合格后填寫數(shù)控加工程序單，繪制加工簡圖。到現(xiàn)場了解程序執(zhí)行情況，總結(jié)程序編制經(jīng)驗。

4 數(shù)控工藝方案對曲面制造精度的影響

數(shù)控工藝要考慮自由曲面零件加工的特殊性，合理制定其加工工藝。主要考慮自由曲面零件的裝夾與定位，選擇刀具，制定工藝路線、切削方法及工藝參數(shù)等。

4.1職責(zé)整合

數(shù)控工藝設(shè)計主要用于指導(dǎo)數(shù)控編程?？紤]到自由曲面零件加工的特殊性，把數(shù)控工藝員和編程員的職責(zé)合二為一。由程序設(shè)計員負責(zé)整套模具的數(shù)控加工過程，提高了工作效率。

4.2工藝條理清晰，有良好的繼承性

自由曲面零件數(shù)控工藝復(fù)雜，影響因素多，需要對數(shù)控加工的全過程深思熟慮，要有很好的條理性，才能編好數(shù)控工藝。數(shù)控加工的自動化程度高，自適應(yīng)能力低，一旦出現(xiàn)問題，工人很難現(xiàn)場糾正，輕者造成加工缺陷，重者引起安全事故。因此要預(yù)先做好數(shù)控工藝的設(shè)計。由于自由曲面零件加工有其特殊性，也有一般零件加工的特點，所以生產(chǎn)中證明是好的數(shù)控工藝，可做成模板，作為檔案保存起來，以后加工同類零件時調(diào)用。這樣，有良好的繼承性，可以節(jié)約時間，保證質(zhì)量。

4.3自由曲面零件數(shù)控工藝規(guī)則

數(shù)控加工工藝規(guī)程可以認為是由零件初始狀態(tài)(毛坯)到最終狀態(tài)(零件)間的一系列工藝過程，工序的安排應(yīng)遵循如下的一般規(guī)則：

(1)先后原則。先主后次，先面后孔，先銑后鉆，先粗后精，先做內(nèi)腔加工后做外形加工。

(2)大小原則。刀具直徑由大到小。

(3)上下原則。上道工序的加工不能影響下道工序的裝夾與定位。

(4)相同原則。使用相同的工裝和夾具時，應(yīng)安排在一個工序內(nèi)加工完，減少重復(fù)裝夾與定位。

(5)數(shù)控工序集中原則。將零件的加工集中在少數(shù)幾道工序中完成。

(6)剛性強弱原則。不要把削弱零件剛性的工序排在前面。

5 編程軟件的合理選用

UG NX4.0和 POWERMILL6.0這兩款軟件豐富實用，它們加工策略各不相同，又互相補充，使數(shù)控加工的質(zhì)量和效率得到了很大的提高。 POWERMILL6.0在偏置區(qū)域清除粗加工時可以加入螺旋功能，進行實際切削時更加平穩(wěn)，消除了相鄰“刀路”之間連接的進刀方向突變，減少切削進給的加速和減速，保持更穩(wěn)定的切削負荷，延長了刀具壽命，對機床也起到了保護作用。

5.1交叉等高精加工

用戶可定義一個分界角，淺灘區(qū)域內(nèi)將使用等高策略，其它部分使用三維偏置策略，并且可以在陡峭和平坦區(qū)域之間加入重疊距離，兩者相輔相成，實現(xiàn)交叉等高精加工。

5.2參數(shù)偏置

精加工既可以保證曲面走刀路徑的行間距不超過設(shè)定的數(shù)值，又可以顯著減少三維偏置時在走刀路徑的行間可能出現(xiàn)的尖角，有效改善“三維偏置+參考線”的方法在工件表面的相交刀路產(chǎn)生的切削紋理，加工出的工件曲面外觀質(zhì)量得到了明顯提高。

5.3切削參數(shù)的選擇

切削參數(shù)對加工質(zhì)量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在 CAM 軟件中與切削相關(guān)的參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具切入時的進給速率、步距寬度和切削深度等。主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來計算，其計算公式為：n=1000Vc/πd。式中，d為刀具直徑，單位為mm ，Vc為切削速度，單位是m/min。

切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關(guān)，過低或過高的切削速度都會使刀具耐用度急劇下降。精加工模具曲面時，應(yīng)盡量避免中途換刀，以免出現(xiàn)刀痕。因此，應(yīng)結(jié)合刀具耐用度選擇切削速度。

進給速度的選擇直接影響著模具曲面零件的加工精度和表面粗糙度，其計算公式為F=nzf。式中，n為主軸轉(zhuǎn)速( r/min )，z為銑刀齒數(shù)，f為每齒進給量 (mm/ 齒 ) 。每齒進給量的選取取決于工件材料的力學(xué)性能、刀具材料和銑刀結(jié)構(gòu)。工件的硬度和強度越高，每齒進給量越小。當(dāng)加工精度和表面粗糙度要求較高時，應(yīng)選擇較低的進給量。刀具切入進給速度應(yīng)小于切削進給速度。

吃刀量的大小主要受機床、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，選用盡可能大的吃刀量，以提高加工效率。為保證曲面加工精度和表面粗糙度，應(yīng)留0.1mm～0.3mm 的精加工余量。在精加工時，吃刀量的選擇與表面粗糙度有關(guān)，CAM軟件中通常提供有兩種參數(shù)控制表面粗糙度：步距寬度和殘留高度。采用步距寬度控制表面粗糙度時，步距寬度越小，曲面越光滑，表面粗糙度越小。采用殘留高度控制表面粗糙度時，步距寬度會依據(jù)工件形狀自動調(diào)整。

6 人才是模具數(shù)控加工中的決定因素

好的軟件確實可以提高模具的加工質(zhì)量和效率，但它也只是一個工具，人才是模具數(shù)控加工中的決定因素。加工形狀復(fù)雜、精度高的模具曲面，需要有豐富的現(xiàn)場加工經(jīng)驗和理論知識、同時熟練掌握軟件功能的數(shù)控程序設(shè)計者及機床操作者。他們的操作對數(shù)控加工影響最直接，是提高模具曲面加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

7 結(jié)論

機床設(shè)備在模具自由曲面零件加工中是非常重要的，但是影響模具數(shù)控加工質(zhì)量的其它重要因素有加工工藝、軟件，還有數(shù)控程序設(shè)計者、機床操作者的綜合能力。提高模具曲面加工質(zhì)量、精度需要多種因素的良好配合。

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Influence Factors Analysis for Machining Quality of Mould Free Curved Surface

YangShuntian,PengMeiwu

This paper analyzes NC machining process for mould free curved surface and introduces relative factors to influence curved surface precision and quality. The machining quality and precision enhancement should have good fit with various factors.

mould; free curved surface; NC machining

TH16+.1

A

2010—12—22

楊順田，男，高級工程師，副教授，研究方向：機械設(shè)計與制造，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用。

編輯 杜青泉