鑄造模具材料選擇及加工刀具參數(shù)的設(shè)定

（國營東華機(jī)械廠增壓器分廠，山西 大同 037036）

機(jī)械加工企業(yè)中，存在大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)、單件小批生產(chǎn)等幾種生產(chǎn)類型，根據(jù)這幾種類型，分別采用不同的材料進(jìn)行模具設(shè)計(jì)加工。對于大量生產(chǎn)類型的鑄造方式為殼型鑄造，模具材料一般采用鑄鐵或鑄鋼，通過射砂機(jī)在短時(shí)間內(nèi)高溫加熱固化樹脂砂，形成所需鑄造外形及芯盒，然后進(jìn)行裝配、澆注，其特點(diǎn)鑄造產(chǎn)品外觀質(zhì)量較好，加工工藝性好。鑄鐵鑄鋼模具也可以滿足大批量生產(chǎn)的損耗。成批生產(chǎn)的產(chǎn)品品種較多，每個(gè)品種的產(chǎn)量比較少。一般采用機(jī)器造型的方式進(jìn)行鑄造，模具材料一般采用鑄鐵、鑄鋁以及木材。單件小批生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品品種繁多，每種產(chǎn)品的產(chǎn)量僅有一臺或少量的幾臺，大型件一般采用地坑造型，小型件一般采用由木模模具機(jī)器造型的方式進(jìn)行鑄造，模具材料一般采用木材。企業(yè)中可能同時(shí)存在這三種生產(chǎn)類型來適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)以及新產(chǎn)品開發(fā)的需求。

根據(jù)不同的模具材料，也選取相應(yīng)的刀具及加工方式，在模具型腔數(shù)控加工中，刀具的選擇直接影響著模具零件的加工質(zhì)量、加工效率和加工成本，因此正確選擇刀具有著身份重要的意義。在模具銑削加工中，常用的刀具有平端立銑刀、圓角立銑刀、球形刀和錐度銑刀。

在模具加工時(shí)，刀具的選擇應(yīng)遵循以下原則：

（1）根據(jù)被加工的材料選擇刀具類型

根據(jù)加工類型不同，采用不同的模具材料來應(yīng)對不同生產(chǎn)需求，對于大批量產(chǎn)品，可采用殼型鑄造的方式，這種模具要求加工精度高，模具材料一般采用鑄鐵或鑄鋼，由于鑄鐵材料相對易于加工，又基本能滿足生產(chǎn)要求，因此我們常采用鑄鐵模具來滿足大批量生產(chǎn)要求，這種模具一般加工周期較長，適合已定型大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。對于加工鑄鐵類模具，根據(jù)加工中心的直線導(dǎo)軌承載類型，如線性導(dǎo)軌為滾珠式直線導(dǎo)軌，一般粗加工采用的刀具為圓角立銑刀或平端立銑刀，采用小切削深度，大跨距的加工方式加工。如直線導(dǎo)軌為滾柱式，則可以采用長刃球銑刀進(jìn)行大切削深度，小歩距寬度的加工方式。對于鑄鐵模具的精加工一般采用整體硬質(zhì)合金球形刀、硬質(zhì)合金機(jī)夾刀具或圓鼻刀。對于批量較大、品種較多、試制周期緊的渦輪箱產(chǎn)品的模具，同時(shí)要求有一定的使用周期，滿足一定數(shù)量的損耗要求，鑄鐵或鑄鋼滿足要求，但加工周期較長，而木質(zhì)模具，在耐用度上差距較大，因此在成批生產(chǎn)中，制造芯盒用鑄鐵模具，外形模具則可用鑄鋁、鑄銅其他有色金屬或木材加工。相對于其他有色金屬鑄鋁有較好的成本優(yōu)勢，因此成批加工的產(chǎn)品可選用鑄鋁毛坯。

鑄鋁模具的粗加工一般高速鋼立銑刀，采用小切削量，大跨距的方式加工。精加工一般采用球形刀，鑄鋁有良好的的機(jī)械加工性能，在半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)選擇球刀高轉(zhuǎn)速小進(jìn)刀量，以得到較好的表面質(zhì)量。單件小批產(chǎn)品生產(chǎn)量小，模具使用頻率低，對模具的損耗要求不高，因此在保證進(jìn)度的前提下一般采用膠木或膠合板或者泡沫（主要用于簡單結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品消失模鑄造），加工中心粗加工宜選用平端立銑刀，精加工時(shí)宜選用球形刀，這是因?yàn)榍虻兜牡毒叩牡度信c工件接觸的0~90范圍內(nèi)給出比較連續(xù)的切削力變化，這不僅對加工質(zhì)量有利，而且會使刀具壽命大大延長，加工的連續(xù)性以及表面粗糙度比平端立銑刀好，由于在模具加工中，凹凸表面同時(shí)在一個(gè)模具存在，因此在選擇模具的刀具時(shí)，粗加工一般選擇圓角立銑刀或平端立銑刀，半精加工和精加工則選用不同直徑球形刀。

（2）根據(jù)從大到小的原則選擇刀具

模具型腔一般包含有多個(gè)類型的曲面，因此在加工時(shí)一般不能選擇一把刀具完成整個(gè)零件的加工。無論是粗加工還是精加工，應(yīng)盡可能選擇大直徑的刀具，因?yàn)榈毒咧睆皆叫。庸ぢ窂皆介L，造成加工效率降低，同時(shí)刀具的磨損會造成加工質(zhì)量的明顯差異。

（3）根據(jù)曲面曲率的大小選擇刀具

在比較復(fù)雜的模具中，各種曲面的曲率不同，在粗加工時(shí)，一般選用大直徑的平端銑刀或圓角銑刀，在曲率較大的曲面留下的余量也較多，給半精加工或精加工刀具造成過大的切削負(fù)荷，較大直徑的刀具在零件輪廓拐角處會留下更多的余量，這往往是精加工過程中出現(xiàn)切削力的急劇變化而使刀具損壞或栽刀的直接原因。因此在粗加工完成后，一般要進(jìn)行半精加工，用半徑小于或等于被加工零件上的刀具加工內(nèi)輪廓圓角半徑，尤其是在拐角加工時(shí)，應(yīng)選用半徑小于拐角處圓角半徑的刀具并以圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行加工，這樣可以避免采用直線插補(bǔ)而出現(xiàn)過切現(xiàn)象。

（4）粗加工時(shí)盡可能選擇圓角銑刀或平端立銑刀

由于加工的模具類型不同，合理選擇合適粗加工刀具，對于木質(zhì)或有色金屬模具來說，由于木材和有色金屬的材質(zhì)較軟，相對更加鋒利的平端立銑刀的刀刃更適合加工此類模具。對于鑄鐵或者鑄鋼類模具，在要求較低切削力的線性導(dǎo)軌的數(shù)控銑床或加工中心，在粗加工時(shí)選用圓角銑刀，與球形刀相比具有良好的切削條件，與平端立銑刀相比可以留下較為均勻的精加工余量，這對后續(xù)加工是十分有利的。

在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控程序設(shè)計(jì)的過程中，工藝參數(shù)的選擇十分重要，它不僅對被加工零件的質(zhì)量影響巨大，甚至可以決定機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。數(shù)控銑削是復(fù)雜模具零件的主要加工方法。編制高質(zhì)量的數(shù)控程序是必不可少的，這是因?yàn)閿?shù)控加工程序不僅包括零件的工藝過程，而且還包括刀具的形狀和尺寸、切削量、走刀路徑等工藝信息。對于簡單的模具零件，可以采用手工程序設(shè)計(jì)的方法，對于復(fù)雜的模具零件，則需要借助于CAM軟件編制加工程序，如PRO/ENGINEER、UG、Mastercam等，無論是手工程序設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)輔助程序設(shè)計(jì)，在編制加工程序時(shí)，選擇合理的工藝參數(shù)，時(shí)編制高質(zhì)量加工程序的前提。

1 走刀方式和切削方式的確定

走刀方式是指加工過程中刀具軌跡的分布形式。切削方式是指加工時(shí)刀具相對工件的運(yùn)動方式，在數(shù)控加工中，切削方式和走刀方式的選擇直接影響著模具零件的加工質(zhì)量和加工效率。其選擇原則是根據(jù)被加工零件表面的幾何特征，在保證加工精度的前提下，使切削時(shí)間盡可能短，切削過程中刀具受力平穩(wěn)。

在模具加工中，常用的走刀方式包括單向走刀、往復(fù)走刀和環(huán)切走刀三種，在模具的實(shí)際加工過程中，由于粗加工只是用于去除多余的加工量，因此對加工質(zhì)量并沒有太高要求，單向走刀方式，在加工中切削方式保持不變，這樣可以保證順銑或逆銑的一致性，但由于增加了提刀和空走刀，切削效率較低。因此在粗加工中常采用往復(fù)走刀方式，在加工過程中不提刀進(jìn)行連續(xù)切削，加工效率較高，但逆銑和順銑交替進(jìn)行，加工質(zhì)量較差。在半精加工和表面質(zhì)量要求不高的精加工時(shí)，可采用往復(fù)加工，環(huán)切走刀方式，其刀具路徑由一組封閉的的環(huán)形曲線組成，加工過程中不提刀，采用順銑或逆銑切削方式，時(shí)型腔加工常用的一種走刀方式。

銑削方式的選擇直接影響到加工表面質(zhì)量、刀具耐用度和加工過程的平穩(wěn)性。在采用圓周銑削時(shí)，根據(jù)加工余量的大小和表面質(zhì)量的要求，要合理選用順銑和逆銑，一般地，粗加工過程中余量較大，應(yīng)選用逆銑加工方式，以減少機(jī)床的震動；精加工時(shí)，為達(dá)到精度和表面粗糙度的要求，應(yīng)選擇順銑加工方式。

2 刀具的切入與切出

在模具型腔數(shù)控銑削中，由于模具型腔的復(fù)雜性，往往需要多次更換不同的刀具才能完成對模具零件的加工。在粗加工時(shí)，每次加工后殘留余量形成的幾何形狀是在變化的，在下次進(jìn)刀時(shí)如果切入方式選擇不當(dāng)，很容易造成栽刀事故，在精加工時(shí)，切入和切出時(shí)切削條件的變化往往會造成表面質(zhì)量的差異。因此，合理選擇刀具切入、切出方式具有非常重要的意義。一般的CAM軟件提供的切入切出方式有垂直切入切出工件（plunge）、刀具以斜線切入工件（ramp）、刀具以螺旋軌跡下降切入工件（sprial）、刀具通過預(yù)加工孔切入工件（entry hole）以及圓弧切入切出工件（arc-tangent）。

其中刀具垂直切入切出工件時(shí)是最簡單、最常用的方式，適用于可以從工件外部切入的凸模類工件的粗加工和精加工以及模具型腔側(cè)壁的精加工；刀具以斜線或螺旋線切入工件常用于較軟材料的粗加工；通過欲加工工藝孔切入工件時(shí)凹模粗加工常用的下刀方式；圓弧切入切出工件可以消除接刀痕而常用于曲面的精加工。

3 切削參數(shù)的控制

切削參數(shù)的選擇對加工質(zhì)量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在CAM軟件中于切削相關(guān)的參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速（Spindlespeed）、進(jìn)給速率（Cutfeed）、刀具切入時(shí)的進(jìn)給速率(Lead in feed rate)、步距寬度（Step-over）和切削深度（Step depth）等。主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中，

d為刀具直徑，mm；

Vc為切削速度，m/min。

切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關(guān)，當(dāng)工件材料、刀具材料和結(jié)構(gòu)確定后，切削速度就成為影響刀具耐用度的最主要因素，過低或過高的切削速度都會使刀具耐用度急劇下降，在模具加工，尤其時(shí)模具的精加工時(shí)，應(yīng)盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質(zhì)量，因此應(yīng)結(jié)合刀具耐用度認(rèn)真選擇切削速度。

進(jìn)給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，其計(jì)算公式為：

式中，

n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

z為銑刀齒數(shù)；

f為每齒進(jìn)給量，mm/齒。

每齒進(jìn)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(qiáng)度越高，每齒進(jìn)給量越?。挥操|(zhì)合金銑刀比同類高速鋼銑刀每齒進(jìn)給量要高；當(dāng)加工精度和表面粗糙度要求較高時(shí)，應(yīng)選用較低的進(jìn)給量；刀具切入進(jìn)給速度應(yīng)小于切削進(jìn)給速度。

吃刀量的大小主要受機(jī)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。為保證加工精度和表面粗糙度，應(yīng)留0.2~0.5mm的精加工余量。在粗加工時(shí)，余量的切除往往采用層切的方法，在CAM程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置每層切削深度和最大步距寬度，而實(shí)際步距往往與工件形狀有關(guān)。

在精加工時(shí)，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(Stepover)和殘留高度(Scallop)。采用步距寬度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度越小，表面粗糙度越小，但加工時(shí)間會大大延長，因此步距寬度不宜設(shè)置的太小，在實(shí)際可以通過改變半精加工和精加工的走刀路徑的方法（二者成正交關(guān)系）改善表面質(zhì)量；采用殘留高度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度會依據(jù)工件形狀自動調(diào)整。

4 其他參數(shù)

在模具數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)中，除以上參數(shù)的設(shè)定外，還有諸如工件坐標(biāo)系（Work Coordinate）、刀具快速運(yùn)動平面(Rapid Plane)、加工安全平面(Clearence Plane)、加工余量參數(shù)(Allowance)以及后置處理參數(shù)的設(shè)定。工件坐標(biāo)系的設(shè)定一般應(yīng)與工件的工藝基準(zhǔn)相重合；刀具快速運(yùn)動平面和就愛工安全平面的選擇應(yīng)結(jié)合工件形狀和夾具結(jié)構(gòu)，在保證安全的情況下，盡量減少空刀行程；加工余量的選擇不宜過小或過大，過小容易造成粗加工時(shí)過切，過大則會影響加工質(zhì)量；后置處理參數(shù)應(yīng)結(jié)合數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來設(shè)定。總之，模具零件數(shù)控程序設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，只有正確理解以上工藝參數(shù)，在實(shí)踐中不斷總結(jié)，才能編制出高質(zhì)量的加工程序，加工出高質(zhì)量的模具零件。