模具制造中的數(shù)控銑削加工刀具技術(shù)

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。