模具型腔鏡面加工工藝分析與優(yōu)化

殷海龍

摘要：現(xiàn)代模具制造需要進(jìn)行整體工藝優(yōu)化，模具核心部件的精加工過程通常先進(jìn)行精密的銑削加工，然后在銑后表面進(jìn)行拋光操作，以達(dá)到所需的表面結(jié)構(gòu)。獨立研究銑削或拋光無法找到合理工藝。本研究旨在找到拋光工藝和機床加工之間聯(lián)系，根據(jù)工作實際需要，從成本、效率方面尋找最佳工藝策略，并為成本預(yù)算、交貨期測算提供幫助。

關(guān)鍵詞：模具成本;鏡面拋光;數(shù)控加工

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0113-02

0? 引言

模具是一個重要的工業(yè)裝備，廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，模具制造水平就是一個國家工業(yè)裝備水平的重要標(biāo)志。模具的設(shè)計和制造對最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用，模具制造的成本將影響產(chǎn)品的研發(fā)投入和最終價格。隨著模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，模具制造面臨著很大的競爭壓力和市場壓力，精確估算生產(chǎn)成本、優(yōu)化核心部件的工藝成為模具企業(yè)應(yīng)對國內(nèi)外市場競爭的核心技術(shù)，研究這一領(lǐng)域?qū)⑹欠浅Ｓ袃r值的。

模具核心零件的加工成本構(gòu)成為數(shù)控銑削加工和拋光，零件通過數(shù)控加工使其成為CAD模型的最終形狀，成本比較容易計算，但是加工后的表面還進(jìn)行拋光處理，這個成本無法準(zhǔn)確計算，但二者之間是緊密聯(lián)系的，數(shù)控加工的拋光余量和刀具加工紋理對拋光存在巨大影響，本課題主要研究數(shù)控加工的表面與拋光之間的關(guān)系，從而優(yōu)化模具核心零部件的加工策略。

1? 銑削工藝分析

數(shù)控銑加工分為粗加工、半精加工、精加工。我們主要研究精加工和光整加工的時間和表面質(zhì)量的影響。在進(jìn)行討論之前，我們先要考慮影響構(gòu)成表面結(jié)構(gòu)的主要因素，以模具零件為基礎(chǔ)建立較為理想的加工參數(shù)，然后以這個工藝為研究對象，系統(tǒng)分析成本、效率等方面的問題。

1.1 切削條件的影響

在加工過程中，機床的穩(wěn)定性對表面質(zhì)量影響很大，例如：主軸的振動、進(jìn)給軸的竄動、以及系統(tǒng)在曲線的減速、加速等，這些可能造成表面質(zhì)量很大不同，我們盡可能消除其影響，采用新機床、簡單曲面來進(jìn)行加工，達(dá)到理想切削效果;對機床上零件的加工的潤滑冷卻，不僅可以保護(hù)材料、道具，同時也可以提高表面質(zhì)量，這里我們使用的是10號切削油;切削刀具使用的是硬質(zhì)合金刀具，為了達(dá)到最佳效果，經(jīng)過我們的多次實踐，我們采用的是直徑為8mm的球頭刀具。被加工材料的影響也很大，為了達(dá)到鏡面拋光效果，我們模具材料采用的是NAK80，預(yù)硬度為HRC38。這些是本文研究的基礎(chǔ)，其中部分加工條件確定進(jìn)行了充分實踐檢驗，本文不進(jìn)行討論。

1.2 切削用量的影響

在工作中，為了更好的完成工作，找到表面質(zhì)量與加工時間之間的關(guān)系，我們對精加工使用的切削用量進(jìn)行了多次試驗。切削用量主要是由三部分構(gòu)成：切削速度、切削深度、進(jìn)給量，下面我們從這三個方面進(jìn)行論述。切削速度是指刀具切削刃上的點與被加工表面的主運動的瞬時速度，在通常情況下，當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變的情況下，切削速度越大，加工表面質(zhì)量越好，由于受到實際條件的限制，機床主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)，根據(jù)工作要求，一般主軸保持在6000轉(zhuǎn)（最高轉(zhuǎn)速的70-80%，這里采用的6000轉(zhuǎn)）可以達(dá)到機床最佳切削效果，刀具切削速度大約為120m/min，基本符合硬質(zhì)合金刀具加工要求。切削深度是指以加工表面與待加工表面之間垂直距離，因為本次討論主要是從提高表面質(zhì)量來入手，因此只考慮精加工的余量，在實際工作中，我們進(jìn)行了多次加工余量的比較，我們發(fā)現(xiàn)加工余量0.12-0.15mm的情況下，相同切削條件下的表面質(zhì)量最好，余量過大會造成切削力較大，刀具的彎曲變大，在加工轉(zhuǎn)向處和零件轉(zhuǎn)角處形成明顯加工缺陷，影響了加工質(zhì)量和表面質(zhì)量;當(dāng)加工余量小予0.1mm，粗加工、半精加工的效率會降低，另外，由于材料切削深度較小，刀具發(fā)生彈性變形，精加工時，刀具的震動明顯增加，而且加工余量無法有效去除，造成被加工表面質(zhì)量下降。在確定好切削速度、切削深度以后，我們著重研究進(jìn)給量對表面結(jié)構(gòu)的影響。

進(jìn)給量主要是在兩個方面，一是數(shù)控編程中的進(jìn)給速度，二是編程中行距，這兩個方面對加工表面的影響比較顯著，這是正交測量表面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。根據(jù)以往的經(jīng)驗，為了獲得較高的表面質(zhì)量，進(jìn)給速度更小、行距越小，表面質(zhì)量將會越高，但是加工時間將會更長，反之則表面質(zhì)量較差，時間較短，因此，我們要尋找合理的科學(xué)數(shù)據(jù)。下面是在主軸轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)、切削深度為0.15mm時、采用順銑加工方式，所進(jìn)行的實際工作情況，并使用粗糙度儀進(jìn)行了精密測量。通過實際工件加工測量，我們看到，當(dāng)進(jìn)給量在1200mm/min以上時，行距無論怎么調(diào)整，零件表面結(jié)構(gòu)都達(dá)不到Ra3.2，當(dāng)行距在0.3mm以上時，零件的表面結(jié)構(gòu)都不能達(dá)到Ra3.2，因此根據(jù)需要，逐漸減小進(jìn)給量和行距，當(dāng)進(jìn)給量在600mm/min、行距在0.15mm時，表面結(jié)構(gòu)達(dá)到基本要求，在最佳切削狀態(tài)下，表面結(jié)構(gòu)可以達(dá)到Ra0.8。

1.3 合理選擇的參數(shù)

根據(jù)塑料模具核心成型部件的加工需要，我們對銑削加工工藝進(jìn)行了基本分析，主要從兩個方面進(jìn)行選擇，一是從加工效率角度來選擇加工參數(shù)，在達(dá)到表面結(jié)構(gòu)Ra1.6的前提下，機床的轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)、精加工的切削深度為0.15，進(jìn)給量為600mm/min，行距為0.15，表面結(jié)構(gòu)最終測量結(jié)果為Ra1.54，達(dá)到基本要求。二是從提高表面質(zhì)量角度選擇參數(shù)，為了減輕后續(xù)拋光工作，模具零件表面盡可能達(dá)到高質(zhì)量，在現(xiàn)有機床條件下，我們選擇最優(yōu)的條件，轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)，精加工余量為0.12mm，采用進(jìn)給量為600mm/min，行距為0.1mm，經(jīng)過實際加工測量，結(jié)果為Ra0.81，表面非常精美。需要說明的是，在此基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)行了一些測試，將進(jìn)給量減小、行距變窄，但效果不明顯，例如：把進(jìn)給量降到300mm/min，行距縮小為0.05mm，對加工表面進(jìn)行測量，表面結(jié)構(gòu)為Ra0.78，與之前的比較，相差不大，但切削時間增加了4倍，因此，銑削加工的質(zhì)量在Ra0.8左右時很難提高。在銑削加工中，較大面積需要后續(xù)拋光處理的表面，合理的切削用量為6000轉(zhuǎn)、0.12-0.15切削深度、進(jìn)給量600mm/min以下、行距為0.1-0.15mm較為合適。

2? 拋光工藝分析

拋光的作用是使工件表面結(jié)構(gòu)降低，以獲得光亮、平整表面。本文中是研究已加工表面的拋光。通過拋光可以使表面更加漂亮，降低模具型腔表面對塑料液體的阻尼，提高塑件的質(zhì)量，同時增加模具的使用壽命。拋光就是拋光工具在工件表面在一定的壓力下運動，形成因摩擦高溫產(chǎn)生變質(zhì)層，通過削凸填凹工作過程，實現(xiàn)零件表面平整和光滑。本次拋光的工件使用的材料為NAK80，材料進(jìn)行了預(yù)硬度處理，硬度在HRC36-38，根據(jù)模具成型的實際需要，采用的是人工拋光方式，零件表面不能存在刀具劃痕，表面結(jié)構(gòu)達(dá)到Ra0.05即可。

2.1 拋光工藝

本次拋光是對零件精加工表面進(jìn)行處理，按照先粗后精的基本思路，對零件進(jìn)行拋光。根據(jù)拋光基本思路，采用了三種拋光手段，即油石拋光、砂紙拋光、氈輪拋光。首先利用油石進(jìn)行粗拋光，消除刀具的痕跡，重點是消除轉(zhuǎn)角和刀具轉(zhuǎn)向時的紋路，油石采用了紅寶石油石，使用煤油作為零件拋光液，從粗到細(xì)，分別使用600#、800#、1200#的油石，基本消除刀具痕跡，形成細(xì)微紋，通過測量，其表面結(jié)構(gòu)在Ra0.8-Ra1.2之間，通過人工以目測檢查，表面均勻，達(dá)到基本要求即可。其次使用砂紙進(jìn)行拋光，將木條進(jìn)行修整，基本與模具零件表面相宜，避免碰傷零件，采用的是先粗后精，煤油作為拋光液，使用1000#、1200#、1500#的砂紙，讓零件的表面達(dá)到粗糙度Ra0.2-Ra0.4，此時表面已經(jīng)看不到痕跡，部分區(qū)域可以看到光亮面。最后，進(jìn)行鏡面拋光，這里使用羊毛氈輪加研磨膏進(jìn)行拋光，分別使用3000#和8000#研磨粉，使零件表面達(dá)到Ra0.05。零件表面經(jīng)過這三個步驟，基本達(dá)到鏡面水平。為了讓拋光時間基本可控，我們讓同一個人進(jìn)行反復(fù)操作，消除人員和技術(shù)差距，并進(jìn)行多次記錄，盡可能確保數(shù)據(jù)的科學(xué)性。

2.2 拋光時間

影響拋光時間主要是拋光的表面基礎(chǔ)、拋光的工具選用、拋光的操作技能，我們把各種數(shù)控加工后的表面進(jìn)行拋光，選用標(biāo)準(zhǔn)化的拋光工藝，同一個人進(jìn)行操作，基本消除各種不同因素的影響。那么影響拋光時間的主要因素就是被拋光面的表面質(zhì)量，有利于抓住主要問題。在實際工作中，我們主要研究零件表面結(jié)構(gòu)Ra3.2以下的表面拋光。通過拋光工作，在不同表面上使用的時間有所不同，越粗糙的表面拋光時間越長。其中最好的表面可以缺少部分拋光工藝，比如表面質(zhì)量在Ra1.2以下的表面，就可以不用油石拋光，直接使用砂紙拋光。在工作中，我們發(fā)現(xiàn)最初表面質(zhì)量好的零件，拋光時間較少，但是在數(shù)控銑上加工時間較長，因此必須尋找這兩個工藝成本最佳方案，形成最經(jīng)濟(jì)的加工工藝。

3? 工藝優(yōu)化策略

零件的表面質(zhì)量加工成本主要有數(shù)控銑加工成本和拋光加工成本。在模具企業(yè)實際工作，數(shù)控銑加工的成本為120元/小時，這里包含人工成本、刀具成本、其他消耗等;人工拋光的成本45元/小時，主要包括人工成本和拋光材料。本次加工的零件的表面積為1224.65mm2。因此我們可以對成本和工時核算。一是成本優(yōu)先工藝策略。通過對多組工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)控銑參數(shù)進(jìn)給量300mm/min、行距為0.1mm進(jìn)行精加工，銑削表面結(jié)構(gòu)在Ra0.8，在數(shù)控銑成本和拋光成本會有最佳成本;二是效率優(yōu)先工藝策略，經(jīng)過比較，如果希望最快速度完成零件加工，則需要采用進(jìn)給量為600mm/min、行距為0.2mm進(jìn)行加工，銑削表面結(jié)構(gòu)為Ra1.38，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拋光，會在最短時間內(nèi)完成零件的制造。

4? 結(jié)語

提高模具和模具生產(chǎn)的競爭力需要一個全面優(yōu)化的制造工藝，包括銑削和拋光。因此，本文的目的是通過找到一個最佳操作點來共同改進(jìn)這兩個工藝過程。由于銑削和拋光取決于相同的參數(shù)，本文從成本、效率進(jìn)行了充分研究，通過實際工作的數(shù)據(jù)分析，我們找到了相應(yīng)地工藝策略，并為優(yōu)化塑料模具核心部件制造工藝提供工作思路。

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