塑料壓花輥模具的加工工藝研究

摘 "要：通過分析塑料壓花輥模具的加工工藝和優(yōu)化切削加工參數(shù)，選用五軸數(shù)控機(jī)床完成模具的數(shù)控加工實(shí)踐，有效解決塑料壓花輥模具凹模型高硬度難加工問題。經(jīng)過塑料壓花輥模具現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)收，尺寸精度與表面粗糙度均達(dá)到使用性能要求，驗(yàn)證了模具數(shù)控加工工藝的合理性。塑料壓花輥模具的加工工藝對(duì)類似輥類模具的加工具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：壓花輥模具；加工工藝；Gr12MoV；Surfmill

中圖分類號(hào)：TP319；TH164；TG659 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on processing technology of Plastic Embossing Roll Die

HUANG Yuqi1，CHEN Yin2，YANG Song3（1. Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou 311231， Zhejiang， China;

2. Zhejiang Institute of Economics and Trade， Hangzhou 310018， Zhejiang， China;

3. North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， Hebei， China）

Abstract： By analyzing the processing technology of plastic embossing roll die and optimizing the cutting parameters， the fiveaxis CNC machine tool is selected to complete the CNC machining practice of the die， which effectively solves the problem of high hardness and difficult machining of plastic embossing roll die concave model. The dimensional accuracy and surface roughness of the plastic embossingroll die meet the performance requirements， which verifies the rationality of the CNC machining technology of the die. The processing technology of plastic embossing roll die has certain reference and guiding significance for the processing of similar roll die.

Key words： embossing roll die；processing technology；Gr12MoV；Surfmill

0 "引 "言

壓花輥模具常用于塑料、紙張、布料、皮革或軟金屬等材料表面壓印花紋的加工場(chǎng)合。一種塑料壓花輥模具的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別在壓花輥外表面周向均布排列一系列凹槽。壓花輥模具外表面是工作面，會(huì)與被壓花材料表面發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦運(yùn)動(dòng)，要具備良好的耐磨性和高硬度，材質(zhì)選為Gr12MoV。模具一般屬于單件或小批量加工，四軸及以上數(shù)控加工方法是塑料壓花輥模具制造生產(chǎn)最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工途徑。塑料壓花輥模具多處凹模型徑向深度3mm，材料去除率不大，硬度較高，適宜微切深大進(jìn)給高轉(zhuǎn)速五軸數(shù)控雕銑機(jī)床加工。制定科學(xué)合理的加工工藝是高效、高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)塑料壓花輥模具加工實(shí)踐的關(guān)鍵問題。

對(duì)于圓柱模具在設(shè)計(jì)與制造方面的研究，主要是應(yīng)用CAM軟件先完成模具的三維實(shí)體建模，再利用模具的三維模型直接生成數(shù)控加工程序，最后實(shí)現(xiàn)模具的實(shí)際加工。如應(yīng)用UG實(shí)現(xiàn)各種模具的建模并完成實(shí)際加工［1-7］，應(yīng)用MasterCAM實(shí)現(xiàn)各種模具的建模并完成實(shí)際加工［8-9］，再如應(yīng)用CAXA實(shí)現(xiàn)各種模具的建模并完成實(shí)際加工［10-11］。對(duì)于圓柱模具在刀具路徑和刀軌設(shè)計(jì)方面的研究，李麗等［12］采用自適應(yīng)模擬退火遺傳算法優(yōu)化刀觸點(diǎn)，尋求最優(yōu)刀具路徑。趙俊花等［13］根據(jù)曲率特性運(yùn)用模糊聚類算法對(duì)曲面分區(qū)，采用正交試驗(yàn)確定效率和成本綜合最優(yōu)的刀具路徑和切削參數(shù)。么居標(biāo)等［14］在五軸數(shù)控加工“佛像”中采用曲面驅(qū)動(dòng)的刀軌路徑，獲得較高的曲面加工精度。對(duì)于圓柱模具在加工方案和加工方法方面的研究，施兆偉等［15］對(duì)一種模具的加工方案、刀軌規(guī)劃、切削驗(yàn)證等加工工藝進(jìn)行制定，解決了模具切削加工難題。趙讓乾等［16］提出了一種在輥?zhàn)幽＞弑砻婵臻g圓形凹槽的數(shù)控加工方法，有效解決了圓柱輥?zhàn)影疾鄣募庸るy題。綜合上述圓柱模具的研究成果來看，并不存在模塊化加工方法和成熟通用的加工工藝，僅為本模具的加工實(shí)踐提供借鑒參考。圓柱模具的加工制造都是以具體化模具或特定零件為研究對(duì)象，針對(duì)模具或零件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的加工方案，并相應(yīng)制定有效的加工工藝。本文依據(jù)塑料壓花輥模具自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工精度要求，選用Surfmill軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模，設(shè)計(jì)加工方案。選用科學(xué)的加工方法及優(yōu)化切削參數(shù)，制定合理的加工工藝是解決問題的關(guān)鍵。

1 "塑料壓花輥模具的加工工藝分析

塑料壓花輥模具的尺寸精度要求有：外圓直徑（135.00±0.03）mm，總長（348.0±0.1）mm；在形位公差上有圓柱度不超過0.05mm的技術(shù)要求；在表面質(zhì)量上的技術(shù)要求有：凹模型內(nèi)各加工表面粗糙度Ra1.6μm，其余表面粗糙度Ra3.2μm，不允許存在毛刺和尖角。

Gr12MoV熱處理后硬度超過60HRC，這對(duì)保證模具尺寸精度和滿足凹模型表面粗糙度具有困難，影響模具制造的加工效率和加工周期。針對(duì)塑料壓花輥模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工內(nèi)容，兼顧經(jīng)濟(jì)與效率原則，依次選用普通車、數(shù)控車、數(shù)控五軸和線切割等機(jī)床加工設(shè)備。具體結(jié)合塑料壓花輥模具的加工精度和技術(shù)要求，安排如下加工路線：備料→粗車加工→熱處理→精車加工→凹模型粗、精加工→線切割加工。最終設(shè)計(jì)完成塑料壓花輥模具機(jī)械加工工藝過程卡，加工工藝具體內(nèi)容如表1所示。

2 "塑料壓花輥模具的加工參數(shù)優(yōu)化

在塑料壓花輥模具的加工工藝中，數(shù)控五軸工序中凹模型的粗、精及倒角加工是難點(diǎn)。對(duì)于高硬度材料機(jī)械加工，加工方法和切削參數(shù)決定加工效率和經(jīng)濟(jì)成本。塑料壓花輥模具凹模型的加工方法，從Surfmill軟件提供的加工方法庫中選取，粗加工和精加工都采用多軸區(qū)域加工方法，倒角部分采用五軸曲線加工。塑料壓花輥模具凹模型的切削參數(shù)，依據(jù)凹槽尺寸先確定刀具直徑，然后利用切削手冊(cè)確定切削速度的取值范圍，運(yùn)用正交試驗(yàn)選取加工精度和表面質(zhì)量為考察指標(biāo)，通過極差分析優(yōu)化后最終確定主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、吃刀深度和加工余量等切削參數(shù)，具體數(shù)值如表2所示。

塑料壓花輥模具凹模型的粗加工、精加工及倒角加工的刀軌設(shè)計(jì)是生成數(shù)控加工程序的重點(diǎn)。以下分別介紹多軸區(qū)域加工和五軸曲線加工參數(shù)的具體設(shè)置，及對(duì)刀軌路徑進(jìn)行說明。

3.1 "凹模型加工刀軌設(shè)計(jì)

在Surfmill中，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的工件毛坯形狀，選擇路徑向?qū)Ф噍S區(qū)域加工。多軸區(qū)域加工參數(shù)設(shè)置應(yīng)注意：一是映射區(qū)域形狀必須為矩形。二是加工類型必須為區(qū)域加工。三是走刀方式最好為環(huán)切走刀，下刀方式必須為沿輪廓下刀。四是注意粗加工切削參數(shù)，具體為主軸轉(zhuǎn)速12000r·min－1，進(jìn)給速度1.5m/min，加工余量中側(cè)邊余量與底面余量均為0.1mm，刀具選擇D3mm平底刀，路徑間距為刀具直徑的一半（1.5mm），軸向分層限定深度，吃刀深度0.1mm。五是刀軸控制方式為曲面法向。另外，還應(yīng)注意刀軸方向中最大角度增量、打開刀軸限界、旋轉(zhuǎn)軸為Z以及無效路徑點(diǎn)的處理為移動(dòng)刀軸。輪廓線選曲面組邊界線，即凹槽曲面邊界線，導(dǎo)動(dòng)面選擇建模拉伸創(chuàng)建的導(dǎo)動(dòng)面，最終凹模型粗加工刀具軌跡如圖2所示。

凹模型精加工與凹模型粗加工選取相同的加工方法——多軸區(qū)域加工，拷貝凹槽粗加工刀具路徑。只需修改切削參數(shù)：側(cè)邊加工余量0.015mm，底部余量為0，重新生成凹模型精加工刀具軌跡。

3.2 "凹模型倒角加工刀軌設(shè)計(jì)

在Surfmill中，先設(shè)置對(duì)應(yīng)的工件毛坯形狀，選擇路徑向?qū)遢S曲線加工。五軸曲線加工參數(shù)設(shè)置應(yīng)注意：一是半徑補(bǔ)償必須為右偏移，補(bǔ)償值為0.2mm。二是注意倒角加工切削參數(shù)，具體為主軸轉(zhuǎn)速8000r·min，進(jìn)給速度0.5m/min，加工余量中側(cè)邊余量與底面余量均為0，刀具選擇D8mm倒角刀。三是注意限定軸向分層深度，吃刀深度0.5mm。四是必須關(guān)閉下刀方式。五是刀軸控制方式由曲線起始。另外，還應(yīng)注意刀軸方向中參數(shù)對(duì)應(yīng)方式、前傾角和側(cè)傾角、最大角度增量、打開刀軸限界、旋轉(zhuǎn)軸為X以及關(guān)閉刀軸光順。輪廓線選凹槽曲面邊界線，刀軸曲線選擇塑料壓花輥模具中心軸線，最終凹模型精加工刀具軌跡如圖3所示。

4 "塑料壓花輥模具的數(shù)控加工

塑料壓花輥模具在五軸數(shù)控機(jī)床上加工外圓柱面上的凹模型后，通過線切割加工切除多余的夾持部分，保證總長（348.0±0.1）mm。經(jīng)過表面處理塑料壓花輥模具最終加工效果如圖4所示。

經(jīng)檢測(cè)，所有尺寸精度與表面粗糙度均符合技術(shù)要求，通過實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用塑料壓花輥模具，壓花效果良好，滿足使用性能要求，再次驗(yàn)證塑料壓花輥模具加工工藝的正確性和合理性。

5 "結(jié) "語

1） 針對(duì)一種塑料壓花輥模具零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，安排普車備料粗加工，熱處理后數(shù)車精加工，然后由數(shù)控五軸粗、精加工凹模型，最后線切割去工藝夾頭的整體加工工藝方案，經(jīng)加工實(shí)踐驗(yàn)證工藝方案的可行性。

2） 在對(duì)塑料壓花輥模具外表面凹模型采用多軸區(qū)域加工和五軸曲線倒角加工，并優(yōu)化出具體的高速銑削加工參數(shù)。多軸區(qū)域粗加工：刀具直徑3mm、主軸轉(zhuǎn)速12000r·min－1、吃刀深度0.1mm和進(jìn)給速度1.5m/min；多軸區(qū)域精加工：刀具直徑3mm、主軸轉(zhuǎn)速12000r·min－1、吃刀深度0.3mm和進(jìn)給速度0.8m/min；五軸曲線倒角加工：刀具直徑8mm、主軸轉(zhuǎn)速8000r·min－1、吃刀深度0.5mm和進(jìn)給速度0.5m/min。經(jīng)加工實(shí)踐驗(yàn)證：加工方法與切削參數(shù)合理實(shí)用。

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基金項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：18211840）。

作者簡介：黃俞淇，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造方面的研究。

（1. 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 "杭州 "311231；

2. 浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 "杭州 "310018；

3. 北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 "廊坊 "065000）