影响模具自由曲面加工质量的因素分析

杨顺田 彭美武

(四川工程职业技术学院，四川618000)

影响模具自由曲面加工质量的因素分析

杨顺田 彭美武

(四川工程职业技术学院，四川618000)

全面分析了模具自由曲面的数控加工过程，介绍了影响曲面精度、表面质量的相关因素。提高模具曲面加工质量、精度需要多种因素的良好配合。

模具；自由曲面；数控加工

现代模具制造业中，型腔或型面设计日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，对曲面的制造精度也提出了更高的要求。模具制造工艺系统的精度、数控系统的精度和模具制造的CAM技术都会对曲面加工质量产生影响。而包含自由曲面的模具制造基本上都是借助各种 CAM 软件进行自动编程，利用数控机床加工完成的，工艺装备与数控加工方案是影响曲面制造精度的重要因素。

1 合理搭配设备，提高设备利用率

模具曲面的加工一般是在数控加工中心上完成的。数控加工中心经较长时间的使用，会有一定的精度损失，应定期对数控设备进行检测维修，明确每台设备的加工精度和加工任务。严格区分粗、精加工设备的使用。粗加工时对设备的精度损害是最严重的。将使用年限较长、精度较差的设备定为专用的粗加工设备，新设备和精度好的设备定为精加工设备，做到对现有设备资源的合理搭配、明确分工。将机床对加工质量的影响降到最低，同时又保护昂贵的数控设备，延长设备的使用寿命。

2 刀具系统的选配

刀具系统是机床的“牙齿”。刀具系统的选配对发挥机床的作用非常重要，与机床相关的刀柄、刀具极大地影响数控加工质量。在旋转刀具加工系统中，主轴与夹头(或其组合体)的联结是实现刀具加工性能的真正基石。

2.1刀柄的选用

常用刀柄与机床的接口有BT柄和HSK柄。BT柄与机床主轴的接口锥柄锥度为7∶24，这种方式的刀柄只适于传统的低速加工。因为BT刀柄与主轴只是锥面配合，当转速太高时，由于离心力的作用会使锥面配合间隙增大，从而影响数控加工质量。当机床最高转速达到15000r/min时，通常需要采用HSK型刀柄。HSK 杆为过定位结构，与机床联结，在机床拉力作用下，保证刀杆的短锥、端面与机床紧密配合。

2.2刀柄夹紧方式分析

刀柄对刀杆、刀具的夹紧方式主要有“侧固”式、弹性夹紧式、液压夹紧式和热膨胀式等。侧固式精度较低并且难以保证刀具动平衡，在高速铣削时不宜采用。热膨胀式刀杆夹头的刀孔与刀柄为过盈配合，须采用专用热膨胀装置装卸刀具。一般使用电感加热或热空气加热刀杆，使刀孔直径膨胀，然后将刀柄插入刀孔内，冷却后孔径收缩将刀柄紧紧夹住。通过多年的应用、比较、总结，现在采取的方案为：粗加工或大进给加工时采用BT弹簧夹头刀柄；普通机床上的半精加工和精加工采用BT液压夹头刀柄；在高速铣和石墨加工机上采用的是HSK型热胀刀柄或液压夹头刀柄。弹簧夹头刀柄在刀具装夹时很麻烦又费时，重复精度较差，加工吸振性能不好，所以用于粗加工或大进给加工。精加工时采用的液压夹头刀柄具有极高的夹持回转精度，刀具装夹方式简便，并且为全密封结构型式，能有效防止冷却液、铁屑特别是石墨粉尘对刀柄的损害。而液压夹头刀柄又具有优良的阻尼减振性能，可以抑制加工中产生的振动，从而明显改善模具的表面加工质量和表面光洁度。在高速铣削模具时，所采用的 HSK 型热胀刀柄结构简单，夹紧可靠，同轴度高，传递扭矩和径向力大。在模具的深型腔加工中，热胀刀柄的刀具夹持端可以很长、外径可以做得很小，从而广泛应用在模具的深型腔内表曲面加工中。但是，高速铣削时发现，热胀刀柄全刚性的结构使阻尼减振性能很差而难以抑制加工中产生的振动，从而大大影响模具的加工质量，大幅降低刀具的使用寿命。因此，建议在使用高速机床加工小批量深型腔内表曲面时，不要配置热胀刀柄。

2.3刀具的合理选择

刀具的正确选择和使用是影响曲面数控加工质量的重要因素。硬质合金刀具应用范围越来越广，硬质合金将代替大部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等简单通用刀具，使这一类刀具的切削速度有很大的提高。硬质合金将在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域。在粗加工时，尽可能采用大直径的牛鼻刀，使用 R2、 R6的硬质合金刀片，做到粗加工排屑“多”，提高切削效率；半精加工选用高转速、大进给的镶片立铣刀，做到半精加工走刀“快”；精加工时，尽量选用硬质合金刀杆和高精度球头镜面刀片，这样可在保证加工质量的同时，节省使用整体合金刀具的高昂费用。在模具精加工中，所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径。尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具，以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插补时出现的“过切”现象，做到曲面精加工质量“好”。

随着高品质硬质合金刀具高速加工技术的发展，模具加工速度也有了极大的提高。可以减少加工工序，甚至将耗时的钳工修复工作减小到最低程度，从而极大地提高了模具曲面数控加工质量，缩短了模具的生产周期。因此，高速加工技术逐渐成为模具制造技术最主要的内容之一，高速加工取代传统低速加工已成为必然。

3 曲面的加工过程分析

曲面的加工过程可分为4个阶段：准备工作阶段，技术方案阶段，数控编程阶段，程序定型阶段。

3.1准备工作阶段

根据生产任务书，按要求接收技术数据，检查数据的准确性、时效性。明确生产计划，能否按时完成。

3.2技术方案阶段

数控编程前的首要工作是制定技术方案。把数控工艺和数控程序设计合并，由程序设计员一人负责。技术方案阶段的主要任务是根据车间的制造资源，编制数控加工的工艺方案。为了做好技术方案，必须了解加工环境和制造资源，包括：机床、刀具、夹具、软件、工艺资源、毛坯(如毛料，锻件，铸件，热处理，切削性能，预加工)等，还要弄清楚零件的技术要求，如公差要求、表面粗糙度、薄壁件的允许变形、装配关系等。数控工艺方案设计的主要难度是要处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂。处理这些信息主要依靠程序设计员的工作经验。

3.3数控编程阶段

在编程准备期间，主要的依据是三维数据和工艺文件。程序设计员要分析零件的几何特征，构思加工过程，结合机床具体情况，考虑工件的定位，选用夹具。数控编程的第一步要正确定义加工坐标系，选择好对刀点。选择的编程原点应方便编程、便于测量检查、便于操作，同时考虑引起的加工误差较小。第二步是按照数控工艺方案一步一步地在计算机上编制刀具轨迹。第三步是验证程序的正确性，可行性。可以通过计算机仿真模拟或试切削样件。第四步是优化程序。

3.4程序定型阶段

审核数控编程走刀路线，合格后填写数控加工程序单，绘制加工简图。到现场了解程序执行情况，总结程序编制经验。

4 数控工艺方案对曲面制造精度的影响

数控工艺要考虑自由曲面零件加工的特殊性，合理制定其加工工艺。主要考虑自由曲面零件的装夹与定位，选择刀具，制定工艺路线、切削方法及工艺参数等。

4.1职责整合

数控工艺设计主要用于指导数控编程。考虑到自由曲面零件加工的特殊性，把数控工艺员和编程员的职责合二为一。由程序设计员负责整套模具的数控加工过程，提高了工作效率。

4.2工艺条理清晰，有良好的继承性

自由曲面零件数控工艺复杂，影响因素多，需要对数控加工的全过程深思熟虑，要有很好的条理性，才能编好数控工艺。数控加工的自动化程度高，自适应能力低，一旦出现问题，工人很难现场纠正，轻者造成加工缺陷，重者引起安全事故。因此要预先做好数控工艺的设计。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点，所以生产中证明是好的数控工艺，可做成模板，作为档案保存起来，以后加工同类零件时调用。这样，有良好的继承性，可以节约时间，保证质量。

4.3自由曲面零件数控工艺规则

数控加工工艺规程可以认为是由零件初始状态(毛坯)到最终状态(零件)间的一系列工艺过程，工序的安排应遵循如下的一般规则：

(1)先后原则。先主后次，先面后孔，先铣后钻，先粗后精，先做内腔加工后做外形加工。

(2)大小原则。刀具直径由大到小。

(3)上下原则。上道工序的加工不能影响下道工序的装夹与定位。

(4)相同原则。使用相同的工装和夹具时，应安排在一个工序内加工完，减少重复装夹与定位。

(5)数控工序集中原则。将零件的加工集中在少数几道工序中完成。

(6)刚性强弱原则。不要把削弱零件刚性的工序排在前面。

5 编程软件的合理选用

UG NX4.0和 POWERMILL6.0这两款软件丰富实用，它们加工策略各不相同，又互相补充，使数控加工的质量和效率得到了很大的提高。 POWERMILL6.0在偏置区域清除粗加工时可以加入螺旋功能，进行实际切削时更加平稳，消除了相邻“刀路”之间连接的进刀方向突变，减少切削进给的加速和减速，保持更稳定的切削负荷，延长了刀具寿命，对机床也起到了保护作用。

5.1交叉等高精加工

用户可定义一个分界角，浅滩区域内将使用等高策略，其它部分使用三维偏置策略，并且可以在陡峭和平坦区域之间加入重叠距离，两者相辅相成，实现交叉等高精加工。

5.2参数偏置

精加工既可以保证曲面走刀路径的行间距不超过设定的数值，又可以显著减少三维偏置时在走刀路径的行间可能出现的尖角，有效改善“三维偏置+参考线”的方法在工件表面的相交刀路产生的切削纹理，加工出的工件曲面外观质量得到了明显提高。

5.3切削参数的选择

切削参数对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在 CAM 软件中与切削相关的参数主要有主轴转速、进给速率、刀具切入时的进给速率、步距宽度和切削深度等。主轴转速一般根据切削速度来计算，其计算公式为：n=1000Vc/πd。式中，d为刀具直径，单位为mm ，Vc为切削速度，单位是m/min。

切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关，过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。精加工模具曲面时，应尽量避免中途换刀，以免出现刀痕。因此，应结合刀具耐用度选择切削速度。

进给速度的选择直接影响着模具曲面零件的加工精度和表面粗糙度，其计算公式为F=nzf。式中，n为主轴转速( r/min )，z为铣刀齿数，f为每齿进给量 (mm/ 齿 ) 。每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越小。当加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选择较低的进给量。刀具切入进给速度应小于切削进给速度。

吃刀量的大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，其选择原则是在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，选用尽可能大的吃刀量，以提高加工效率。为保证曲面加工精度和表面粗糙度，应留0.1mm～0.3mm 的精加工余量。在精加工时，吃刀量的选择与表面粗糙度有关，CAM软件中通常提供有两种参数控制表面粗糙度：步距宽度和残留高度。采用步距宽度控制表面粗糙度时，步距宽度越小，曲面越光滑，表面粗糙度越小。采用残留高度控制表面粗糙度时，步距宽度会依据工件形状自动调整。

6 人才是模具数控加工中的决定因素

好的软件确实可以提高模具的加工质量和效率，但它也只是一个工具，人才是模具数控加工中的决定因素。加工形状复杂、精度高的模具曲面，需要有丰富的现场加工经验和理论知识、同时熟练掌握软件功能的数控程序设计者及机床操作者。他们的操作对数控加工影响最直接，是提高模具曲面加工质量的关键因素。

7 结论

机床设备在模具自由曲面零件加工中是非常重要的，但是影响模具数控加工质量的其它重要因素有加工工艺、软件，还有数控程序设计者、机床操作者的综合能力。提高模具曲面加工质量、精度需要多种因素的良好配合。

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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

杨顺田，男，高级工程师，副教授，研究方向：机械设计与制造，数控技术应用。

编辑 杜青泉