模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术的探究

王启香

（东莞市电子商贸学校，广东东莞 523573）

0 引言

模具制造具有成本低和环保效果好等特点，模具水平也是制造业发展速度和产品质量的主要因素。作为高新技术制造产业的重要组成部分，模具工业的发展水平已经成为国家制造业现代化水平的重要评价指标。三轴数控机床是传统模具加工模式下完成工件铣削加工的重要工具，随着模具制造技术的发展与进步，多轴铣削加工开始逐步取代三轴数控铣床。通过对模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术进行探究，以有效促进多轴加工时加工精度的提升。

1 主要问题

（1）工件定位问题。从模具生产制造过程来看，深腔曲面多轴数控铣削加工技术存在着易受外界因素影响的问题，主要有：工件尺寸在线检测需要大量资金投入；工件在装夹阶段对夹具和进度有不同的要求；对难以识别基准特征的深腔曲面进行装夹时，需要耗费大量时间，加工效率低等。

（2）数控机床技术问题。现有的技术水平，使数控机床的性能尚未得到充分发挥。如过于保守的工艺参数设置，给数控机床技术的发展带来一定阻碍；数控机床在运行中出现的参数不匹配问题，给机床性能的发挥带来较大影响。

2 多轴数控铣削加工技术的主要影响因素

（1）顺削受力方向影响。在多轴数控铣削加工中，工件所受的轴向分力、切向分力和径向分力应与微元刀刃所受到的分力相等。因而在顺铣切削模式应用于多轴数控铣削加工以后，每个刀齿的切削厚度会由最大值逐渐降为0。在刀具由切入状态向切除状态转变时，顺铣削模式可以让刀具在切入过程或切出阶段承受来自工件的挤压力。由此而引发的“欠刀”现象会导致切削不彻底的问题。在刀具切出以后，如果切出角达到90°，此时的切削厚度通常为0。

（2）刀具倾角的影响。球头刀是多轴数控铣削加工中常用的一种。在球头刀前倾角和侧倾角影响下，铣削阶段的瞬时未变形切削厚度与有效切速度之间的变化会给最大切削力和平均切削力带来一定影响。前倾角对刀具切削力的影响是刀具倾角对切削力的影响的主要表现。在顺铣削模式下，刀具倾角的变化，会给水平方向的瞬时未变形切削厚度和垂直方向的瞬时未变形切削厚度带来一定变化。假定前倾角不为零，顺铣削的有效切削速度和瞬时未变形切削厚度之间存在着一定差异性，因而在切削力存在差异性情况下，相关人员需要采用逆铣削加工模式。此时刀具一方面在沿着水平反向进行水平运动，另一方面在垂直方向进行进给运动。不仅给深腔曲面多轴数控铣削加工切削力带来影响，也会影响机床的加工效率和加工质量。

3 多轴数控铣削技术的改进措施

3.1 合理确定设计变量

（1）从多轴数控铣削加工过程来看，加工刀具的参数变量涉及到刀具倾角、切削宽度、切削速度等多种因素。假定垂直刀具轴线方向的切削量逐渐变大，设备的切削稳定性会表现出逐渐下降的特点。设备切削稳定性问题的出现，会引发刀具变形幅度增加。例如，在刀具倾角为40°情况下，刀具变形相对较小，但在30°～40°时，刀具会表现出表面粗糙度最佳的特点，此时需要通过对主轴转速与每齿进给量进行优化设置的方式，对设备的加工目标要求给予满足。

（2）在对模具深腔曲面多轴数控洗削加工技术进行分析后，可以通过构建铣削力模型的方式，对顺铣、逆向对平头铣刀和球头刀的影响进行分析，进而让在对相关的铣削厚度模型和铣削力模型进行分析的基础上，将铣削方法、铣削刀具倾角等因素对刀具受力变形的影响进行分析。

3.2 刀具的路径优化

（1）顺铣和逆铣是深腔曲面数控加工中常用的铣削方法。“让刀”现象既有可能出现在顺铣，也有可能出现在逆铣过程。刀具“欠切量”主要涉及因素是：设备的切削力，以及刀具的材料、直径和伸出长度等。为保障模具深腔曲面多轴失控铣削加工的精度，需要应用变形量相对较小的铣削工具。在主轴转速、刀具进给和刀具倾角等参数条件相同的情况下，根据几何轨迹包络研究和结果分析，逆铣表面粗糙度在精加工环境下要高于顺铣。因此，可以借助顺铣提升加工精度，利用逆铣获取理想的表面粗糙度。

（2）在忽视顺铣、逆铣的情况下，垂直侧壁的走刀方式主要由垂直上坡模式、垂直下坡模式、等高上坡模式和登高下坡模式组成。4种走刀方式分别涉及到正前倾角、负前倾角、正侧倾角和负侧倾角等参数。不同的走刀方式在切削力、切削速度和表面粗糙度上有一定的差异性。因此，在刀具倾斜角相同的情况下，等高上坡和垂直上坡是较为理想的走刀方式。

（3）在型腔加工阶段，如果使用垂直上坡铣削方式，在进刀点位于型腔底部、出刀点位于型腔顶部时，上一刀路的出刀点和当前刀路的进刀点之间会存在空刀问题，空刀时间的增加，会给多轴数控铣削加工的工作效率带来不利影响。如果在型腔加工阶段采用的是登高上坡加工方式，则上一刀路的出发点会成为下一刀路的入刀点，这一加工方式的应用，可以在减少空刀量的基础上，提升数控系统的加工效率。

3.3 模具深腔加工误差分析

（1）模具深腔精加工环节与半精加工环节所使用的数控机床的精度相对较高。因机床本身和热变形问题所引发的加工误差值相对较小，因而刀具的长度和半径补偿功能，可以让刀具尺寸变化对加工精度的影响得到有效控制。多轴数控铣削加工中的热缩刀具系统变形问题，则成为了加工误差问题的主要因素。

（2）球头刀是曲面加工过程中常用的工具。首先在曲面加工过程中，应根据走刀方向将曲面离散成不同的刀位点，进而在对各个刀位点进行连接的基础上构建刀具路径。其次，刀具在切削过程中，可以沿刀具路径形成加工表面。在切削力所产生的加工误差的影响下，刀具、工件的实际接触点与名义接触点之间存在着一定的差异性。在对加工曲面法线与刀具轴线的受力变形情况进行分析后，发现刀具的径向刚度要远小于轴向刚度，因而在深腔加工的过程中，可以利用切削力获取刀具的变形情况，既是预测加工误差的有效方式，也可以在对预测的加工误差进行补偿的基础上，提高加工的深度。

4 模具深腔曲面多轴数控加工技术的展望

（1）从深腔曲面多轴数控加工技术的发展现状来看，在对切削条件对铣削力的影响进行充分考虑以后，球头铣刀铣削力问题的研究工作会得到进一步深化。因为切削振动是铣削加工中的常见问题。

（2）高速加工技术的应用，需要重视加工过程的切削振动问题。曲面铣削中的改变切削几何条件对表面粗糙度和切削振动的影响，已成为切削加工研究领域不可忽视的问题。物理仿真环境下的刀具轨迹优化研究工作的开展，可以为铣削加工工艺的进步提供帮助。

工件定位和数控机床技术是多轴数据加工中的重要问题，做好设计变量的合理确定、刀具路径的优化和深腔加工误差分析，可以让深腔曲面多轴数控加工技术的加工深度得到有效提升。

［1］王乐文.模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术探析［J］.南方农机，2017，48（2）：78.

［2］张琦，马艳花.模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术［J］.南方农机，2015（11）：57.

［3］李玉炜.模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术研究［D］.广州：广东工业大学，2015.