数控高速切削加工技术在金属成形模具制造中的应用

2021-03-11王放达刘翰阳

世界有色金属 2021年22期

谢强，王放达，刘翰阳

（中国航发南方工业有限公司，湖南株洲 412002）

随着设备加工精度逐渐提高，各行业对于不同金属零件的要求也越来越严格，同时零件的复杂程度呈现出逐渐加强的态势。面对这一变化趋势，如何从加工技术上实现产品质量的提升成为了加工制作业关注的重点[1]。在传统的数据加工工艺中，由于对加工设备的选择和参数的设置都存在一定的限制性，导致金属零件加工的合格率存在一定瓶颈[2]。数控高速切削加工技术作为一项先进的加工技术，其允许使用较大的进给率实现了大幅提升，与常规切削加工技术相比，提高范围可以达到5倍～10倍，这就直接决定了在单位时间内，其对金属材料的切削效率可以实现3倍～6倍的提升，这一特性为切削量较大的金属零件加工带来了极大的便利，对于加工效率的提升具有极为突出的作用[3]。

为此，将该技术应用于模具制造中具有巨大的开发价值。本文提出金属成形模具制造中数控高速切削加工技术的应用研究，以期为提高模具加工制造精度提供有价值的参考。

1 数控高速切削加工技术在金属成形模具制造中的应用

1.1 制定工艺方案

在运用数控高速切削加工技术进行金属零件加工之前，首先需要按照零件的加工要求制定出合理的工艺方案。对于壁板、整体框、梁、肋等结构件的模具，其加工的母材多为合金预拉伸材料，对于加工强度的要求较高。面对该类型零件，可以将其分为两类，一类是工艺较为简单的单面加工零件，此时的加工路线只需要经过粗加工-半精加工-精加工，甚至粗加工-精加工两个过程即可。另一类是工艺较为复杂的双面加工零件，对应的加工工艺路线为：正/反面粗加工-正/反面精加工-翻面-反/正面粗加工-反/正面精加工。以此为基础，在确定加工工艺路线的基础上，利用数控高速切削加工技术确定加工方式。

1.2 选择定位、装夹方案

由于数控高速切削加工技术的给进速度一般较高，因此需要对母材的定位和装夹具有较高的可靠性和稳定性。考虑到这一要求，使用一面两孔的定位方案进行母材的定位处理。以零件表面的基准平面和孔为定位的基础，当母材特性不满足定位要求时，通过在零件轮廓外的母材上绘制工艺台和工艺孔的方式实现定位。

1.3 刀具选择

为使数控高速切削加工技术的优势可以充分发挥，在刀具和切削参数的选择上要以实际加工需求为基础进行，同时充分考虑高速问题，以此保证金属零件的加工质量。对于刀具，可以采用HSK系列，与普通刀具相比，HSK系列刀具的前后角更小100，后角的大小一般在5°～8°之间。在对刀具的控制过程中，应尽量缩短切削部位，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。对于某些强度较高的切削材料，要对刀具进行最高应力试验，测试方式如图1所示。

图1 刀具最高应力测试

对于带有PKD或CBN刀片的刀具，使用前要进行预处理。在削切过程中，刀具和装夹系统的接口部分的径向摆动精度、悬臂长度、振动性能都会影响最终的加工质量，因此要选用液压夹头、收缩夹头和力压缩夹头的连接方式，将径向摆动精度控制在0.003mm以内。

2 数控高速加工技术的具体应用实例

将上文提出的模具加工方式应用在实际加工中，研究该加工方法的实际效果。

2.1 大型铝合金壁板加工

作为一个较为典型的金属壁板零件，其也是金属成形模具制作中较为常见的一种零件。加工使用的母材为7B04T7451预拉伸板，要求制成的铝合金壁板规格为1520×1500×35，零件壁的厚度为2.50mm～6.0mm不等，不同位置的厚度存在一定差异，同时零件的结构也相对复杂，对于表面尺寸的质量要求为误差不超过0.01mm。在此要求下，采用以往的模具加工方式较难实现加工目标，其采用的普通数控机床加工方法中，机床的控制精度以及刀具的操作效果都会限制加工零件的质量，同时1500r/min～3000r/min的转速也会影响切割的效率，2000r/min以下的进给速度无法为刀具的操作提供足够的动力，这也会导致母材在单位时间内的切削率下降，提高金属零件表面粗糙程度，加大后期零件打磨工作量，影响最终零件的加工质量和效率。

以此为基础，本文以三坐标高速龙门铣床V2-3500B为基础设备，考虑都加工母材的属性特征，使用奥地利攀时机夹高速铣刀和荷兰亚宝硬质合金高速铣刀作为切割刀具，以此避免由于刀具硬度无法满足切割要求带来的质量问题。使用的数控编程软件为CATIA，版本为V5。装夹方式为真空吸附，在配合压板辅助下以150Pa的压力吸附在平台表面。对应零件不同部位的加工要求，将其划分为7个部分，并编号1～7。通过编程对加工参数进行个性化设计，具体如表1所示。

表1 切削加工参数

在上述加工条件下，进行大型铝合金壁板零件的加工，经过产品检验后，合格率为98.46%，远远高于行业的加工要求，不仅在一定程度上降低了零件加工的原料成本，同时通过提高产品合格率也缩短了产品的加工时间。表明本文提出以数控高速切削加工技术为基础的模具制造方法具有良好的应用效果。

2.2 滑轨肋零件的加工

上述内容是对直线造型零件加工效果的测试，而在实际的模具制造中，弧形零件的加工需求也是较为常见的。为此本文以滑轨肋为测试对象，对所提加工方法的应用性能进行测试。

选择的滑轨肋为某机械组件，其在安装位置位于整体机械的前缘处，通过在前梁上增加该零件，实现对前缘移动部分的支撑，同时当支撑前缘需要转动时，机械的滑轨将作为其转动的阶段。该组件在机械设备上的安装是以对称的形式存在的，每台机械设备上共安装6对。加工肋对的母材为7010/7050-T7651铝合金预拉伸板材，厚度为50mm。零件加工需要首先需要将其改造为以一个内肋和一个外肋为一组的形式，并对其建立固定标识，确保在后续的加工中其一直是固定肋对。同时由于设备的不同位置其弧度也有不同。因此，为确保每个肋板零件与机械蒙皮缘条可以实现高度匹配，要求每组肋对内部的减轻槽腔深度和宽度、加强筋弯曲度数、装配孔的大小、通孔的位置与其预计安装位置一致，同时确保每组肋对中的两个滑轨肋质量差异不超过10g。

在上述基础上，考虑到零件结构复杂，切削量较大，同时精加工后的零件在腹板、筋条位置的厚度较薄，容易出现变形现象导致零件报废。因此采用DIGIT318高速加工机床作为基础设备，刀具为整体合金的高速铣刀，冷却方式为油雾，以此最大限度降低由于温度剧烈变化带来的母材形变，确保弧度的精度。

由于加工过程中需要对其添加一定的弧度，因此正面加工时的装夹方式为真空平台吸附+压板辅助，反面的装夹方式为专用真空平台吸附+沉头螺钉辅助。在CATIA编程控制下，对12组滑轨肋的加工参数进行设计，具体如表2所示。