淺析模具高速加工工藝及編程技術(shù)

譚文平，劉紅華

（1.湖南株洲金利金屬容器廠,株洲 412005 2.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械學(xué)院,長(zhǎng)沙 410205）

隨著高速加工技術(shù)的不斷發(fā)展，在模具的制造加工中，高速加工技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。同時(shí)加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)了高速高工技術(shù)的發(fā)展。模具加工的工藝也逐步代替了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火一銑削加工一熱處理一磨削”或“電火花加工一手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長(zhǎng)的部分、甚至全部的工藝流程[1]。

1 模具高速加工工藝

1.1 粗加工

模具粗加工的主要目地是單位時(shí)間內(nèi)去除盡可能多的材料，同時(shí)為半精加工做好準(zhǔn)備工作。圖1所示在粗加工過(guò)程中刀具載荷受到工件輪廓形狀的影響。因此在切削過(guò)程中若被切削層的金屬形狀發(fā)生變化時(shí)，致使刀具上承受的載荷值發(fā)生改變，造成切削過(guò)程的不穩(wěn)定，也使得刀具磨損速度不均勻，降低了工件加工表面的質(zhì)量。目前CAM軟件的不斷發(fā)展一定程度上解決了上述問(wèn)題，從而獲得良好的加工質(zhì)量。穩(wěn)定的切削載荷，使得切削層面積和材料去除率保持恒定，因此切削載荷和刀具磨損速率也將保持不變，以此提高刀具的壽命和工件的加工質(zhì)量。最終可以避免改變刀具進(jìn)給方向時(shí)將刀具埋人工件中[2]。

圖1 粗加工時(shí)工件輪廓形狀對(duì)刀具載荷產(chǎn)生的影響

1.2 半精加工

模具半精加工的主要目地是就是使工件獲得好的輪廓形狀，對(duì)于工具鋼模具，均勻的表面精加工余量尤其的重要。精加工時(shí)刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化都與加工余量相關(guān)，最終將影響切削過(guò)程中的穩(wěn)定性及工件表面質(zhì)量。因此對(duì)于半精加工策略的優(yōu)化，能夠保證加工后工件表面產(chǎn)生均勻的剩余加工余量。現(xiàn)有的CAD/CAM軟件一般都具有對(duì)剩余加工余量進(jìn)行分析的功能，并能及時(shí)根據(jù)剩余加工余量的具體情況采取合理的加工策略。

1.3 精加工

模具的高速精加工策略與刀具和工件的接觸點(diǎn)有很大的關(guān)系，但是在加工過(guò)程中刀具與工件的接觸點(diǎn)會(huì)不斷地變化，而接觸點(diǎn)的位置與曲面斜率和刀具有效半徑有關(guān)。對(duì)于較復(fù)雜曲面，要盡可能的采取同一工序連續(xù)加工的方法，以減少抬刀和下刀的次數(shù)。但是在加工中由于工件表面斜率的變化，如果只對(duì)加工的側(cè)吃刀量（Step over）加以定義，就會(huì)導(dǎo)致斜率不同的表面上的實(shí)際加工的步距不均勻的情況，進(jìn)而對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

1.4 優(yōu)化進(jìn)給速度

一般晴況下，為了避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變，在精加工中曲面的曲率半徑要大于刀具半徑的1.5倍。在模具的高速精加工中，為保證切削過(guò)程的平穩(wěn)性，在每次切人、切出工件時(shí)，避免采用直線轉(zhuǎn)接，而要使得進(jìn)給方向的改變盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接。

2 模具高速加工中的NC編程策略

高速加工的成功實(shí)現(xiàn)不僅取決于高速主軸、CNC系統(tǒng)、專用刀具，以及特殊的加工工藝和加工控制方法等[因素3-7]，更有其他諸多因素的影響。因此對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，為消除刀具的非正常磨損，對(duì)金屬模具高速加工優(yōu)化NC編程策略有以下幾點(diǎn)：

2.1 合理選擇切削用量

精加工時(shí)，要想獲得較好的表面加工質(zhì)量，要求使得每齒進(jìn)給量即刀具切削載荷等于走刀的步距增量。如果二者不相等，則加工的工件表面質(zhì)量會(huì)很差。針對(duì)平面、坡面、曲面和圓面等不同的零件形狀，我們應(yīng)該根據(jù)具體情況采用不同的步距量。此外如果進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滯后的話，將會(huì)影響加工的工件質(zhì)量，而且也會(huì)加速刀具的過(guò)熱磨損。

2.2 走刀路徑的選擇與優(yōu)化

高速加工不僅必須滿足無(wú)干涉、無(wú)碰撞、軌跡光滑、切削載荷平滑等的刀具軌跡要求；同時(shí)，要保證零件的加工精度和表面粗糙度；達(dá)到縮短走刀的路徑，減少進(jìn)退刀時(shí)間和其它輔助時(shí)間的目的；最后還要保證數(shù)值計(jì)算的方便，縮減編程工作量、減少程序段數(shù)[8]。

2.3 典型型面與難加工型面的加工策略

高速加工工藝技術(shù)是成功進(jìn)行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。典型型面與難加工型面的加工的加工是決定高速加工技術(shù)成敗的一大因素。若選用不當(dāng)?shù)那邢鞣椒ǎ粌H加劇了刀具的磨損，甚至達(dá)不到高速加工的最初目的。因此在高速加工中要根據(jù)零件輪廓的類型及其復(fù)雜程度決定選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ǎ垣@得優(yōu)質(zhì)的高速加工工件。

2.4 采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)

采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)，如加工殘余分析、待加工軌跡監(jiān)控、自動(dòng)防過(guò)切保護(hù)、尖點(diǎn)控制、高精度輪廓控制技術(shù)、NURBS插補(bǔ)、進(jìn)給速度優(yōu)化、刀具軌跡編輯優(yōu)化及裁剪修復(fù)、刀具軌跡驗(yàn)證等，能夠保證高速加工的順利實(shí)現(xiàn)，獲得良好的工件質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文主要討論了高速加工的工藝，闡述了影響高速加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，急需要注意的問(wèn)題。為提高加工效率、加工質(zhì)量和刀具壽命，保證高速加工的順利進(jìn)行，高速加工NC編程策略的優(yōu)化就顯得尤為重要。其中涉及刀具路徑選擇以及不同工序、不同加工形狀的編程過(guò)程的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。選擇合適恰當(dāng)?shù)募庸し椒ǎm宜的切削用量，保證高速加工的順利實(shí)現(xiàn)，獲得良好的工件質(zhì)量。

[1]陳森燦，葉慶榮.金屬塑性加1二原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,l991．

[2]中國(guó)機(jī)械T程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)(1)[M].北京：機(jī)械]二業(yè)出版社,2002．

[3]Schulz H.Hochgeschwindigkeitsfilsen Metallischer and Nichtmetallischer Werkstofe．Carl Hanser Vedag,Mtlnchen,Wien,1989.

[4]Lepold J.Werkzeuge fuer Hochgeschwindigkeitberarbeitung.Carl Hanser Vedag,Munchen,Wien,1999.

[5]Enselmann A.HSC-Harfrgsen von Formen und Gesenken-Tec h nologie.Wirtschaftlichkeit,On timiemng.Vulkan Vedag,Essen,1999.

[6]FlalbOehmer P，Rodriguez C A,Oezel T,Altan T.High-speed Machining of Cast Iron and Alloy Steels for Die Mold Manufacturing．Materials Processing Technology.2000,98:104-114.

[7]Elbestawi M A.High Speed Milling of Dies and Molds in Their Hardened State.Annals ofCIRP,1997(1):57-62.

[8]周 濟(jì),等.數(shù)控加工技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.