數控高速切削加工技術在金屬成形模具制造中的應用

謝 強，王放達，劉翰陽

（中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002）

隨著設備加工精度逐漸提高，各行業對于不同金屬零件的要求也越來越嚴格，同時零件的復雜程度呈現出逐漸加強的態勢。面對這一變化趨勢，如何從加工技術上實現產品質量的提升成為了加工制作業關注的重點[1]。在傳統的數據加工工藝中，由于對加工設備的選擇和參數的設置都存在一定的限制性，導致金屬零件加工的合格率存在一定瓶頸[2]。數控高速切削加工技術作為一項先進的加工技術，其允許使用較大的進給率實現了大幅提升，與常規切削加工技術相比，提高范圍可以達到5倍～10倍，這就直接決定了在單位時間內，其對金屬材料的切削效率可以實現3倍～6倍的提升，這一特性為切削量較大的金屬零件加工帶來了極大的便利，對于加工效率的提升具有極為突出的作用[3]。

為此，將該技術應用于模具制造中具有巨大的開發價值。本文提出金屬成形模具制造中數控高速切削加工技術的應用研究，以期為提高模具加工制造精度提供有價值的參考。

1 數控高速切削加工技術在金屬成形模具制造中的應用

1.1 制定工藝方案

在運用數控高速切削加工技術進行金屬零件加工之前，首先需要按照零件的加工要求制定出合理的工藝方案。對于壁板、整體框、梁、肋等結構件的模具，其加工的母材多為合金預拉伸材料，對于加工強度的要求較高。面對該類型零件，可以將其分為兩類，一類是工藝較為簡單的單面加工零件，此時的加工路線只需要經過粗加工-半精加工-精加工，甚至粗加工-精加工兩個過程即可。另一類是工藝較為復雜的雙面加工零件，對應的加工工藝路線為：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。以此為基礎，在確定加工工藝路線的基礎上，利用數控高速切削加工技術確定加工方式。

1.2 選擇定位、裝夾方案

由于數控高速切削加工技術的給進速度一般較高，因此需要對母材的定位和裝夾具有較高的可靠性和穩定性?？紤]到這一要求，使用一面兩孔的定位方案進行母材的定位處理。以零件表面的基準平面和孔為定位的基礎，當母材特性不滿足定位要求時，通過在零件輪廓外的母材上繪制工藝臺和工藝孔的方式實現定位。

1.3 刀具選擇

為使數控高速切削加工技術的優勢可以充分發揮，在刀具和切削參數的選擇上要以實際加工需求為基礎進行，同時充分考慮高速問題，以此保證金屬零件的加工質量。對于刀具，可以采用HSK系列，與普通刀具相比，HSK系列刀具的前后角更小100，后角的大小一般在5°～8°之間。在對刀具的控制過程中，應盡量縮短切削部位，以提高刀具的剛性和減小刀刃的破損率。對于某些強度較高的切削材料，要對刀具進行最高應力試驗，測試方式如圖1所示。

圖1 刀具最高應力測試

對于帶有PKD或CBN刀片的刀具，使用前要進行預處理。在削切過程中，刀具和裝夾系統的接口部分的徑向擺動精度、懸臂長度、振動性能都會影響最終的加工質量，因此要選用液壓夾頭、收縮夾頭和力壓縮夾頭的連接方式，將徑向擺動精度控制在0.003mm以內。

2 數控高速加工技術的具體應用實例

將上文提出的模具加工方式應用在實際加工中，研究該加工方法的實際效果。

2.1 大型鋁合金壁板加工

作為一個較為典型的金屬壁板零件，其也是金屬成形模具制作中較為常見的一種零件。加工使用的母材為7B04T7451預拉伸板，要求制成的鋁合金壁板規格為1520×1500×35，零件壁的厚度為2.50mm～6.0mm不等，不同位置的厚度存在一定差異，同時零件的結構也相對復雜，對于表面尺寸的質量要求為誤差不超過0.01mm。在此要求下，采用以往的模具加工方式較難實現加工目標，其采用的普通數控機床加工方法中，機床的控制精度以及刀具的操作效果都會限制加工零件的質量，同時1500r/min～3000r/min的轉速也會影響切割的效率，2000r/min以下的進給速度無法為刀具的操作提供足夠的動力，這也會導致母材在單位時間內的切削率下降，提高金屬零件表面粗糙程度，加大后期零件打磨工作量，影響最終零件的加工質量和效率。

以此為基礎，本文以三坐標高速龍門銑床V2-3500B為基礎設備，考慮都加工母材的屬性特征，使用奧地利攀時機夾高速銑刀和荷蘭亞寶硬質合金高速銑刀作為切割刀具，以此避免由于刀具硬度無法滿足切割要求帶來的質量問題。使用的數控編程軟件為CATIA，版本為V5。裝夾方式為真空吸附，在配合壓板輔助下以150Pa的壓力吸附在平臺表面。對應零件不同部位的加工要求，將其劃分為7個部分，并編號1～7。通過編程對加工參數進行個性化設計，具體如表1所示。

表1 切削加工參數

在上述加工條件下，進行大型鋁合金壁板零件的加工，經過產品檢驗后，合格率為98.46%，遠遠高于行業的加工要求，不僅在一定程度上降低了零件加工的原料成本，同時通過提高產品合格率也縮短了產品的加工時間。表明本文提出以數控高速切削加工技術為基礎的模具制造方法具有良好的應用效果。

2.2 滑軌肋零件的加工

上述內容是對直線造型零件加工效果的測試，而在實際的模具制造中，弧形零件的加工需求也是較為常見的。為此本文以滑軌肋為測試對象，對所提加工方法的應用性能進行測試。

選擇的滑軌肋為某機械組件，其在安裝位置位于整體機械的前緣處，通過在前梁上增加該零件，實現對前緣移動部分的支撐，同時當支撐前緣需要轉動時，機械的滑軌將作為其轉動的階段。該組件在機械設備上的安裝是以對稱的形式存在的，每臺機械設備上共安裝6對。加工肋對的母材為7010/7050-T7651鋁合金預拉伸板材，厚度為50mm。零件加工需要首先需要將其改造為以一個內肋和一個外肋為一組的形式，并對其建立固定標識，確保在后續的加工中其一直是固定肋對。同時由于設備的不同位置其弧度也有不同。因此，為確保每個肋板零件與機械蒙皮緣條可以實現高度匹配，要求每組肋對內部的減輕槽腔深度和寬度、加強筋彎曲度數、裝配孔的大小、通孔的位置與其預計安裝位置一致，同時確保每組肋對中的兩個滑軌肋質量差異不超過10g。

在上述基礎上，考慮到零件結構復雜，切削量較大，同時精加工后的零件在腹板、筋條位置的厚度較薄，容易出現變形現象導致零件報廢。因此采用DIGIT318高速加工機床作為基礎設備，刀具為整體合金的高速銑刀，冷卻方式為油霧，以此最大限度降低由于溫度劇烈變化帶來的母材形變，確?；《鹊木取?/p>

由于加工過程中需要對其添加一定的弧度，因此正面加工時的裝夾方式為真空平臺吸附+壓板輔助，反面的裝夾方式為專用真空平臺吸附+沉頭螺釘輔助。在CATIA編程控制下，對12組滑軌肋的加工參數進行設計，具體如表2所示。

表2 滑軌肋加工參數

在該加工參數的基礎下，進行滑軌肋零件的加工，經產品檢驗后，產品的合格率為97.65%，達到了零件加工標準的要求，表明本文提出方法可以實現對彎曲零件的精準加工。

3 結語

數控高速切削加工技術作為一項先進的金屬零件加工方式，彌補了傳統數控技術在加工精度上存在的不足，同時作為一項正在不斷發展的發展型綜合技術，其未來在零件加工中發揮的價值也將越來越大。在此背景下，要切實體現數控高速切削加工技術的優勢，優化對高速加工機床的選擇是十分必要的。