型腔模具的加工工藝研究
2020-10-14 來源：- 作者：趙元 張麗麗
摘要：論述了型腔模具的主要材料和結構特點，分析了高速銑削加工、電火花加工、快速成型等型腔模具的加工方法，同時對型腔模具的加工刀具，以及兩款典型的加工設備進行了介紹。
關鍵詞：型腔模具 加工 研究
1 、研究背景
隨著世界經濟和我國經濟的快速發展， 模具制造行業出現了新的特點，主要體現在四個方面：模具的制造周期越來越短，模具的質量要求越來越高，模具的形狀越來越復雜， 模具材料的硬度越來越高。 這些特點均涉及模具的加工方法和加工工藝問題。 模具加工的核心就是型腔加工，對時間和成本而言，型腔加工占整副模具工作量和成本的絕大部分。
隨著模具制造行業出現新特點， 機床行業也在不斷加快研發新產品，以應對市場出現的新需求，滿足市場的新需要。
2 、型腔模具結構特點
型腔模具結構如圖 1 所示， 主要作用是成型外形表面，位置精度和表面質量要求較高，工作部分各表面需要進行研磨和拋光加工，且型腔的種類、形狀、大小均不同，特殊情況下表面還有商標、圖案、花紋、文字等，給型腔模具的加工增加了難度。
3 、型腔模具材料
型腔模具的用材主要從制品種類、 形狀、 尺寸精度、外觀質量、使用要求、生產批量大小等方面綜合考慮，進而選用合適的模具鋼［1］。目前， 國內制造型腔模具常用的鋼材牌號主要有40Cr、P20+Ni、P20、718、2316、2738、S136 等。
4 、型腔模具加工方法
型腔模具加工常見的主要方法有高速銑削加工、電火花加工，部分模具還應用了快速成型技術［2］。 隨著近年來高速切削技術和數控機床的發展， 高速銑削技術在模具制造中得到廣泛應用， 改變了模具的傳統制造方法，同時提高了模具的制造效率。
4.1 高速銑削加工
高速銑削加工技術相對于傳統切削加工技術，機床在切削速度、進給速度等方面明顯提高，切削機理也發生了根本性的變化［3］。
圖 1 復雜型腔模
相比傳統切削加工技術， 高速銑削加工技術具有以下特點：
（1） 大大提高了生產效率， 高速切削能使金屬去除率提高 30%～40%；
（2） 切削力小，與傳統加工相比，高速切削時的切削力小約 30%；
（3） 提高了零件的加工質量；
（4） 簡化了工藝流程，如零件可直接由粗加工、精加工完成制造；
（5） 避免一些在傳統加工中存在的問題， 如切削熱殘留、低速切削振動等；
（6） 延長刀具的使用壽命，使加工能耗降低。
根據模具加工特點和行業發展， 目前主要應用的高速銑削中心有三軸立式加工中心、 五軸聯動立式加工中心， 以及龍門加工中心， 機床進給速度為 40～60m/min，主軸轉速為 30 000～42 000 r/min［4］。
高速銑削技術在模具加工行業中應用， 提高了模具的加工效率。經高速精銑后的模具，甚至不需要進行修磨、拋光等工序，可以大大縮短制造時間。
4.2 電火花加工
對于具有窄縫、精密小型腔、小拐角、深溝槽、冒孔、深度切削等難加工特征的模具，需要應用電火花加工，與高速銑削加工互為補充。
4.3 快速成型
快速成型技術是一種增材制造技術， 在現代計算機輔助設計與計算機輔助制造技術、激光技術、計算機數控技術、新材料技術的基礎上集成發展而來［5］。以上三種加工方法為型腔模具制造中的常用方法，每種加工方法都有自身獨特之處。某類型腔模具或者模具的某個特征， 通常只能應用其中的一種加工方法， 其它方法則不能替代。 三種加工方法之間互為補充， 一個型腔模具制造過程中可能用到其中的一種或兩種加工方法。
高速銑削加工技術的應用大大提高了模具的制造效率，為企業節省了時間。工件經過一次裝夾能夠完成粗加工和精加工，可以得到較高的表面精度，表面粗糙度 Ra 甚至可以達到 0.6 μm，滿足模具制造的要求。 高速銑削加工技術正在越來越多地取代其它加工方法，應用于型腔模具制造中。
5 、型腔模具加工刀具
型腔模具在高速銑削加工過程中， 主要使用的刀具為立銑刀。隨著近年來刀具技術的發展，原來使用的整體式立銑刀被可轉位刀片立銑刀所取代。 相比整體式立銑刀，可轉位刀片立銑刀使用靈活，可根據加工需求選擇安裝刀片數，經濟性也更好。可轉位刀片立銑刀上的可轉位刀片多為圓形刀片，價格較低廉。高速銑削要求刀具材料與被加工材料具有較小的化學親和力，同時要求具有良好的熱穩定、抗沖擊等性能［6］。
隨著近年來刀具材料的發展， 目前用于模具鋼加工的刀具材料主要有陶瓷、聚晶立方氮化硼、硬質合金和涂層硬質合金等。陶瓷刀具的成本低廉，熱穩定性好，但其韌性和硬度比聚晶立方氮化硼低 ， 主要用于加工洛氏硬度（HRC）為 40～50 的材料。 聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性， 適用于加工洛氏硬度（HRC）為55～65 的材料。由目前研究情況可知， 在所有模具高速切削刀具材料中，聚晶立方氮化硼刀具的性能較好，是進行淬硬鋼模具加工的主要刀具［7］。
6 、型腔模具加工設備
我國模具制造行業隨著經濟的發展取得了長足進步，目前，型腔模具的傳統加工逐漸被高速銑削加工中心所取代。 這類機床一般具備多軸聯動和較強的深空腔加工能力，以下介紹兩款典型的高速銑削中心。RXP500 是一款三軸精密高速加工中心， 機床床身采用人造大理石材料制造，剛性好，精度高，如圖 2所示［8］。 機床主軸最高轉速為 42 000 r/min，三軸進給速度為 0～60 m/min，適用于中型模具的加工，一次設置就可以完成模具的粗加工和精加工。
圖 2 RXP500 三軸精密高速加工中心
FZ100 龍門加工中心是為滿足航空和模具行業制造專門開發的一款龍門加工中心，如圖3所示。這一加工中心配備了具有劃時代意義的M3ABC銑頭， 成功實現六軸加工，解決了傳統兩軸叉型銑頭五軸聯動加工的瓶頸問題。 機床 X 軸、Y 軸、Z 軸全部采用齒輪齒條傳動， 消除了間隙， 提高了機床的運動精度和穩定性。 進給速度可達 60 m/min，加速度為 5 m/s2，高剛性和高穩定性較好地滿足了模具制造的加工要求［9］。
圖 3 FZ100 龍門加工中心
7、 智能制造與模具加工
隨著國內勞動力逐漸短缺和制造業向智能化、網絡化、 自動化方向轉變， 模具制造廠拋棄傳統制造方式，向智能工廠轉變，這不僅可以大大提高產品質量和生產效率，而且可以使模具制造更加節材、環保。 智能制造技術的發展和成熟， 必將促進模具制造行業向自動化、智能化方向發展［10］。
8、 結束語
筆者從加工方法、 加工刀具和加工用設備三個方面對型腔模具的加工工藝進行了研究， 著重對高速銑削加工技術進行了分析， 并對典型機床和智能制造對模具制造行業的影響進行了介紹。 隨著機床加工效率提高、工藝不斷改進和新刀具的使用，模具加工工藝在不斷改進。 結合模具實際加工情況，優選刀具和機床，能夠使模具的加工效率最高化。隨著智能制造的發展，智能制造也將加快模具制造模式的變革。
來源：
遼寧省數控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室
沈陽工學院 機械與運載學院
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
