淺析影響模具數(shù)控加工質量的因素
關鍵詞：模塑公司；模具；加工質量；工藝；軟件
成都航天模塑股份有限公司是從事模具及汽車內(nèi)外飾件制造的專業(yè)化公司，公司擁有一支高素質的研發(fā)、設計隊伍，以國際最先進的軟件將六十余臺工作站相連接，以 CAD/CAM/CAE 技術及數(shù)十臺數(shù)控加工設備和數(shù)控注塑設備組成具有國際水平的產(chǎn)品研發(fā)體系和強大的模具制造、注塑能力。公司從引進數(shù)控加工中心至今，已有了近二十年的數(shù)控設備使用經(jīng)驗，深刻體會到模具制造發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)越來越離不開數(shù)控設備，數(shù)控加工向著高精度、高質量、高速度、高自動化方向發(fā)展！數(shù)控加工已經(jīng)成為模具制造不可缺少的工藝方法，并且將越來越重要，數(shù)控設備的多少和數(shù)控設備先進性程度已經(jīng)成為一個模具制造企業(yè)贏得市場、贏得競爭的關鍵性因素之一。
現(xiàn)代模具制造業(yè)中，型腔型面設計日趨復雜，尤其是汽車模具中自由曲面所占比例不斷增加及產(chǎn)品質量要求不斷提高，都對曲面的制造精度提出了更高的要求。因此，模具制造工藝系統(tǒng)的精度、數(shù)控系統(tǒng)的精度和模具制造的 CAM 技術都會對曲面加工質量產(chǎn)生影響。而包含自由曲面模具基本上都是借助各種 CAM 軟件進行自動編程，利用數(shù)控機床加工完成的。
模塑公司大部分數(shù)控加工中心已經(jīng)有了較長的使用時間，雖然有嚴格的數(shù)控機床操作規(guī)范，良好的機床維護保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質量，我們定期對數(shù)控設備進行檢測維修，明確每臺設備的加工精度，明確每臺設備的加工任務。嚴格區(qū)分粗、精加工的設備使用，因為粗加工時追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，而粗加工時對設備的精度損害是最嚴重的，因此我們將使用年限較長精度最差的設備定為專用的粗加工設備，新設備和精度好的設備定為精加工設備，做到了對現(xiàn)有設備資源的合理搭配、明確分工，將機床對加工質量的影響降到了最低，同時又保護了昂貴的數(shù)控設備，延長了設備的壽命。當我們的機床不可改變時，與機床相關的刀柄、刀具對數(shù)控加工質量的影響又變得突出了。在任何旋轉刀具加工系統(tǒng)中，主軸與夾頭 ( 或其組合體 ) 的聯(lián)結才是刀具加工性能實現(xiàn)的真正基石！我們公司常用刀柄與機床的接口有 BT 柄和 HSK 柄。 BT 柄與機床主軸的接口錐柄錐度為 7 ： 24 ，這種方式的刀柄只適合于傳統(tǒng)的低速加工，因為 BT 刀柄與主軸只是錐面配合，當轉速太高時，由于離心力的作用會使錐面配合間隙增大，從而影響數(shù)控加工質量。當機床最高轉速達到 15000 轉 / 分時，通常需要采用 HSK 型刀柄，HSK 刀桿為過定位結構，提供與機床標準聯(lián)結，在機床拉力作用下，保證刀桿短錐和端面與機床緊密配合。
刀柄對刀桿、刀具的夾緊方式主要有側固式、彈性夾緊式、液壓夾緊式和熱膨脹式等。側固式精度較低并且難以保證刀具動平衡，在高速銑削式不宜采用，下圖為彈性夾緊式、液壓夾緊式和熱膨脹式刀桿示意圖，熱膨脹式刀桿夾頭的刀孔與刀柄為過盈配合，須采用專用熱膨脹裝置裝卸刀具，一般使用電感加熱或熱空氣加熱刀桿，使刀孔直徑膨脹，然后將刀柄插入刀，冷卻后孔徑收縮將刀柄緊緊夾住。
模塑公司通過多年的應用、比較、總結，現(xiàn)在采取的刀柄使用方案為：粗加工或大進給加工時采用 BT 彈簧夾頭刀柄，普通機床上的半精和精加工采用的 BT 液壓夾頭刀柄，在高速銑和石墨加工機上采用的是 HSK 型熱脹刀柄或液壓夾頭刀柄。因為彈簧夾頭刀柄在刀具裝夾麻煩費時，重復精度較差，加工吸振性能不好，所以用于粗加工或大進給加工 ；而精加工時采用的液壓夾頭刀柄具有極高的夾持回轉精度，非常方便的刀具裝夾方式深受操作者喜愛，并且為全密封結構型式，有效防止冷卻液、鐵屑特別是石墨粉塵對刀柄的損害，而液壓夾頭刀柄又具有優(yōu)良的阻尼減振性能，可以抑制加工中產(chǎn)生的振動，從而明顯改善了模具的表面加工質量和表面光潔度。在高速銑上做模具加工所采用的 HSK 型熱脹刀柄具有結構簡單，夾緊可靠、同心度高，傳遞扭矩和徑向力大，特別是在模具的深型腔加工中，熱脹刀柄的刀具夾持端可以很長、外徑可以做得很小而廣泛應用與模具的深型腔加工中，但是通過高速銑的應用發(fā)現(xiàn)熱脹刀柄為全剛性的結構使阻尼減振性能很差而難以抑制加工中產(chǎn)生的振動，從而在程序編制不好時對模具的加工質量產(chǎn)生較大的影響，大幅降低刀具的使用壽命，因此建議在小批量的使用高速機床時不要配置熱脹刀柄，因為雖然熱脹刀柄很便宜，但一般一臺電感加熱裝置的價錢可以購買幾十個其它類型的刀柄了。
刀具的正確選擇和使用是 影響數(shù)控加工質量 的重要因素。硬質合金刀具應用范圍在公司越來越廣，硬質合金將代替大部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀、絲錐等簡單通用刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高，硬質合金將在刀具材料中占主導地位，覆蓋大部分常規(guī)的加工領域。我公司在 粗加工中 盡可能采用大直徑 的牛鼻刀，使用 R2 、 R6 的 硬質合金刀片，做到粗加工排屑“多”；半精加工選用高轉速高進給 R0.8 的鑲片立銑刀，做到半精加工走刀“快”；精加工時盡量選用硬質合金刀桿和高精度球頭鏡面刀片，這樣可在保正 加工質量的同時節(jié)省選用整體 合金刀具的高昂費用，模具 精加工中所用最小刀具的半徑應小于或等于被加工零件上的內(nèi)輪廓圓角半徑，尤其是在拐角加工時，應選用半徑小于拐角處圓角半徑的刀具并以圓弧插補的方式進行加工，這樣可以避免采用直線插補而出現(xiàn)過切現(xiàn)象， 做到精加工質量“好”。
高品質硬質合金刀具
高速加工技術的發(fā)展日益成熟，極大的提高了模具加工速度、減少了加工工序、縮短甚至消除了耗時的鉗工修復工作，從而極大地提高了模具數(shù)控加工質量，縮短了模具的生產(chǎn)周期。因此模具的高速加工技術逐漸成為 模塑公司 技術改造最主要的內(nèi)容之一，高速加工取代傳統(tǒng)低速加工已成為必然，誰將高速加工上得快、用得好就必將贏得市場！
通過前面的分析可以得出機床設備在模具的加工中是非常重要的，但是影響 模具數(shù)控加工質量的另外的 重要 因素是加工工藝 、 軟件 、數(shù)控程序設計者、機床操作者。
數(shù)控編程一般可分為 4 個階段：準備工作階段、技術方案階段、數(shù)控編程階段和程序定型階段。
1 ．準備工作階段：根據(jù)生產(chǎn)任務書，按要求接收技術數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的準確性、時效性。明確生產(chǎn)計劃，能否按時完成。
2 ．技術方案階段：數(shù)控編程前的首要工作是制定技術方案。公司把數(shù)控工藝和刀路程序設計合并由程序設計員一人負責。技術方案階段主要任務是根據(jù)車間的制造資源，編制數(shù)控加工的工藝方案。為了做好技術方案，必須了解加工環(huán)境和制造資源，包括：機床、刀具、夾具、軟件、工藝資源、毛坯（如毛料、鍛件、鑄件、熱處理、切削性能、預加工）等，還要對零件的技術要求弄清楚，如公差要求、光潔度、薄壁件的允許變形、裝配關系等。
數(shù)控工藝方案的設計是有難度的，因為要處理的信息量大，各種信息之間的關系又極為錯綜復雜，這主要靠程序設計員的工作經(jīng)驗來進行。因此，工藝方案的設計質量完全取決于技術人員的水平和經(jīng)驗。
在高速銑技術廣泛應用的今天，數(shù)控工藝方案的設計重要性被提到了更高的地位。高速銑要求對加工的全過程進行控制，任何疏忽都會引起嚴重的后果，因此，高速銑的工藝方案的編制好壞，將會對高速銑成敗起到?jīng)Q定性的作用。
3 ．數(shù)控編程階段：在編程準備期間，主要的依據(jù)是三維數(shù)據(jù)和工藝文件。程序設計員要分析零件的幾何特征，構思加工過程，結合機床具體情況，考慮工件的定位，選用夾具。數(shù)控編程的第一步要正確定義加工坐標系，選擇好對刀點。選擇的編程原點應方便編程、便于測量檢查、便于操作，同時考慮引起的加工誤差較小。第二步是按照數(shù)控工藝方案一步一步地在計算機上編制刀具軌跡。第三步是驗證程序的正確性，可行性?？梢酝ㄟ^計算機仿真模擬或試切削樣件。第四步是優(yōu)化程序。
4 ．程序定型階段：由主管領導審核數(shù)控編程刀路，合格后填寫數(shù)控加工程序單，繪制加工簡圖。到現(xiàn)場了解程序執(zhí)行情況，總結程序編制經(jīng)驗。
數(shù)控工藝的特點和數(shù)控加工工藝規(guī)劃的編制：
（ 1 ）數(shù)控工藝要考慮加工零件的工藝性，確定加工零件的裝夾與定位，選擇刀具，制定工藝路線、切削方法及工藝參數(shù)等，而這些在常規(guī)工藝中可以簡化。
（ 2 ）數(shù)控工藝設計主要用于指導數(shù)控編程，我公司把數(shù)控工藝員和編程員的職責和二為一，由程序設計員負責整套模具的數(shù)控加工過程，提高了工作效率。
（ 3 ）數(shù)控加工的自動化程度高，影響因素多，在數(shù)控加工中，質量和安全是自關重要的，必須得到保證。
（ 4 ）數(shù)控工藝的編制要有嚴密的條理性。數(shù)控工藝復雜，影響因素多，需要對數(shù)控加工的全過程深思熟慮，要有很好的條理性，才能編好數(shù)控工藝。加上數(shù)控加工的自動化程度高，它的自適應能力就低，一旦出現(xiàn)問題，工人很難現(xiàn)場糾正，輕者造成加工缺陷，重者引起安全事故，因此要預先有條理的做好數(shù)控工藝的設計。
（ 5 ）數(shù)控工藝的繼承性好。凡是在生產(chǎn)中證明是好的數(shù)控工藝，可以做成模板，作為檔案保存起來，在以后加工同類零件時調(diào)用，可以節(jié)約時間，保證質量。
數(shù)控加工工藝規(guī)劃可以認為是由零件初始狀態(tài)（毛坯）到最終狀態(tài)（零件）間的一系列工藝過程的狀態(tài)空間。數(shù)控工序的排序應滿足如下的一般規(guī)則：
1. 先主后次。 2. 先面后孔，先銑后鉆。 3. 先粗后精。 4. 先做內(nèi)腔加工后做外形加工。 5. 按工序的順序，刀具直徑由大到小。 6. 上道工序的加工不能影響下道工序的裝夾與定位。 7. 用相同的工裝和夾具應安排在一起做完，減少重復裝夾與 定位。 8. 數(shù)控工序要集中。 9. 不要把削弱零件剛性的工序排在前面。
一個好的數(shù)控加工工藝規(guī)劃還要考慮以下幾個方面：
是否能滿足零件的技術要求，是否能提高數(shù)控加工的效率，低的加工成本，好的質量控制。
因此，通常一份完整的數(shù)控加工工藝規(guī)劃，大概包括如下內(nèi)容：
? 數(shù)控機床選擇。
? 加工方法選擇。
? 確定零件的裝夾方式并選擇夾具。
? 定位方法。
? 檢驗要求及檢驗方法。
? 選擇刀具。
? 加工中的誤差控制和公差控制。
? 定義數(shù)控工序。
? 數(shù)控工序排序。
? 切削參數(shù)選擇。
? 編制數(shù)控工藝程序單。
模塑公司通過在模具行業(yè)中的比較，購買了國際一流的數(shù)控加工軟件： UG NX4.0 和 POWERMILL6.0 ，通過多年的使用表明是非常適合模具加工行業(yè)的，尤其是兩種軟件豐富實用的加工策略各不相同，互相補充使數(shù)控加工的質量和效率得到了很大的提高。 POWERMILL 在偏置區(qū)域清除粗加工時可以加入螺旋功能，進行實際切削時更加平穩(wěn)，消除了相鄰刀路之間連接的進刀方向突變，減少切削進給的加速和減速，保持更穩(wěn)定的切削負荷，延長了刀具壽命，對機床也起到了保護作用。
交叉等高精加工使用戶可定義一個分界角，淺灘區(qū)域內(nèi)將使用等高策略，其它部分使用三維偏置策略，并且可以在陡峭和平坦區(qū)域之間加入重疊距離，兩者相輔相成。
參數(shù)偏置精加工既可以保證曲面上刀路間的行距不超過設定的數(shù)值，又可以顯著減少三維偏置策略中在刀具路徑中可能出現(xiàn)的尖角，可以有效改善三維偏置加參考線的方法在工件表面的相交刀路產(chǎn)生的切削紋理，工件的外觀質量更好。
切削參數(shù)的選擇對加工質量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在 CAM 軟件中與切削相關的參數(shù)主要有主軸轉速 (Spindlespeed) 、進給速率 (Cut feed) 、刀具切入時的進給速率 (Lead in feed rate) 、步距寬度（ Step-over ）和切削深度（ Step depth ）等。
主軸轉速一般根據(jù)切削速度來計算，其計算公式為： n = 1000 V c / π d ，式中 d 為刀具直徑（ mm ）， Vc 為切削速度 (m/min) 。切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關，過低或過高的切削速度都會使刀具耐用度急劇下降。模具精加工時，應盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質量，因此應結合刀具耐用度認真選擇切削速度。
進給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，其計算公式為 F=nzf ，式中 n 為主軸轉速（ r/min ）， z 為銑刀齒數(shù)， f 為每齒進給量 (mm/ 齒 ) 。每齒進給量的選取取決于工件材料的力學性能、刀具材料和銑刀結構。工件的硬度和強度越高，每齒進給量越??；當加工精度和表面粗糙度要求較高時，應選擇較低的進給量；刀具切入進給速度應小于切削進給速度。
吃刀量的大小主要受機床、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，選用盡可能大的吃刀量，以提高加工效率。為保證加工精度和表面粗糙度，應留 0.1~0.3mm 的精加工余量。
在精加工時，吃刀量的選擇與表面粗糙度有關， CAM 軟件中通常提供有兩種參數(shù)控制表面粗糙度：步距寬度（ Stepover ）和殘留高度 (Scallop) 。采用步距寬度控制表面粗糙度時，步距寬度越小，表面粗糙度越小；采用殘留高度控制表面粗糙度時，步距寬度會依據(jù)工件形狀自動調(diào)整。
好的軟件確實可以提高模具的加工質量和效率，但它也只是一個工具，我們需要的是有豐富的現(xiàn)場機械加工經(jīng)驗和理論知識，同時熟練掌握軟件功能的數(shù)控程序設計者，因為人才是模具數(shù)控加工中的決定因素，對數(shù)控加工的質量和效率起到關鍵作用。為此， 模塑公司建立了完善的程序設計員培養(yǎng)體系。所有的設計員都要先在數(shù)控操作的崗位上實習一段時間，經(jīng)過嚴格操作考核合格后方能進行數(shù)控程序的設計培訓。程序設計員必須會用公司所購買的所有正版數(shù)控加工軟件，并且熟練掌握至少一種后才能編制程序。為了保證模具的數(shù)控加工質量，就必須有好的數(shù)控程序，為了便于管理和控制加工質量，我們根據(jù)多年的經(jīng)驗總結編寫了多種的程序編制規(guī)范，為公司的模具質量的穩(wěn)定和不斷提高打下了堅實的基礎。
機床操作者是數(shù)控加工的執(zhí)行人，他們對數(shù)控加工質量的控制也是很明顯的。他們在執(zhí)行加工任務的過程中對機床、刀柄、刀具、加工工藝、軟件和切削參數(shù)的實時狀態(tài)最了解，他們的各項操作對數(shù)控加工影響最直接，所以機床操作者的技能和責任心也是提高數(shù)控加工質量關鍵因素！
經(jīng)過多年的模具加工分析，雖然機床等硬件設備是很關鍵的，但人才是影響數(shù)控加工質量的決定性因素，因為程序設計員和機床操作者的職業(yè)道德、技能水平、崗位責任心確定了各種先進設備能夠發(fā)揮出多大的效能！所以我們一定要重視人才的培養(yǎng)和引進，為模具質量的持續(xù)提高打下堅實的基礎！