模具制造中的數(shù)控銑削加工刀具技術(shù)

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序言工業(yè)模具種類(lèi)繁多，包括翻砂鑄造模具、精密鑄造模具、五金模具、塑膠模具、輪胎模具、高低壓鑄造模具、熱流道模具和粉末合金模具等，模具制造的工藝核心是數(shù)控加工，數(shù)控刀具是數(shù)控加工重要的環(huán)節(jié)，俗話說(shuō)“三分技術(shù)，七分刀具”，足見(jiàn)數(shù)控加工刀具的重要性。2

模具材料特性模具材料包括碳素工具鋼、合金工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵類(lèi)、不銹鋼類(lèi)、高溫合金類(lèi)、有色金屬和淬火鋼類(lèi)等，這些材質(zhì)涉及到了機(jī)加工的六大材料組，業(yè)界把模具材料分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等。六大模具材料的切削特性及適用的刀具材質(zhì)見(jiàn)表1。表1六大模具材料切削特性及適用的刀具材質(zhì)

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模具銑削CAM加工策略及標(biāo)準(zhǔn)刀具加工策略與刀具相互對(duì)應(yīng)，科學(xué)選取有助于保證效率、質(zhì)量和成本。需要加工的模具如圖1所示，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定模具加工工步并選擇相應(yīng)刀具，結(jié)果見(jiàn)表2，圖1上標(biāo)注的數(shù)字與表2中的序號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖1加工模具表2模具加工工步及刀具選取模具的定位導(dǎo)柱、頂桿孔和其他功能性孔需要使用孔類(lèi)加工刀具進(jìn)行加工，孔類(lèi)加工刀具及其圖示見(jiàn)表3。根據(jù)2D、3D、仿型銑和多軸加工等刀具策略選取對(duì)應(yīng)刀具，鉆孔、螺旋鏜削、倒角鉆削、全圓銑削和螺紋銑削分別選擇不同的刀具。表3孔類(lèi)加工刀具加工模具時(shí)，各個(gè)工步中的下刀方式是刀具和刀路選取的關(guān)鍵因素，加工模具時(shí)刀具下刀如圖2所示，具體策略及圖示見(jiàn)表4，圖2上標(biāo)注的數(shù)字與表4中的序號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖2加工模具時(shí)刀具下刀示意表4刀具下刀方式4

模具加工刀具選取4.1

考慮因素模具銑削加工刀具選擇考慮的因素有：①根據(jù)機(jī)床主軸接口（BT、HSK、NT和Capto等）選取刀柄形式。②根據(jù)模具銑削策略及工步的大小選取刀具結(jié)構(gòu)（面銑刀、快進(jìn)給銑刀、方肩銑、整體合金銑刀、圓鼻刀、球刀、倒角刀和鉆孔刀等）。③根據(jù)模具結(jié)構(gòu)及大小，分析模具型腔、凸模拐角和R角大小，確定最小刀具和最大刀具，二次開(kāi)粗使用的第二把刀具的直徑為首次切削開(kāi)粗刀具直徑的1/2，三次開(kāi)粗所用的第三把刀具直徑為第二把的1/2，以此類(lèi)推，將模具型腔及凸模拐角處的材料清理干凈，利用精加工策略進(jìn)行高速精加工，刀具一般根據(jù)加工的復(fù)雜程度選用圓鼻刀或球刀。④垂直或水平拐角處的清角一般結(jié)合垂直或水平R角來(lái)選取清角刀具。4.2

不同模具加工的刀具選取案例（1）汽車(chē)凸模加工汽車(chē)凸模（見(jiàn)圖3）材料為Cr12，硬度為28～31HRC，采用濕式加工，不進(jìn)行后期熱處理，加工該模具時(shí)的刀具選取見(jiàn)表5。圖3汽車(chē)凸模表5汽車(chē)凸模加工刀具（2）汽車(chē)凸模加工翻砂鑄造模（見(jiàn)圖4）材料為鑄鋁，工件大小為500mm×300mm×160mm，垂直拐角半徑為4mm，水平拐角半徑為3mm，毛坯余量為8mm，采用消失模鑄造技術(shù)進(jìn)行濕式加工，加工該模具時(shí)的刀具選取見(jiàn)表6[2]。圖4翻砂鑄造模表6翻砂鑄造模加工刀具（3）汽車(chē)凸模加工型腔臺(tái)板凹模（見(jiàn)圖5）材料為HT300，尺寸為500mm×400mm×150mm，采用三軸立式加工中心進(jìn)行濕式加工，在調(diào)質(zhì)處理后加工，加工該模具時(shí)的刀具選取見(jiàn)表7。圖5型腔臺(tái)板凹模表7型腔臺(tái)板凹模加工工藝案例及刀具方案5

新一代模具刀具目前，世界各大刀具廠在刀具細(xì)分市場(chǎng)不斷創(chuàng)新，每年推出具有競(jìng)爭(zhēng)力的刀具來(lái)提質(zhì)增效降本?？蓳Q頭刀具系列得到了各大刀具制造商的積極推廣，應(yīng)用越發(fā)廣泛，刀桿可采用合金材質(zhì)，減振刀桿、合金減振刀桿的懸伸可達(dá)12倍，大大降低了加工時(shí)的振動(dòng)，將表面質(zhì)量提升了幾個(gè)量級(jí)。最新刀具在刀桿材質(zhì)、刀具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了質(zhì)的優(yōu)化，在粗加工和二次開(kāi)粗時(shí)，可以快速地更換刀頭，端銑刀頭、圓鼻銑刀頭、倒角頭和鉸刀頭等都可以共用同一把刀桿，大大減少了刀具的投入，適合模具加工使用。在模具加工中，刀桿的懸伸需要遵循刀桿最粗原則和刀桿最短原則。當(dāng)直徑與懸伸有沖突時(shí)，可以利用合金刀桿、可換頭刀桿及減振刀桿等來(lái)降低加工時(shí)振動(dòng)的頻率及概率，從而保證加工的效率、成本和表面質(zhì)量。刀桿按材料可分為鋼制刀桿、合金刀桿、一般減振刀桿、合金減振刀桿和其他減振刀桿（3D打印刀桿等）。懸伸為3～4倍徑時(shí)選用鋼制刀桿，懸伸為5～6倍徑時(shí)選用合金刀桿，懸伸為7～8倍徑時(shí)選用減振刀桿，懸伸為10～14倍徑時(shí)則應(yīng)選用合金減振刀桿。對(duì)模具加工中使用的刀柄進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其中部分創(chuàng)新刀柄見(jiàn)表8。表8部分創(chuàng)新刀柄先進(jìn)提效刀具的高效率指的是提升切削三要素的能力，即提高切削速度、背吃刀量ap和進(jìn)給量fz（或進(jìn)給速度vf），先進(jìn)提質(zhì)刀具的提質(zhì)就是指降低失效模式、優(yōu)化減振效果和提升表面質(zhì)量。結(jié)合六大材料組及特定的切削狀態(tài)（特別是容易粘刀的航空鋁合金薄壁零部件及易發(fā)生磨損失效的鈦合金、鎳基合金等）制作專(zhuān)用刀具，針對(duì)熱處理后硬度在60HRC以上的模具材料加工，部分創(chuàng)新刀具見(jiàn)表9。表9部分模具加工創(chuàng)新刀具高硬度鋼、合金鋁、淬火鋼和高溫合金等難加工模具所使用的部分先進(jìn)銑削刀片見(jiàn)表10。表10部分先進(jìn)銑削刀片6

結(jié)束語(yǔ)學(xué)會(huì)模具CAM軟件及刀具的合理選配，是模具工程師的必修之課