浅析影响模具数控加工质量的因素

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浅析影响模具数控加工质量的因素




 摘要：汽车模具中自由曲面所占比例不断增加及产品质量要求不断提高，都对曲面的制造精度提出了更高的要求， 通过对模具数控加工经验的总结，分析了影响数控加工质量的相关因素；从机床、刀柄、刀具、加工工艺、软件和切削参数等方面介绍了提高数控加工质量所采取措施。 
关键词：模塑公司；模具；加工质量；工艺；软件
成都航天模塑股份有限公司是从事模具及汽车内外饰件制造的专业化公司，公司拥有一支高素质的研发、设计队伍，以国际最先进的软件将六十余台工作站相连接，以 CAD/CAM/CAE 技术及数十台数控加工设备和数控注塑设备组成具有国际水平的产品研发体系和强大的模具制造、注塑能力。公司从引进数控加工中心至今，已有了近二十年的数控设备使用经验，深刻体会到模具制造发展到现阶段已经越来越离不开数控设备，数控加工向着高精度、高质量、高速度、高自动化方向发展！数控加工已经成为模具制造不可缺少的工艺方法，并且将越来越重要，数控设备的多少和数控设备先进性程度已经成为一个模具制造企业赢得市场、赢得竞争的关键性因素之一。




现代模具制造业中，型腔型面设计日趋复杂，尤其是汽车模具中自由曲面所占比例不断增加及产品质量要求不断提高，都对曲面的制造精度提出了更高的要求。因此，模具制造工艺系统的精度、数控系统的精度和模具制造的 CAM 技术都会对曲面加工质量产生影响。而包含自由曲面模具基本上都是借助各种 CAM 软件进行自动编程，利用数控机床加工完成的。




模塑公司大部分数控加工中心已经有了较长的使用时间，虽然有严格的数控机床操作规范，良好的机床维护保养，但是其本身的精度损失是不可避免的。为了控制产品的加工质量，我们定期对数控设备进行检测维修，明确每台设备的加工精度，明确每台设备的加工任务。严格区分粗、精加工的设备使用，因为粗加工时追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，而粗加工时对设备的精度损害是最严重的，因此我们将使用年限较长精度最差的设备定为专用的粗加工设备，新设备和精度好的设备定为精加工设备，做到了对现有设备资源的合理搭配、明确分工，将机床对加工质量的影响降到了最低，同时又保护了昂贵的数控设备，延长了设备的寿命。当我们的机床不可改变时，与机床相关的刀柄、刀具对数控加工质量的影响又变得突出了。在任何旋转刀具加工系统中，主轴与夹头 ( 或其组合体 ) 的联结才是刀具加工性能实现的真正基石！我们公司常用刀柄与机床的接口有 BT 柄和 HSK 柄。 BT 柄与机床主轴的接口锥柄锥度为 7 ： 24 ，这种方式的刀柄只适合于传统的低速加工，因为 BT 刀柄与主轴只是锥面配合，当转速太高时，由于离心力的作用会使锥面配合间隙增大，从而影响数控加工质量。当机床最高转速达到 15000 转 / 分时，通常需要采用 HSK 型刀柄，HSK 刀杆为过定位结构，提供与机床标准联结，在机床拉力作用下，保证刀杆短锥和端面与机床紧密配合。




刀柄对刀杆、刀具的夹紧方式主要有侧固式、弹性夹紧式、液压夹紧式和热膨胀式等。侧固式精度较低并且难以保证刀具动平衡，在高速铣削式不宜采用，下图为弹性夹紧式、液压夹紧式和热膨胀式刀杆示意图，热膨胀式刀杆夹头的刀孔与刀柄为过盈配合，须采用专用热膨胀装置装卸刀具，一般使用电感加热或热空气加热刀杆，使刀孔直径膨胀，然后将刀柄插入刀，冷却后孔径收缩将刀柄紧紧夹住。




模塑公司通过多年的应用、比较、总结，现在采取的刀柄使用方案为：粗加工或大进给加工时采用 BT 弹簧夹头刀柄，普通机床上的半精和精加工采用的 BT 液压夹头刀柄，在高速铣和石墨加工机上采用的是 HSK 型热胀刀柄或液压夹头刀柄。因为弹簧夹头刀柄在刀具装夹麻烦费时，重复精度较差，加工吸振性能不好，所以用于粗加工或大进给加工 ；而 精加工时采用的液压夹头刀柄具有极高的夹持回转精度，非常方便的刀具装夹方式深受操作者喜爱，并且为全密封结构型式，有效防止冷却液、铁屑特别是石墨粉尘对刀柄的损害，而液压夹头刀柄又具有优良的阻尼减振性能，可以抑制加工中产生的振动，从而明显改善了模具的表面加工质量和表面光洁度。在高速铣上做模具加工所采用的 HSK 型热胀刀柄具有结构简单，夹紧可靠、同心度高，传递扭矩和径向力大，特别是在模具的深型腔加工中，热胀刀柄的刀具夹持端可以很长、外径可以做得很小而广泛应用与模具的深型腔加工中，但是通过高速铣的应用发现热胀刀柄为全刚性的结构使阻尼减振性能很差而难以抑制加工中产生的振动，从而在程序编制不好时对模具的加工质量产生较大的影响，大幅降低刀具的使用寿命，因此建议在小批量的使用高速机床时不要配置热胀刀柄，因为虽然热胀刀柄很便宜，但一般一台电感加热装置的价钱可以购买几十个其它类型的刀柄了。

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刀具的正确选择和使用是 影响数控加工质量 的重要因素。硬质合金刀具应用范围在公司越来越广，硬质合金将代替大部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等简单通用刀具，使这一类刀具的切削速度有很大的提高，硬质合金将在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域。我公司在 粗加工中 尽可能采用大直径 的牛鼻刀，使用 R2 、 R6 的 硬质合金刀片 ，做到粗加工排屑“多”；半精加工选用高转速高进给 R0.8 的镶片立铣刀，做到半精加工走刀“快”； 精加工时尽量选用硬质合金刀杆和高精度球头镜面刀片，这样可在保正 加工质量的同时节省选用整体 合金刀具的高昂费用，模具 精加工中 所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径，尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具并以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插补而出现过切现象， 做到精加工质量“好”。

高品质硬质合金刀具

高速加工技术的发展日益成熟，极大的提高了模具加工速度、减少了加工工序、缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而极大地提高了模具数控加工质量，缩短了模具的生产周期。因此模具的高速加工技术逐渐成为 模塑公司 技术改造最主要的内容之一，高速加工取代传统低速加工已成为必然，谁将高速加工上得快、用得好就必将赢得市场！

通过前面的分析可以得出机床设备在模具的加工中是非常重要的，但是影响 模具数控加工质量的另外的 重要 因素是加工工艺 、 软件 、数控程序设计者、机床操作者。

数控编程一般可分为 4 个阶段：准备工作阶段、技术方案阶段、数控编程阶段和程序定型阶段。

1 ．准备工作阶段：根据生产任务书，按要求接收技术数据，检查数据的准确性、时效性。明确生产计划，能否按时完成。

2 ．技术方案阶段：数控编程前的首要工作是制定技术方案。公司把数控工艺和刀路程序设计合并由程序设计员一人负责。技术方案阶段主要任务是根据车间的制造资源，编制数控加工的工艺方案。为了做好技术方案，必须了解加工环境和制造资源，包括：机床、刀具、夹具、软件、工艺资源、毛坯（如毛料、锻件、铸件、热处理、切削性能、预加工）等，还要对零件的技术要求弄清楚，如公差要求、光洁度、薄壁件的允许变形、装配关系等。

数控工艺方案的设计是有难度的，因为要处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂，这主要靠程序设计员的工作经验来进行。因此，工艺方案的设计质量完全取决于技术人员的水平和经验。

在高速铣技术广泛应用的今天，数控工艺方案的设计重要性被提到了更高的地位。高速铣要求对加工的全过程进行控制，任何疏忽都会引起严重的后果，因此，高速铣的工艺方案的编制好坏，将会对高速铣成败起到决定性的作用。

3 ．数控编程阶段：在编程准备期间，主要的依据是三维数据和工艺文件。程序设计员要分析零件的几何特征，构思加工过程，结合机床具体情况，考虑工件的定位，选用夹具。数控编程的第一步要正确定义加工坐标系，选择好对刀点。选择的编程原点应方便编程、便于测量检查、便于操作，同时考虑引起的加工误差较小。第二步是按照数控工艺方案一步一步地在计算机上编制刀具轨迹。第三步是验证程序的正确性，可行性。可以通过计算机仿真模拟或试切削样件。第四步是优化程序。

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4 ．程序定型阶段：由主管领导审核数控编程刀路，合格后填写数控加工程序单，绘制加工简图。到现场了解程序执行情况，总结程序编制经验。

数控工艺的特点和数控加工工艺规划的编制：

（ 1 ）数控工艺要考虑加工零件的工艺性，确定加工零件的装夹与定位，选择刀具，制定工艺路线、切削方法及工艺参数等，而这些在常规工艺中可以简化。

（ 2 ）数控工艺设计主要用于指导数控编程，我公司把数控工艺员和编程员的职责和二为一，由程序设计员负责整套模具的数控加工过程，提高了工作效率。

（ 3 ）数控加工的自动化程度高，影响因素多，在数控加工中，质量和安全是自关重要的，必须得到保证。

（ 4 ）数控工艺的编制要有严密的条理性。数控工艺复杂，影响因素多，需要对数控加工的全过程深思熟虑，要有很好的条理性，才能编好数控工艺。加上数控加工的自动化程度高，它的自适应能力就低，一旦出现问题，工人很难现场纠正，轻者造成加工缺陷，重者引起安全事故，因此要预先有条理的做好数控工艺的设计。

（ 5 ）数控工艺的继承性好。凡是在生产中证明是好的数控工艺，可以做成模板，作为档案保存起来，在以后加工同类零件时调用，可以节约时间，保证质量。

数控加工工艺规划可以认为是由零件初始状态（毛坯）到最终状态（零件）间的一系列工艺过程的状态空间。数控工序的排序应满足如下的一般规则：

1. 先主后次。 2. 先面后孔，先铣后钻。 3. 先粗后精。 4. 先做内腔加工后做外形加工。 5. 按工序的顺序，刀具直径由大到小。 6. 上道工序的加工不能影响下道工序的装夹与定位。 7. 用相同的工装和夹具应安排在一起做完，减少重复装夹与 定位。 8. 数控工序要集中。 9. 不要把削弱零件刚性的工序排在前面。

一个好的数控加工工艺规划还要考虑以下几个方面：

是否能满足零件的技术要求，是否能提高数控加工的效率，低的加工成本，好的质量控制。

因此，通常一份完整的数控加工工艺规划，大概包括如下内容：

? 数控机床选择。
? 加工方法选择。
? 确定零件的装夹方式并选择夹具。
? 定位方法。
? 检验要求及检验方法。
? 选择刀具。
? 加工中的误差控制和公差控制。
? 定义数控工序。
? 数控工序排序。
? 切削参数选择。
? 编制数控工艺程序单。

模塑公司通过在模具行业中的比较，购买了国际一流的数控加工软件： UG NX4.0 和 POWERMILL6.0 ，通过多年的使用表明是非常适合模具加工行业的，尤其是两种软件丰富实用的加工策略各不相同，互相补充使数控加工的质量和效率得到了很大的提高。 POWERMILL 在偏置区域清除粗加工时可以加入螺旋功能，进行实际切削时更加平稳，消除了相邻刀路之间连接的进刀方向突变，减少切削进给的加速和减速，保持更稳定的切削负荷，延长了刀具寿命，对机床也起到了保护作用。

交叉等高精加工使用户可定义一个分界角，浅滩区域内将使用等高策略，其它部分使用三维偏置策略，并且可以在陡峭和平坦区域之间加入重叠距离，两者相辅相成。

参数偏置精加工既可以保证曲面上刀路间的行距不超过设定的数值，又可以显著减少三维偏置策略中在刀具路径中可能出现的尖角，可以有效改善三维偏置加参考线的方法在工件表面的相交刀路产生的切削纹理，工件的外观质量更好。

切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在 CAM 软件中与切削相关的参数主要有主轴转速 (Spindlespeed) 、进给速率 (Cut feed) 、刀具切入时的进给速率 (Lead in feed rate) 、步距宽度（ Step-over ）和切削深度（ Step depth ）等。

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主轴转速一般根据切削速度来计算，其计算公式为： n = 1000 V c / π d ，式中 d 为刀具直径（ mm ）， Vc 为切削速度 (m/min) 。切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关，过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。模具精加工时，应尽量避免中途换刀，以得到较高的加工质量，因此应结合刀具耐用度认真选择切削速度。

进给速度的选择直接影响着模具零件的加工精度和表面粗糙度，其计算公式为 F=nzf ，式中 n 为主轴转速（ r/min ）， z 为铣刀齿数， f 为每齿进给量 (mm/ 齿 ) 。每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越小；当加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选择较低的进给量；刀具切入进给速度应小于切削进给速度。

吃刀量的大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，其选择原则是在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，选用尽可能大的吃刀量，以提高加工效率。为保证加工精度和表面粗糙度，应留 0.1~0.3mm 的精加工余量。

在精加工时，吃刀量的选择与表面粗糙度有关， CAM 软件中通常提供有两种参数控制表面粗糙度：步距宽度（ Stepover ）和残留高度 (Scallop) 。采用步距宽度控制表面粗糙度时，步距宽度越小，表面粗糙度越小；采用残留高度控制表面粗糙度时，步距宽度会依据工件形状自动调整。

好的软件确实可以提高模具的加工质量和效率，但它也只是一个工具，我们需要的是有丰富的现场机械加工经验和理论知识，同时熟练掌握软件功能的数控程序设计者，因为人才是模具数控加工中的决定因素，对数控加工的质量和效率起到关键作用。为此， 模塑公司建立了完善的 程序设计员培养体系。所有的设计员都要先在数控操作的岗位上实习一段时间，经过严格操作考核合格后方能进行数控程序的设计培训。程序设计员必须会用公 司所购买的所有正版 数控加工软件，并且熟练掌握至少一种后才能编制程序。为了保证模具的数控加工质量，就必须有好的数控程序，为了便于管理和控制加工质量，我们根据多年的经验总结编写了多种的程序编制规范，为公司的模具质量的稳定和不断提高打下了坚实的基础。

机床操作者是数控加工的执行人，他们对数控加工质量的控制也是很明显的。他们在执行加工任务的过程中对机床、刀柄、刀具、加工工艺、软件和切削参数的实时状态最了解，他们的各项操作对数控加工影响最直接，所以机床操作者的技能和责任心也是提高数控加工质量关键因素！

经过多年的模具加工分析，虽然机床等硬件设备是很关键的，但人才是影响数控加工质量的决定性因素，因为程序设计员和机床操作者的职业道德、技能水平、岗位责任心确定了各种先进设备能够发挥出多大的效能！所以我们一定要重视人才的培养和引进，为模具质量的持续提高打下坚实的基础！