型腔模具加工工藝設(shè)計(jì)

沈則亮 劉永貴 韓忠冠

（①安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 蕪湖241000；②蕪湖佰仕達(dá)模具有限公司，安徽 蕪湖241000）

目前，高速銑削（HSM）與電火花加工（EDM）是型腔模具加工的主要手段，現(xiàn)以典型零件為例，分析選擇加工方法的影響因素，研究型腔模具加工工藝設(shè)計(jì)方法，提出綜合運(yùn)用HSM與EDM的設(shè)計(jì)方案，提高加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

1 HSM與EDM在模具加工中的應(yīng)用綜述

隨著高速銑削技術(shù)的成熟和發(fā)展，高速銑削逐漸成為模具的重要加工工藝手段。在模具的加工過程中，高速銑削可以加工各種可切削材料，加工鋼的硬度可達(dá)62 HRC，加工質(zhì)量與效率高，尺寸精度10～20 μm，能夠達(dá)到的最小表面粗糙度Ra0.1μm，但加工模具幾何形狀受深度和半徑限制，加工型腔時(shí)刀具長(zhǎng)徑比≤10，底部四角半徑R≥0.3 mm，壁部圓角半徑R≥1.0 mm。電火花加工可加工各種導(dǎo)電材料且硬度不受限制，尺寸精度10～20μm，模具幾何形狀不受限制，加工槽深取決于電極的制造，但加工效率低。由此可見，在型腔模具加工中，高速銑削加工可以直接加工比較平坦的淺型腔，質(zhì)量高、效率高。對(duì)于模具的復(fù)雜型面、深窄小型腔、尖角、窄縫、溝槽、深坑等處的加工，必須由電火花加工完成。高速銑削可以為電火花加工去除更多的加工余量，使放電加工時(shí)電極與工件的加工面均勻放電，電極損耗均勻，從而提高加工效率。因此，綜合運(yùn)用HSM與EDM進(jìn)行型腔模具的加工，是必然的趨勢(shì)。

2 工藝分析及工藝設(shè)計(jì)

工藝方案制定主要取決于模具的材料及性能、型腔的尺寸精度及表面粗糙度、模具的形狀、加工效率以及現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備等。如圖1所示注塑模具鑲件，材料為DIEVAR模具鋼，淬火后硬度52 HRC，主要加工表面的尺寸公差為±0.01 mm，深4 mm的兩溝槽相對(duì)對(duì)稱中心的位置尺寸為±0.04μm，溝槽及型腔表面粗糙度值為Ra0.4μm，其中型腔壁部圓角半徑R0.05 mm。

根據(jù)零件的技術(shù)要求分析，高速銑削可以完成加工零件大部分加工表面，通過電火花加工型腔及清角，最后拋光處理保證零件的表面粗糙度。具體工藝方案如表1所示。在此工藝方案中，高速銑削和電火花加工是關(guān)鍵工序，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。

表1 注塑模具鑲件工藝方案

2.1 高速銑削加工工序

本案例加工使用MAKINO V33機(jī)床，整體硬質(zhì)合金刀具，平口虎鉗裝夾工件，在一次裝夾中加工完成該工序所有內(nèi)容。在該工序中共加工Ⅰ～Ⅷ加工區(qū)域，如圖2所示。不同的加工區(qū)域采用不同的加工方式，使用不同直徑的刀具分多次加工完成各道工步。

合理確定加工工藝策略，將工序劃分為粗銑、半精銑、精銑三個(gè)工步，并合理確定每個(gè)工步的銑削方式、走刀方式以及進(jìn)退刀方式。利用Machining Strategist 6.1編程軟件，采用順銑、螺旋斜向進(jìn)退刀方式加工，針對(duì)不同的加工區(qū)域采用不同的走刀方式，粗銑采用粗加工刀具路徑加工，半精銑、精銑時(shí)，Ⅰ～Ⅲ、Ⅷ溝槽側(cè)面及Ⅴ型腔、Ⅵ圓弧面采用等高線刀具路徑，水平面采用水平區(qū)域刀具路徑加工，采用球頭銑刀銑削Ⅳ、Ⅶ圓弧槽。當(dāng)球頭銑刀的中心銑削時(shí)，銑削的速度為零，從而它的銑削速度無法演算，現(xiàn)場(chǎng)加工會(huì)變慢，加工精度降低。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)工藝策略時(shí)，將圓弧槽面分成兩部分，其中側(cè)面采用等高線刀具路徑加工，底面采用平行等寬刀具路徑加工，如圖3所示。

采用硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)DIEVAR模具鋼進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度值的影響趨勢(shì)為：主軸轉(zhuǎn)速提高，零件表面粗糙度值下降；切削深度和進(jìn)給速度增大，表面粗糙度值增大。綜合考慮機(jī)床、刀具、工件材料等因素，加工工步及工藝參數(shù)如表2所示。

2.2 電火花加工工序

使用D7140電火花成形機(jī)床完成型腔的加工，采用EROWA夾具裝夾電極，將工件放置于永磁吸盤臺(tái)面，用千分表校正工件基準(zhǔn)面與機(jī)床軸移動(dòng)的平行度。利用基準(zhǔn)球四面分中進(jìn)行間接定位。由于在前道工序中通過高速銑削已完成型腔輪廓的加工，留有0.05 mm的加工余量，可以用一根電極來完成加工，通過機(jī)床專家系統(tǒng)設(shè)定加工規(guī)準(zhǔn)，放電間隙取0.1 mm。問題的關(guān)鍵在于電極的設(shè)計(jì)與制作。

對(duì)電極的要求主要包括材料、縮放尺寸、精度、表面粗糙度等方面。利用Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件拆解電極，采用30 mm×30 mm×50 mm純銅作為電極材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，單邊縮放量取0.1 mm，尺寸公差取型腔尺寸公差的一半，即0.01 mm。為防止電極基準(zhǔn)臺(tái)底部與工件頂部碰穿，在深度（Z）方向應(yīng)避空，設(shè)計(jì)電極時(shí)，電極基準(zhǔn)臺(tái)底面與電極底面的尺寸大于型腔深度18 mm。用高速加工中心制作電極，采用EROWA夾具，通過四面分中保證高速加工中心主軸頭與EROWA卡盤同心，通過數(shù)控加工程序保證電極基準(zhǔn)臺(tái)的中心與EROWA卡盤同心。電極表面粗糙度在一定程度上決定了加工出工件的表面粗糙度，精修拋光保證電極加工部分表面粗糙度Ra0.4μm。

表2 高速銑削加工工步及工藝參數(shù)

3 結(jié)語

綜合應(yīng)用高速銑削（HSM）與電火花加工（EDM）是現(xiàn)代模具制造的重要方向，如何合理使用HSM銑削加工與EDM放電加工型腔模具，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，提高加工質(zhì)量和縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，是模具加工的重要課題。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明：在本案例中，根據(jù)零件的技術(shù)要求，合理安排HSM與EDM加工工序加工該零件，取得了較好的效果。

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