模具深腔曲面多軸數(shù)控銑削加工技術的探究

王啟香

（東莞市電子商貿學校，廣東東莞 523573）

0 引言

模具制造具有成本低和環(huán)保效果好等特點，模具水平也是制造業(yè)發(fā)展速度和產品質量的主要因素。作為高新技術制造產業(yè)的重要組成部分，模具工業(yè)的發(fā)展水平已經成為國家制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要評價指標。三軸數(shù)控機床是傳統(tǒng)模具加工模式下完成工件銑削加工的重要工具，隨著模具制造技術的發(fā)展與進步，多軸銑削加工開始逐步取代三軸數(shù)控銑床。通過對模具深腔曲面多軸數(shù)控銑削加工技術進行探究，以有效促進多軸加工時加工精度的提升。

1 主要問題

（1）工件定位問題。從模具生產制造過程來看，深腔曲面多軸數(shù)控銑削加工技術存在著易受外界因素影響的問題，主要有：工件尺寸在線檢測需要大量資金投入；工件在裝夾階段對夾具和進度有不同的要求；對難以識別基準特征的深腔曲面進行裝夾時，需要耗費大量時間，加工效率低等。

（2）數(shù)控機床技術問題?，F(xiàn)有的技術水平，使數(shù)控機床的性能尚未得到充分發(fā)揮。如過于保守的工藝參數(shù)設置，給數(shù)控機床技術的發(fā)展帶來一定阻礙；數(shù)控機床在運行中出現(xiàn)的參數(shù)不匹配問題，給機床性能的發(fā)揮帶來較大影響。

2 多軸數(shù)控銑削加工技術的主要影響因素

（1）順削受力方向影響。在多軸數(shù)控銑削加工中，工件所受的軸向分力、切向分力和徑向分力應與微元刀刃所受到的分力相等。因而在順銑切削模式應用于多軸數(shù)控銑削加工以后，每個刀齒的切削厚度會由最大值逐漸降為0。在刀具由切入狀態(tài)向切除狀態(tài)轉變時，順銑削模式可以讓刀具在切入過程或切出階段承受來自工件的擠壓力。由此而引發(fā)的“欠刀”現(xiàn)象會導致切削不徹底的問題。在刀具切出以后，如果切出角達到90°，此時的切削厚度通常為0。

（2）刀具傾角的影響。球頭刀是多軸數(shù)控銑削加工中常用的一種。在球頭刀前傾角和側傾角影響下，銑削階段的瞬時未變形切削厚度與有效切速度之間的變化會給最大切削力和平均切削力帶來一定影響。前傾角對刀具切削力的影響是刀具傾角對切削力的影響的主要表現(xiàn)。在順銑削模式下，刀具傾角的變化，會給水平方向的瞬時未變形切削厚度和垂直方向的瞬時未變形切削厚度帶來一定變化。假定前傾角不為零，順銑削的有效切削速度和瞬時未變形切削厚度之間存在著一定差異性，因而在切削力存在差異性情況下，相關人員需要采用逆銑削加工模式。此時刀具一方面在沿著水平反向進行水平運動，另一方面在垂直方向進行進給運動。不僅給深腔曲面多軸數(shù)控銑削加工切削力帶來影響，也會影響機床的加工效率和加工質量。

3 多軸數(shù)控銑削技術的改進措施

3.1 合理確定設計變量

（1）從多軸數(shù)控銑削加工過程來看，加工刀具的參數(shù)變量涉及到刀具傾角、切削寬度、切削速度等多種因素。假定垂直刀具軸線方向的切削量逐漸變大，設備的切削穩(wěn)定性會表現(xiàn)出逐漸下降的特點。設備切削穩(wěn)定性問題的出現(xiàn)，會引發(fā)刀具變形幅度增加。例如，在刀具傾角為40°情況下，刀具變形相對較小，但在30°～40°時，刀具會表現(xiàn)出表面粗糙度最佳的特點，此時需要通過對主軸轉速與每齒進給量進行優(yōu)化設置的方式，對設備的加工目標要求給予滿足。

（2）在對模具深腔曲面多軸數(shù)控洗削加工技術進行分析后，可以通過構建銑削力模型的方式，對順銑、逆向對平頭銑刀和球頭刀的影響進行分析，進而讓在對相關的銑削厚度模型和銑削力模型進行分析的基礎上，將銑削方法、銑削刀具傾角等因素對刀具受力變形的影響進行分析。

3.2 刀具的路徑優(yōu)化

（1）順銑和逆銑是深腔曲面數(shù)控加工中常用的銑削方法?！白尩丁爆F(xiàn)象既有可能出現(xiàn)在順銑，也有可能出現(xiàn)在逆銑過程。刀具“欠切量”主要涉及因素是：設備的切削力，以及刀具的材料、直徑和伸出長度等。為保障模具深腔曲面多軸失控銑削加工的精度，需要應用變形量相對較小的銑削工具。在主軸轉速、刀具進給和刀具傾角等參數(shù)條件相同的情況下，根據(jù)幾何軌跡包絡研究和結果分析，逆銑表面粗糙度在精加工環(huán)境下要高于順銑。因此，可以借助順銑提升加工精度，利用逆銑獲取理想的表面粗糙度。

（2）在忽視順銑、逆銑的情況下，垂直側壁的走刀方式主要由垂直上坡模式、垂直下坡模式、等高上坡模式和登高下坡模式組成。4種走刀方式分別涉及到正前傾角、負前傾角、正側傾角和負側傾角等參數(shù)。不同的走刀方式在切削力、切削速度和表面粗糙度上有一定的差異性。因此，在刀具傾斜角相同的情況下，等高上坡和垂直上坡是較為理想的走刀方式。

（3）在型腔加工階段，如果使用垂直上坡銑削方式，在進刀點位于型腔底部、出刀點位于型腔頂部時，上一刀路的出刀點和當前刀路的進刀點之間會存在空刀問題，空刀時間的增加，會給多軸數(shù)控銑削加工的工作效率帶來不利影響。如果在型腔加工階段采用的是登高上坡加工方式，則上一刀路的出發(fā)點會成為下一刀路的入刀點，這一加工方式的應用，可以在減少空刀量的基礎上，提升數(shù)控系統(tǒng)的加工效率。

3.3 模具深腔加工誤差分析

（1）模具深腔精加工環(huán)節(jié)與半精加工環(huán)節(jié)所使用的數(shù)控機床的精度相對較高。因機床本身和熱變形問題所引發(fā)的加工誤差值相對較小，因而刀具的長度和半徑補償功能，可以讓刀具尺寸變化對加工精度的影響得到有效控制。多軸數(shù)控銑削加工中的熱縮刀具系統(tǒng)變形問題，則成為了加工誤差問題的主要因素。

（2）球頭刀是曲面加工過程中常用的工具。首先在曲面加工過程中，應根據(jù)走刀方向將曲面離散成不同的刀位點，進而在對各個刀位點進行連接的基礎上構建刀具路徑。其次，刀具在切削過程中，可以沿刀具路徑形成加工表面。在切削力所產生的加工誤差的影響下，刀具、工件的實際接觸點與名義接觸點之間存在著一定的差異性。在對加工曲面法線與刀具軸線的受力變形情況進行分析后，發(fā)現(xiàn)刀具的徑向剛度要遠小于軸向剛度，因而在深腔加工的過程中，可以利用切削力獲取刀具的變形情況，既是預測加工誤差的有效方式，也可以在對預測的加工誤差進行補償?shù)幕A上，提高加工的深度。

4 模具深腔曲面多軸數(shù)控加工技術的展望

（1）從深腔曲面多軸數(shù)控加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在對切削條件對銑削力的影響進行充分考慮以后，球頭銑刀銑削力問題的研究工作會得到進一步深化。因為切削振動是銑削加工中的常見問題。

（2）高速加工技術的應用，需要重視加工過程的切削振動問題。曲面銑削中的改變切削幾何條件對表面粗糙度和切削振動的影響，已成為切削加工研究領域不可忽視的問題。物理仿真環(huán)境下的刀具軌跡優(yōu)化研究工作的開展，可以為銑削加工工藝的進步提供幫助。

工件定位和數(shù)控機床技術是多軸數(shù)據(jù)加工中的重要問題，做好設計變量的合理確定、刀具路徑的優(yōu)化和深腔加工誤差分析，可以讓深腔曲面多軸數(shù)控加工技術的加工深度得到有效提升。

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