復(fù)雜型面注塑模具高光高效精密切削實(shí)驗(yàn)研究*

陳志平

（廣東科龍模具有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引言

隨著家電、汽車產(chǎn)業(yè)塑料產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大及產(chǎn)品功能或者美學(xué)上的需求，對(duì)產(chǎn)品造型、外觀及精度要求越來(lái)越高。這些產(chǎn)品上的塑料零件通常包含有不斷增多的三維不規(guī)則自由曲面且日趨復(fù)雜，則相應(yīng)地對(duì)成型塑料產(chǎn)品的注塑模具提出了越來(lái)越高的要求，要求模具型腔零件精度及表面質(zhì)量高，且模具制造周期要求越來(lái)越短。傳統(tǒng)的復(fù)雜型面模具零件加工方法以普通數(shù)控銑削加工加電火花加工為主，后續(xù)進(jìn)行人工拋光處理[1－2]。這種傳統(tǒng)方法導(dǎo)致零件加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低。當(dāng)前，探索精密高效的復(fù)雜模具型面加工新方法已成為模具制造行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，研究注塑模具復(fù)雜型面的高光高效加工方法十分必要。

高速銑削加工是一種隨著數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度大幅度提高而逐漸發(fā)展的新型制造技術(shù)[3]。通過(guò)小切深量、高主軸轉(zhuǎn)速（15 000~50 000 r/min）和高進(jìn)給速度的方式進(jìn)行加工，不僅能提高單位時(shí)間的金屬去除率，還能有效降低加工過(guò)程的銑削力[4－5]。此外，高速銑削可直接將熱處理硬化后的工件加工至最終尺寸，從而實(shí)現(xiàn)“以銑代磨”或“以銑代放電”來(lái)提高加工效率和加工質(zhì)量[6]，減少?gòu)?fù)雜精密注塑模具后續(xù)拋光工序的工作量。因此，高速銑削加工技術(shù)已逐漸成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具型面精密高光、高效加工的重要手段。

對(duì)于模具高速加工，高速數(shù)控機(jī)床、適合于高速加工的刀具、高速加工工藝是關(guān)鍵的三要素。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)模具制造現(xiàn)狀，高速數(shù)控機(jī)床和高性能的切削刀具日益增多，為高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具復(fù)雜型面加工提供了可能[7]，但適合于機(jī)床、被加工材料，刀具的加工工藝還不成熟，沒(méi)有形成比較系統(tǒng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多國(guó)外提供的高速切削加工工藝技術(shù)參數(shù)是根據(jù)國(guó)外的設(shè)備、刀具、材料試驗(yàn)確定的，按其工藝加工往往不適合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，效果差別比較明顯。因此，需要根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，針對(duì)企業(yè)實(shí)際模具材料，選取合適的機(jī)床、刀具進(jìn)行工藝試驗(yàn)，取得比較滿意的工藝參數(shù)，形成一套適合于本企業(yè)的高速加工工藝技術(shù)規(guī)范。

本文以產(chǎn)品外觀要求高且型面復(fù)雜的空調(diào)面板模具為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，對(duì)復(fù)雜精密高光高效切削加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在保證模具零件型腔加工精度、表面光潔度的前提下，得出了合理的切削參數(shù)，提高了切削效率。

1 可行性分析

可行性分析如下。

（1）當(dāng)平面銑削時(shí)，選用較小的或者零度副偏角，精加工刀具應(yīng)取較小的或零度副偏角，以增加副切削刃對(duì)工件已加工表面的修光作用[8－9]。

（2）采用修光刃刀片，由于刀體和刀片存在制造誤差，端刃的端面跳動(dòng)將導(dǎo)致已加工表面粗糙度升高，平面銑削安裝修光刃刀片，可起到修光作用，提高工件表面質(zhì)量。

（3）球頭銑刀和圓弧銑刀進(jìn)行輪廓加工時(shí)，加工表面粗糙度理論值為[10]：

式中：Ry為加工表面粗糙度理論值；fr為周期進(jìn)給量；R為球頭刀半徑或圓角刀圓角半徑。

從式（1）可以看出，加工表面粗糙度理論值是fr的單調(diào)增函數(shù)，減少周期進(jìn)給量可降低表面粗糙度，如圖1所示。

圖1 球頭銑刀粗糙度理論值

（4）高光銑削刀具的刃口較寬，并采用較小的前角或者是負(fù)前角以及接近0°的刃傾角。當(dāng)高光銑削加工時(shí)，刀具一方面進(jìn)行高速切削，另一方面由于刀具前角很小，因此刀具的刃口對(duì)被加工表面形成了刮削和擠壓效應(yīng)，使工件表面獲得了很高的光潔度，同時(shí)產(chǎn)生了硬化層，提高了工件的表面硬度和使用的耐磨性。刀具的幾何形狀除與工件的幾何形狀有關(guān)外，主要取決于工件材料的物理特性、機(jī)床、裝夾系統(tǒng)的剛度[11]。

2 刀具選擇

（1）球刀某品牌FW高性能通用加工系列

鐵灰色的ALoCa－3涂層（涂層材料為AlTiSiN），瑞士納米涂層技術(shù)，耐磨，抗氧化，熱穩(wěn)定性能、潤(rùn)滑性能優(yōu)異；獨(dú)特切削刃設(shè)計(jì)，兼顧刃口強(qiáng)度和鋒利性，抗崩缺，更耐磨；適用于仿形銑削，可做高速加工；適用于HRC55度以下的鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、預(yù)硬鋼、淬硬鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵。

（2）圓鼻刀FG－TNU系列

實(shí)驗(yàn)采用某品牌FG－TNU系列圓鼻刀，采用瑞士納米涂層技術(shù)，耐磨，抗氧化，熱穩(wěn)定性能、潤(rùn)滑性能優(yōu)異。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

選用某高速加工中心加工某空調(diào)面板注塑模具零件，加工效果如圖2所示。

圖2 模具高光高效精密切削實(shí)驗(yàn)零件

（1）某品牌FW型球刀切削效率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為NAK80，刀具為某品牌FW型球刀，加工零件弧面。實(shí)際切削效率為單位時(shí)間內(nèi)去除零件材料的體積，計(jì)算公式為切削效率＝加工面積×半精余量/加工時(shí)間。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，平均基準(zhǔn)切削效率為18.5 mm3/min。經(jīng)過(guò)高速切削實(shí)驗(yàn)，加大轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率對(duì)切削效率影響明顯，優(yōu)化后的平均切削效率為22.7 mm3/min，效率提高22.7%，具體如表1所示。

表1 FW型球刀切削效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）某品牌FG－TNU型圓鼻刀切削效率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為NAK80，刀具為FG－TNU型圓鼻刀，加工零件側(cè)壁等。實(shí)際切削效率為單位時(shí)間內(nèi)去除零件材料的體積，計(jì)算公式為切削效率＝加工面積×半精余量/加工時(shí)間。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，基準(zhǔn)切削效率為28.0 mm3/min。經(jīng)過(guò)高速切削實(shí)驗(yàn)，加大轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率對(duì)切削效率影響明顯，優(yōu)化后的平均切削效率為33.2 mm3/min，效率提高18.6%。具體如表2所示。

表2 某品牌FG－TNU型圓鼻刀切削效率實(shí)驗(yàn)

根據(jù)零件檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)，滿足加工精度在0.02 mm以內(nèi)的實(shí)際需要，零件表面粗糙度為Ra0.8，滿足模具使用要求。

（3）加工后拋光實(shí)驗(yàn)

某品牌FW型球刀加工后拋光效率如表3所示。

表3 某品牌FW型球刀加工后拋光效率

某品牌FG－TNU型圓鼻刀加工后拋光效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 某品牌FG－TNU型圓鼻刀加工后拋光效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表3拋光效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，某品牌FW型球刀高速加工零件弧面后進(jìn)行拋光，由于切削加工表面光潔度的提高，單位（Wmm2）面積拋光時(shí)間由原來(lái)的1.23 h降低到0.83 h，拋光效率提高32.5%。

根據(jù)表4拋光效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，某品牌FG－TNU型圓鼻刀高速加工零件側(cè)壁后進(jìn)行拋光，由于切削加工表面質(zhì)量的改善，單位（Wmm2）面積拋光時(shí)間由原來(lái)的1.67 h降低到1.51 h，拋光效率提高9.6%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)驗(yàn)以型面比較復(fù)雜、表面質(zhì)量要求的空調(diào)面板注塑模具為研究對(duì)象，采用國(guó)產(chǎn)某品牌FW型球、FG－TNU型圓鼻刀，針對(duì)企業(yè)比較常用的NAK80模具鋼材料進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在滿足加工精度（0.02 mm以內(nèi)）、表面粗糙度（Ra0.8以內(nèi)）情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得出了合適的切削參數(shù)和刀具選型。在滿足模具零件高光的要求下，通過(guò)提高機(jī)床轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度使用高速切削技術(shù)，切削效率得到大幅提高。同時(shí)，由于精加工表面質(zhì)量的改善，后序拋光效率也大幅提高，達(dá)到了滿意的效果，初步實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模具零件加工的高光高效，為高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具零件加工積累了一定的企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。