淺析影響模具數(shù)控加工質(zhì)量的因素
關(guān)鍵詞：模塑公司；模具；加工質(zhì)量；工藝；軟件
成都航天模塑股份有限公司是從事模具及汽車內(nèi)外飾件制造的專業(yè)化公司，公司擁有一支高素質(zhì)的研發(fā)、設(shè)計(jì)隊(duì)伍，以國(guó)際最先進(jìn)的軟件將六十余臺(tái)工作站相連接，以 CAD/CAM/CAE 技術(shù)及數(shù)十臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備和數(shù)控注塑設(shè)備組成具有國(guó)際水平的產(chǎn)品研發(fā)體系和強(qiáng)大的模具制造、注塑能力。公司從引進(jìn)數(shù)控加工中心至今，已有了近二十年的數(shù)控設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)，深刻體會(huì)到模具制造發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)數(shù)控設(shè)備，數(shù)控加工向著高精度、高質(zhì)量、高速度、高自動(dòng)化方向發(fā)展！數(shù)控加工已經(jīng)成為模具制造不可缺少的工藝方法，并且將越來(lái)越重要，數(shù)控設(shè)備的多少和數(shù)控設(shè)備先進(jìn)性程度已經(jīng)成為一個(gè)模具制造企業(yè)贏得市場(chǎng)、贏得競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵性因素之一。
現(xiàn)代模具制造業(yè)中，型腔型面設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，尤其是汽車模具中自由曲面所占比例不斷增加及產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，都對(duì)曲面的制造精度提出了更高的要求。因此，模具制造工藝系統(tǒng)的精度、數(shù)控系統(tǒng)的精度和模具制造的 CAM 技術(shù)都會(huì)對(duì)曲面加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。而包含自由曲面模具基本上都是借助各種 CAM 軟件進(jìn)行自動(dòng)編程，利用數(shù)控機(jī)床加工完成的。
模塑公司大部分?jǐn)?shù)控加工中心已經(jīng)有了較長(zhǎng)的使用時(shí)間，雖然有嚴(yán)格的數(shù)控機(jī)床操作規(guī)范，良好的機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量，我們定期對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)維修，明確每臺(tái)設(shè)備的加工精度，明確每臺(tái)設(shè)備的加工任務(wù)。嚴(yán)格區(qū)分粗、精加工的設(shè)備使用，因?yàn)榇旨庸r(shí)追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，而粗加工時(shí)對(duì)設(shè)備的精度損害是最嚴(yán)重的，因此我們將使用年限較長(zhǎng)精度最差的設(shè)備定為專用的粗加工設(shè)備，新設(shè)備和精度好的設(shè)備定為精加工設(shè)備，做到了對(duì)現(xiàn)有設(shè)備資源的合理搭配、明確分工，將機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量的影響降到了最低，同時(shí)又保護(hù)了昂貴的數(shù)控設(shè)備，延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。當(dāng)我們的機(jī)床不可改變時(shí)，與機(jī)床相關(guān)的刀柄、刀具對(duì)數(shù)控加工質(zhì)量的影響又變得突出了。在任何旋轉(zhuǎn)刀具加工系統(tǒng)中，主軸與夾頭 ( 或其組合體 ) 的聯(lián)結(jié)才是刀具加工性能實(shí)現(xiàn)的真正基石！我們公司常用刀柄與機(jī)床的接口有 BT 柄和 HSK 柄。 BT 柄與機(jī)床主軸的接口錐柄錐度為 7 ： 24 ，這種方式的刀柄只適合于傳統(tǒng)的低速加工，因?yàn)?BT 刀柄與主軸只是錐面配合，當(dāng)轉(zhuǎn)速太高時(shí)，由于離心力的作用會(huì)使錐面配合間隙增大，從而影響數(shù)控加工質(zhì)量。當(dāng)機(jī)床最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 15000 轉(zhuǎn) / 分時(shí)，通常需要采用 HSK 型刀柄，HSK 刀桿為過(guò)定位結(jié)構(gòu)，提供與機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)，在機(jī)床拉力作用下，保證刀桿短錐和端面與機(jī)床緊密配合。
刀柄對(duì)刀桿、刀具的夾緊方式主要有側(cè)固式、彈性?shī)A緊式、液壓夾緊式和熱膨脹式等。側(cè)固式精度較低并且難以保證刀具動(dòng)平衡，在高速銑削式不宜采用，下圖為彈性?shī)A緊式、液壓夾緊式和熱膨脹式刀桿示意圖，熱膨脹式刀桿夾頭的刀孔與刀柄為過(guò)盈配合，須采用專用熱膨脹裝置裝卸刀具，一般使用電感加熱或熱空氣加熱刀桿，使刀孔直徑膨脹，然后將刀柄插入刀，冷卻后孔徑收縮將刀柄緊緊夾住。
模塑公司通過(guò)多年的應(yīng)用、比較、總結(jié)，現(xiàn)在采取的刀柄使用方案為：粗加工或大進(jìn)給加工時(shí)采用 BT 彈簧夾頭刀柄，普通機(jī)床上的半精和精加工采用的 BT 液壓夾頭刀柄，在高速銑和石墨加工機(jī)上采用的是 HSK 型熱脹刀柄或液壓夾頭刀柄。因?yàn)閺椈蓨A頭刀柄在刀具裝夾麻煩費(fèi)時(shí)，重復(fù)精度較差，加工吸振性能不好，所以用于粗加工或大進(jìn)給加工 ；而精加工時(shí)采用的液壓夾頭刀柄具有極高的夾持回轉(zhuǎn)精度，非常方便的刀具裝夾方式深受操作者喜愛(ài)，并且為全密封結(jié)構(gòu)型式，有效防止冷卻液、鐵屑特別是石墨粉塵對(duì)刀柄的損害，而液壓夾頭刀柄又具有優(yōu)良的阻尼減振性能，可以抑制加工中產(chǎn)生的振動(dòng)，從而明顯改善了模具的表面加工質(zhì)量和表面光潔度。在高速銑上做模具加工所采用的 HSK 型熱脹刀柄具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾緊可靠、同心度高，傳遞扭矩和徑向力大，特別是在模具的深型腔加工中，熱脹刀柄的刀具夾持端可以很長(zhǎng)、外徑可以做得很小而廣泛應(yīng)用與模具的深型腔加工中，但是通過(guò)高速銑的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)熱脹刀柄為全剛性的結(jié)構(gòu)使阻尼減振性能很差而難以抑制加工中產(chǎn)生的振動(dòng)，從而在程序編制不好時(shí)對(duì)模具的加工質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，大幅降低刀具的使用壽命，因此建議在小批量的使用高速機(jī)床時(shí)不要配置熱脹刀柄，因?yàn)殡m然熱脹刀柄很便宜，但一般一臺(tái)電感加熱裝置的價(jià)錢可以購(gòu)買幾十個(gè)其它類型的刀柄了。
刀具的正確選擇和使用是 影響數(shù)控加工質(zhì)量 的重要因素。硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍在公司越來(lái)越廣，硬質(zhì)合金將代替大部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀、絲錐等簡(jiǎn)單通用刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高，硬質(zhì)合金將在刀具材料中占主導(dǎo)地位，覆蓋大部分常規(guī)的加工領(lǐng)域。我公司在 粗加工中 盡可能采用大直徑 的牛鼻刀，使用 R2 、 R6 的 硬質(zhì)合金刀片，做到粗加工排屑“多”；半精加工選用高轉(zhuǎn)速高進(jìn)給 R0.8 的鑲片立銑刀，做到半精加工走刀“快”；精加工時(shí)盡量選用硬質(zhì)合金刀桿和高精度球頭鏡面刀片，這樣可在保正 加工質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省選用整體 合金刀具的高昂費(fèi)用，模具 精加工中所用最小刀具的半徑應(yīng)小于或等于被加工零件上的內(nèi)輪廓圓角半徑，尤其是在拐角加工時(shí)，應(yīng)選用半徑小于拐角處圓角半徑的刀具并以圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行加工，這樣可以避免采用直線插補(bǔ)而出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象， 做到精加工質(zhì)量“好”。
高品質(zhì)硬質(zhì)合金刀具
高速加工技術(shù)的發(fā)展日益成熟，極大的提高了模具加工速度、減少了加工工序、縮短甚至消除了耗時(shí)的鉗工修復(fù)工作，從而極大地提高了模具數(shù)控加工質(zhì)量，縮短了模具的生產(chǎn)周期。因此模具的高速加工技術(shù)逐漸成為 模塑公司 技術(shù)改造最主要的內(nèi)容之一，高速加工取代傳統(tǒng)低速加工已成為必然，誰(shuí)將高速加工上得快、用得好就必將贏得市場(chǎng)！
通過(guò)前面的分析可以得出機(jī)床設(shè)備在模具的加工中是非常重要的，但是影響 模具數(shù)控加工質(zhì)量的另外的 重要 因素是加工工藝 、 軟件 、數(shù)控程序設(shè)計(jì)者、機(jī)床操作者。
數(shù)控編程一般可分為 4 個(gè)階段：準(zhǔn)備工作階段、技術(shù)方案階段、數(shù)控編程階段和程序定型階段。
1 ．準(zhǔn)備工作階段：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)書，按要求接收技術(shù)數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性。明確生產(chǎn)計(jì)劃，能否按時(shí)完成。
2 ．技術(shù)方案階段：數(shù)控編程前的首要工作是制定技術(shù)方案。公司把數(shù)控工藝和刀路程序設(shè)計(jì)合并由程序設(shè)計(jì)員一人負(fù)責(zé)。技術(shù)方案階段主要任務(wù)是根據(jù)車間的制造資源，編制數(shù)控加工的工藝方案。為了做好技術(shù)方案，必須了解加工環(huán)境和制造資源，包括：機(jī)床、刀具、夾具、軟件、工藝資源、毛坯（如毛料、鍛件、鑄件、熱處理、切削性能、預(yù)加工）等，還要對(duì)零件的技術(shù)要求弄清楚，如公差要求、光潔度、薄壁件的允許變形、裝配關(guān)系等。
數(shù)控工藝方案的設(shè)計(jì)是有難度的，因?yàn)橐幚淼男畔⒘看?，各種信息之間的關(guān)系又極為錯(cuò)綜復(fù)雜，這主要靠程序設(shè)計(jì)員的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。因此，工藝方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量完全取決于技術(shù)人員的水平和經(jīng)驗(yàn)。
在高速銑技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)控工藝方案的設(shè)計(jì)重要性被提到了更高的地位。高速銑要求對(duì)加工的全過(guò)程進(jìn)行控制，任何疏忽都會(huì)引起嚴(yán)重的后果，因此，高速銑的工藝方案的編制好壞，將會(huì)對(duì)高速銑成敗起到?jīng)Q定性的作用。
3 ．?dāng)?shù)控編程階段：在編程準(zhǔn)備期間，主要的依據(jù)是三維數(shù)據(jù)和工藝文件。程序設(shè)計(jì)員要分析零件的幾何特征，構(gòu)思加工過(guò)程，結(jié)合機(jī)床具體情況，考慮工件的定位，選用夾具。數(shù)控編程的第一步要正確定義加工坐標(biāo)系，選擇好對(duì)刀點(diǎn)。選擇的編程原點(diǎn)應(yīng)方便編程、便于測(cè)量檢查、便于操作，同時(shí)考慮引起的加工誤差較小。第二步是按照數(shù)控工藝方案一步一步地在計(jì)算機(jī)上編制刀具軌跡。第三步是驗(yàn)證程序的正確性，可行性?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬或試切削樣件。第四步是優(yōu)化程序。
4 ．程序定型階段：由主管領(lǐng)導(dǎo)審核數(shù)控編程刀路，合格后填寫數(shù)控加工程序單，繪制加工簡(jiǎn)圖。到現(xiàn)場(chǎng)了解程序執(zhí)行情況，總結(jié)程序編制經(jīng)驗(yàn)。
數(shù)控工藝的特點(diǎn)和數(shù)控加工工藝規(guī)劃的編制：
（ 1 ）數(shù)控工藝要考慮加工零件的工藝性，確定加工零件的裝夾與定位，選擇刀具，制定工藝路線、切削方法及工藝參數(shù)等，而這些在常規(guī)工藝中可以簡(jiǎn)化。
（ 2 ）數(shù)控工藝設(shè)計(jì)主要用于指導(dǎo)數(shù)控編程，我公司把數(shù)控工藝員和編程員的職責(zé)和二為一，由程序設(shè)計(jì)員負(fù)責(zé)整套模具的數(shù)控加工過(guò)程，提高了工作效率。
（ 3 ）數(shù)控加工的自動(dòng)化程度高，影響因素多，在數(shù)控加工中，質(zhì)量和安全是自關(guān)重要的，必須得到保證。
（ 4 ）數(shù)控工藝的編制要有嚴(yán)密的條理性。數(shù)控工藝復(fù)雜，影響因素多，需要對(duì)數(shù)控加工的全過(guò)程深思熟慮，要有很好的條理性，才能編好數(shù)控工藝。加上數(shù)控加工的自動(dòng)化程度高，它的自適應(yīng)能力就低，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，工人很難現(xiàn)場(chǎng)糾正，輕者造成加工缺陷，重者引起安全事故，因此要預(yù)先有條理的做好數(shù)控工藝的設(shè)計(jì)。
（ 5 ）數(shù)控工藝的繼承性好。凡是在生產(chǎn)中證明是好的數(shù)控工藝，可以做成模板，作為檔案保存起來(lái)，在以后加工同類零件時(shí)調(diào)用，可以節(jié)約時(shí)間，保證質(zhì)量。
數(shù)控加工工藝規(guī)劃可以認(rèn)為是由零件初始狀態(tài)（毛坯）到最終狀態(tài)（零件）間的一系列工藝過(guò)程的狀態(tài)空間。數(shù)控工序的排序應(yīng)滿足如下的一般規(guī)則：
1. 先主后次。 2. 先面后孔，先銑后鉆。 3. 先粗后精。 4. 先做內(nèi)腔加工后做外形加工。 5. 按工序的順序，刀具直徑由大到小。 6. 上道工序的加工不能影響下道工序的裝夾與定位。 7. 用相同的工裝和夾具應(yīng)安排在一起做完，減少重復(fù)裝夾與 定位。 8. 數(shù)控工序要集中。 9. 不要把削弱零件剛性的工序排在前面。
一個(gè)好的數(shù)控加工工藝規(guī)劃還要考慮以下幾個(gè)方面：
是否能滿足零件的技術(shù)要求，是否能提高數(shù)控加工的效率，低的加工成本，好的質(zhì)量控制。
因此，通常一份完整的數(shù)控加工工藝規(guī)劃，大概包括如下內(nèi)容：
? 數(shù)控機(jī)床選擇。
? 加工方法選擇。
? 確定零件的裝夾方式并選擇夾具。
? 定位方法。
? 檢驗(yàn)要求及檢驗(yàn)方法。
? 選擇刀具。
? 加工中的誤差控制和公差控制。
? 定義數(shù)控工序。
? 數(shù)控工序排序。
? 切削參數(shù)選擇。
? 編制數(shù)控工藝程序單。
模塑公司通過(guò)在模具行業(yè)中的比較，購(gòu)買了國(guó)際一流的數(shù)控加工軟件： UG NX4.0 和 POWERMILL6.0 ，通過(guò)多年的使用表明是非常適合模具加工行業(yè)的，尤其是兩種軟件豐富實(shí)用的加工策略各不相同，互相補(bǔ)充使數(shù)控加工的質(zhì)量和效率得到了很大的提高。 POWERMILL 在偏置區(qū)域清除粗加工時(shí)可以加入螺旋功能，進(jìn)行實(shí)際切削時(shí)更加平穩(wěn)，消除了相鄰刀路之間連接的進(jìn)刀方向突變，減少切削進(jìn)給的加速和減速，保持更穩(wěn)定的切削負(fù)荷，延長(zhǎng)了刀具壽命，對(duì)機(jī)床也起到了保護(hù)作用。
交叉等高精加工使用戶可定義一個(gè)分界角，淺灘區(qū)域內(nèi)將使用等高策略，其它部分使用三維偏置策略，并且可以在陡峭和平坦區(qū)域之間加入重疊距離，兩者相輔相成。
參數(shù)偏置精加工既可以保證曲面上刀路間的行距不超過(guò)設(shè)定的數(shù)值，又可以顯著減少三維偏置策略中在刀具路徑中可能出現(xiàn)的尖角，可以有效改善三維偏置加參考線的方法在工件表面的相交刀路產(chǎn)生的切削紋理，工件的外觀質(zhì)量更好。
切削參數(shù)的選擇對(duì)加工質(zhì)量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在 CAM 軟件中與切削相關(guān)的參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速 (Spindlespeed) 、進(jìn)給速率 (Cut feed) 、刀具切入時(shí)的進(jìn)給速率 (Lead in feed rate) 、步距寬度（ Step-over ）和切削深度（ Step depth ）等。
主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來(lái)計(jì)算，其計(jì)算公式為： n = 1000 V c / π d ，式中 d 為刀具直徑（ mm ）， Vc 為切削速度 (m/min) 。切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關(guān)，過(guò)低或過(guò)高的切削速度都會(huì)使刀具耐用度急劇下降。模具精加工時(shí)，應(yīng)盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質(zhì)量，因此應(yīng)結(jié)合刀具耐用度認(rèn)真選擇切削速度。
進(jìn)給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，其計(jì)算公式為 F=nzf ，式中 n 為主軸轉(zhuǎn)速（ r/min ）， z 為銑刀齒數(shù)， f 為每齒進(jìn)給量 (mm/ 齒 ) 。每齒進(jìn)給量的選取取決于工件材料的力學(xué)性能、刀具材料和銑刀結(jié)構(gòu)。工件的硬度和強(qiáng)度越高，每齒進(jìn)給量越?。划?dāng)加工精度和表面粗糙度要求較高時(shí)，應(yīng)選擇較低的進(jìn)給量；刀具切入進(jìn)給速度應(yīng)小于切削進(jìn)給速度。
吃刀量的大小主要受機(jī)床、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，選用盡可能大的吃刀量，以提高加工效率。為保證加工精度和表面粗糙度，應(yīng)留 0.1~0.3mm 的精加工余量。
在精加工時(shí)，吃刀量的選擇與表面粗糙度有關(guān)， CAM 軟件中通常提供有兩種參數(shù)控制表面粗糙度：步距寬度（ Stepover ）和殘留高度 (Scallop) 。采用步距寬度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度越小，表面粗糙度越??；采用殘留高度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度會(huì)依據(jù)工件形狀自動(dòng)調(diào)整。
好的軟件確實(shí)可以提高模具的加工質(zhì)量和效率，但它也只是一個(gè)工具，我們需要的是有豐富的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械加工經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，同時(shí)熟練掌握軟件功能的數(shù)控程序設(shè)計(jì)者，因?yàn)槿瞬攀悄＞邤?shù)控加工中的決定因素，對(duì)數(shù)控加工的質(zhì)量和效率起到關(guān)鍵作用。為此， 模塑公司建立了完善的程序設(shè)計(jì)員培養(yǎng)體系。所有的設(shè)計(jì)員都要先在數(shù)控操作的崗位上實(shí)習(xí)一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格操作考核合格后方能進(jìn)行數(shù)控程序的設(shè)計(jì)培訓(xùn)。程序設(shè)計(jì)員必須會(huì)用公司所購(gòu)買的所有正版數(shù)控加工軟件，并且熟練掌握至少一種后才能編制程序。為了保證模具的數(shù)控加工質(zhì)量，就必須有好的數(shù)控程序，為了便于管理和控制加工質(zhì)量，我們根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)編寫了多種的程序編制規(guī)范，為公司的模具質(zhì)量的穩(wěn)定和不斷提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
機(jī)床操作者是數(shù)控加工的執(zhí)行人，他們對(duì)數(shù)控加工質(zhì)量的控制也是很明顯的。他們?cè)趫?zhí)行加工任務(wù)的過(guò)程中對(duì)機(jī)床、刀柄、刀具、加工工藝、軟件和切削參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)最了解，他們的各項(xiàng)操作對(duì)數(shù)控加工影響最直接，所以機(jī)床操作者的技能和責(zé)任心也是提高數(shù)控加工質(zhì)量關(guān)鍵因素！
經(jīng)過(guò)多年的模具加工分析，雖然機(jī)床等硬件設(shè)備是很關(guān)鍵的，但人才是影響數(shù)控加工質(zhì)量的決定性因素，因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)員和機(jī)床操作者的職業(yè)道德、技能水平、崗位責(zé)任心確定了各種先進(jìn)設(shè)備能夠發(fā)揮出多大的效能！所以我們一定要重視人才的培養(yǎng)和引進(jìn)，為模具質(zhì)量的持續(xù)提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！