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【摘 要】通过对一种典型的饮料瓶吹塑模具型腔高速数控加工工艺的设计，分析并总结出模具高速加工的工艺特点，进一步明确加工方案的合理选择、加工设备和刀具的有效利用，切削用量等参数的最佳设定及现代制造软件的灵活应用，是保证模具加工质量、提高生产效率的重要途径，也为类似的模具零件数控工艺设计提供了很好的借鉴。
【关键词】数控加工；切削状况；加工效率；切削角度
【中图分类号】TQ320.52 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0206-02
0 引言
随着三维造型软件的不断提高，在模具设计、制造过程中，异型曲面的设计与自由曲面应用日趋增加。同时，加工制造过程中对形状及尺寸精度的要求越来越高，供货期限也越来越短，这就对加工过程有了更高的要求。高速数控加工技术对以往的加工工艺有较大影响，逐步改变了以往的加工工艺流程。高速加工中心可以加工热处理后的模具钢，可以有效减少加工过程的时间，降低加工成本，提高加工生产效率。下面通过实例对典型吹塑模具型腔的数控加工工艺进行分析。
1 模具型腔工艺性分析
1.1 结构分析
根据产品造型，设计出来的型腔如图1所示，型腔面由多个曲面组成，而且表面粗糙度要求较高。型面中部旋转凸台进行分度后采用局部区域加工。
1.2 材料分析
型腔材料为锻造铝合金，但铝合金存在刚性强度低、韧性高及延展性强等切削性能特点，为保证切削效率，解决刚性强度低问题，因而所用的刀具前角小、比较锋利，切削转速高、进给速度快。但韧性高则会给高速切削带来两个方面的问题：一是在高速切削状态下容易导致黏结的现象；二是由于铝材具有高度的延展性，它有可能会形成条状纹。因此，加工铝合金时应考虑以下几个方面。
（1）刀具材料及合理几何参数选择。加工铝合金的刀具材料可选用W8Cr4V高速钢和YG8、YG6、YG8N等硬质合金，YG6宜用于余量均匀条件下的连续加工和半精加工。
（2）切削用量，由于铝合金的强度和硬度比较低且导热性好，因此可以获得较高的进给速度，适于进行高速加工。
（3）冷却润滑，用硬质合金刀具粗加工铝合金时，因吃刀量少，进给速度高，切削热主要集中在废铝屑上，一般可不用冷却润滑，而用高压空气冷却将高温碎屑吹走。
1.3 拟定工藝方案
对复杂型腔模具制造工艺应根据型腔形状、尺寸、技术要求并结合本单位设备情况等具体条件来制定。该饮料瓶吹塑模具型腔可考虑以下加工方案进行制造。
在高速加工中心，该型腔的铣削加工分四大步：先采用实体挖槽对其进行粗加工，然后采用曲面铣削进行半精加工和精加工，针对其型面中部旋转凸台进行分度后采用局部区域加工，编程坐标原点设在型腔轴线的瓶底处。
2 高速铣削的加工编程
2.1 粗加工的高速铣削编程
选用φ20R0.5铣刀，采用斜线下刀方式，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷，其参数设置如图2所示。
选择曲面粗加工方法中的constant（平行环绕并清角）从外径内走刀方式，铣削方向为顺铣，第一刀背吃刀量0.5 mm，刀路重叠50%，参数设置如图3所示，转速为15 000 r/min，进给速度为5 000 mm/mim，粗加工和半精加工时将拟合误差值，设为0.5，太小加工速度会减慢，加工时间会变长。
2.2 半精加工的高速铣削编程
由于MasterCAM没有半精加工设置，因此选择的是曲面精加工的Paraiiel命令。选用φ12 mm球头铣刀。因粗加工采用φ20 mm刀具型腔底面留有较大的余量，为了改善切削状况，保持较高的速度和较低的切削负荷，同时以避免产生纵向刀纹。如果瓶口部分圆弧较小，再添加一把φ8 mm球刀进行加工，以获得整个型腔表面精加工的均匀预留量。最后选用φ6 mm球刀半精加工，转速为24 000 r/min，进给速度为3 500 mm/min。在生成加工刀具运动轨迹时，考虑到加工效率等因素，故应选择往Zigzag走刀方式，设置切削间距为0.35 mm，双向切削预留0.1 mm余量，切削角度设置为45°，其参数设置如图4所示，选轴向为切削方向。
2.3 精加工刀具路径编程
精加工的刀具路径轨迹选择型腔底端圆弧的法线方向为切削进刀及加工进给方向，这样生成的刀具路径比较均匀，以便后期抛光时不会有明显的刀具切削痕迹。为了在加工后达到表面粗糙度的要求，尽量采用φ6 mm的球头铣刀，并结合刀具路径交叉重叠的方法进行精加工。目的是半精加工时刀具切削路径角度为绕中轴线45°进行加工，因此精加工的工序是刀具路径沿着型腔X轴的径向进行加工，可达到最好去除表面凸点的效果。具体参数设置为转速24 000 r/min，进给速度为2 500 mm/min。一般拟合误差应为加工零件的1/5～1/10，而本零件的误差一般是在0.05的数量级，因此数控编程中的拟合误差应控制在0.005左右，必须在精加工自动编程中利用图5对话框进行拟合误差的设置。
2.4 精加工的区域加工编程
由于此型面属于轴类转轴面，型腔内两侧面矩形凸台加工留有欠切，旋转60°后采用区域加工，加工范围为矩形凸台的四周倒角与角台上方的半圆形凸起部分。由于旋转后工件单侧升高了，为了不发生撞刀而采用了加长刀具。为了改善表面质量及表面刀纹的一致性，4个倒角面采用先加工两个长侧面，再加工两个端面。这样可以有效地避免加工到凸台时频繁抬刀的动作，节约了辅助时间，提高了效率，具体参数设置跟精加工时一样，区域加工刀具路径如图6显示效果图。
3 总结
本文应用了MasterCAM数控加工编程软件，结合典型型腔体进行数控加工程序的编制，结合有效的高速数控加工工艺，将其应用于实际生产中，有效提高数控生产加工效率及加工成品质量，尽量缩短装刀长度，以减少刀具振动，延长刀具寿命，提高加工精度。
参 考 文 献
[1]彭建声，秦晓刚.模具技术问答[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]卢金火.模具数控加工中的走刀方式和切削方向的选择[J].汽车工艺与材料，1998（10）：14-16.
[3]黄如林.切削加工简明实用手册[M].北京：化学工业出版社，2004.
[4]于信伟.高速铣削对铝合金零件表面粗糙度影响的试验研究[J].煤矿机械，2007（12）：48-49.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】数控加工；切削状况；加工效率；切削角度
【中图分类号】TQ320.52 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0206-02
0 引言
随着三维造型软件的不断提高，在模具设计、制造过程中，异型曲面的设计与自由曲面应用日趋增加。同时，加工制造过程中对形状及尺寸精度的要求越来越高，供货期限也越来越短，这就对加工过程有了更高的要求。高速数控加工技术对以往的加工工艺有较大影响，逐步改变了以往的加工工艺流程。高速加工中心可以加工热处理后的模具钢，可以有效减少加工过程的时间，降低加工成本，提高加工生产效率。下面通过实例对典型吹塑模具型腔的数控加工工艺进行分析。
1 模具型腔工艺性分析
1.1 结构分析
根据产品造型，设计出来的型腔如图1所示，型腔面由多个曲面组成，而且表面粗糙度要求较高。型面中部旋转凸台进行分度后采用局部区域加工。
1.2 材料分析
型腔材料为锻造铝合金，但铝合金存在刚性强度低、韧性高及延展性强等切削性能特点，为保证切削效率，解决刚性强度低问题，因而所用的刀具前角小、比较锋利，切削转速高、进给速度快。但韧性高则会给高速切削带来两个方面的问题：一是在高速切削状态下容易导致黏结的现象；二是由于铝材具有高度的延展性，它有可能会形成条状纹。因此，加工铝合金时应考虑以下几个方面。
（1）刀具材料及合理几何参数选择。加工铝合金的刀具材料可选用W8Cr4V高速钢和YG8、YG6、YG8N等硬质合金，YG6宜用于余量均匀条件下的连续加工和半精加工。
（2）切削用量，由于铝合金的强度和硬度比较低且导热性好，因此可以获得较高的进给速度，适于进行高速加工。
（3）冷却润滑，用硬质合金刀具粗加工铝合金时，因吃刀量少，进给速度高，切削热主要集中在废铝屑上，一般可不用冷却润滑，而用高压空气冷却将高温碎屑吹走。
1.3 拟定工藝方案
对复杂型腔模具制造工艺应根据型腔形状、尺寸、技术要求并结合本单位设备情况等具体条件来制定。该饮料瓶吹塑模具型腔可考虑以下加工方案进行制造。
在高速加工中心，该型腔的铣削加工分四大步：先采用实体挖槽对其进行粗加工，然后采用曲面铣削进行半精加工和精加工，针对其型面中部旋转凸台进行分度后采用局部区域加工，编程坐标原点设在型腔轴线的瓶底处。
2 高速铣削的加工编程
2.1 粗加工的高速铣削编程
选用φ20R0.5铣刀，采用斜线下刀方式，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷，其参数设置如图2所示。
选择曲面粗加工方法中的constant（平行环绕并清角）从外径内走刀方式，铣削方向为顺铣，第一刀背吃刀量0.5 mm，刀路重叠50%，参数设置如图3所示，转速为15 000 r/min，进给速度为5 000 mm/mim，粗加工和半精加工时将拟合误差值，设为0.5，太小加工速度会减慢，加工时间会变长。
2.2 半精加工的高速铣削编程
由于MasterCAM没有半精加工设置，因此选择的是曲面精加工的Paraiiel命令。选用φ12 mm球头铣刀。因粗加工采用φ20 mm刀具型腔底面留有较大的余量，为了改善切削状况，保持较高的速度和较低的切削负荷，同时以避免产生纵向刀纹。如果瓶口部分圆弧较小，再添加一把φ8 mm球刀进行加工，以获得整个型腔表面精加工的均匀预留量。最后选用φ6 mm球刀半精加工，转速为24 000 r/min，进给速度为3 500 mm/min。在生成加工刀具运动轨迹时，考虑到加工效率等因素，故应选择往Zigzag走刀方式，设置切削间距为0.35 mm，双向切削预留0.1 mm余量，切削角度设置为45°，其参数设置如图4所示，选轴向为切削方向。
2.3 精加工刀具路径编程
精加工的刀具路径轨迹选择型腔底端圆弧的法线方向为切削进刀及加工进给方向，这样生成的刀具路径比较均匀，以便后期抛光时不会有明显的刀具切削痕迹。为了在加工后达到表面粗糙度的要求，尽量采用φ6 mm的球头铣刀，并结合刀具路径交叉重叠的方法进行精加工。目的是半精加工时刀具切削路径角度为绕中轴线45°进行加工，因此精加工的工序是刀具路径沿着型腔X轴的径向进行加工，可达到最好去除表面凸点的效果。具体参数设置为转速24 000 r/min，进给速度为2 500 mm/min。一般拟合误差应为加工零件的1/5～1/10，而本零件的误差一般是在0.05的数量级，因此数控编程中的拟合误差应控制在0.005左右，必须在精加工自动编程中利用图5对话框进行拟合误差的设置。
2.4 精加工的区域加工编程
由于此型面属于轴类转轴面，型腔内两侧面矩形凸台加工留有欠切，旋转60°后采用区域加工，加工范围为矩形凸台的四周倒角与角台上方的半圆形凸起部分。由于旋转后工件单侧升高了，为了不发生撞刀而采用了加长刀具。为了改善表面质量及表面刀纹的一致性，4个倒角面采用先加工两个长侧面，再加工两个端面。这样可以有效地避免加工到凸台时频繁抬刀的动作，节约了辅助时间，提高了效率，具体参数设置跟精加工时一样，区域加工刀具路径如图6显示效果图。
3 总结
本文应用了MasterCAM数控加工编程软件，结合典型型腔体进行数控加工程序的编制，结合有效的高速数控加工工艺，将其应用于实际生产中，有效提高数控生产加工效率及加工成品质量，尽量缩短装刀长度，以减少刀具振动，延长刀具寿命，提高加工精度。
参 考 文 献
[1]彭建声，秦晓刚.模具技术问答[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]卢金火.模具数控加工中的走刀方式和切削方向的选择[J].汽车工艺与材料，1998（10）：14-16.
[3]黄如林.切削加工简明实用手册[M].北京：化学工业出版社，2004.
[4]于信伟.高速铣削对铝合金零件表面粗糙度影响的试验研究[J].煤矿机械，2007（12）：48-49.
[责任编辑：陈泽琦]