型腔模具的加工工艺研究
2020-10-14 来源：- 作者：赵元 张丽丽
摘要：论述了型腔模具的主要材料和结构特点，分析了高速铣削加工、电火花加工、快速成型等型腔模具的加工方法，同时对型腔模具的加工刀具，以及两款典型的加工设备进行了介绍。
关键词：型腔模具 加工 研究
1 、研究背景
随着世界经济和我国经济的快速发展， 模具制造行业出现了新的特点，主要体现在四个方面：模具的制造周期越来越短，模具的质量要求越来越高，模具的形状越来越复杂， 模具材料的硬度越来越高。 这些特点均涉及模具的加工方法和加工工艺问题。 模具加工的核心就是型腔加工，对时间和成本而言，型腔加工占整副模具工作量和成本的绝大部分。
随着模具制造行业出现新特点， 机床行业也在不断加快研发新产品，以应对市场出现的新需求，满足市场的新需要。
2 、型腔模具结构特点
型腔模具结构如图 1 所示， 主要作用是成型外形表面，位置精度和表面质量要求较高，工作部分各表面需要进行研磨和抛光加工，且型腔的种类、形状、大小均不同，特殊情况下表面还有商标、图案、花纹、文字等，给型腔模具的加工增加了难度。
3 、型腔模具材料
型腔模具的用材主要从制品种类、 形状、 尺寸精度、外观质量、使用要求、生产批量大小等方面综合考虑，进而选用合适的模具钢［1］。目前， 国内制造型腔模具常用的钢材牌号主要有40Cr、P20+Ni、P20、718、2316、2738、S136 等。
4 、型腔模具加工方法
型腔模具加工常见的主要方法有高速铣削加工、电火花加工，部分模具还应用了快速成型技术［2］。 随着近年来高速切削技术和数控机床的发展， 高速铣削技术在模具制造中得到广泛应用， 改变了模具的传统制造方法，同时提高了模具的制造效率。
4.1 高速铣削加工
高速铣削加工技术相对于传统切削加工技术，机床在切削速度、进给速度等方面明显提高，切削机理也发生了根本性的变化［3］。
图 1 复杂型腔模
相比传统切削加工技术， 高速铣削加工技术具有以下特点：
（1） 大大提高了生产效率， 高速切削能使金属去除率提高 30%～40%；
（2） 切削力小，与传统加工相比，高速切削时的切削力小约 30%；
（3） 提高了零件的加工质量；
（4） 简化了工艺流程，如零件可直接由粗加工、精加工完成制造；
（5） 避免一些在传统加工中存在的问题， 如切削热残留、低速切削振动等；
（6） 延长刀具的使用寿命，使加工能耗降低。
根据模具加工特点和行业发展， 目前主要应用的高速铣削中心有三轴立式加工中心、 五轴联动立式加工中心， 以及龙门加工中心， 机床进给速度为 40～60m/min，主轴转速为 30 000～42 000 r/min［4］。
高速铣削技术在模具加工行业中应用， 提高了模具的加工效率。经高速精铣后的模具，甚至不需要进行修磨、抛光等工序，可以大大缩短制造时间。
4.2 电火花加工
对于具有窄缝、精密小型腔、小拐角、深沟槽、冒孔、深度切削等难加工特征的模具，需要应用电火花加工，与高速铣削加工互为补充。
4.3 快速成型
快速成型技术是一种增材制造技术， 在现代计算机辅助设计与计算机辅助制造技术、激光技术、计算机数控技术、新材料技术的基础上集成发展而来［5］。以上三种加工方法为型腔模具制造中的常用方法，每种加工方法都有自身独特之处。某类型腔模具或者模具的某个特征， 通常只能应用其中的一种加工方法， 其它方法则不能替代。 三种加工方法之间互为补充， 一个型腔模具制造过程中可能用到其中的一种或两种加工方法。
高速铣削加工技术的应用大大提高了模具的制造效率，为企业节省了时间。工件经过一次装夹能够完成粗加工和精加工，可以得到较高的表面精度，表面粗糙度 Ra 甚至可以达到 0.6 μm，满足模具制造的要求。 高速铣削加工技术正在越来越多地取代其它加工方法，应用于型腔模具制造中。
5 、型腔模具加工刀具
型腔模具在高速铣削加工过程中， 主要使用的刀具为立铣刀。随着近年来刀具技术的发展，原来使用的整体式立铣刀被可转位刀片立铣刀所取代。 相比整体式立铣刀，可转位刀片立铣刀使用灵活，可根据加工需求选择安装刀片数，经济性也更好。可转位刀片立铣刀上的可转位刀片多为圆形刀片，价格较低廉。高速铣削要求刀具材料与被加工材料具有较小的化学亲和力，同时要求具有良好的热稳定、抗冲击等性能［6］。
随着近年来刀具材料的发展， 目前用于模具钢加工的刀具材料主要有陶瓷、聚晶立方氮化硼、硬质合金和涂层硬质合金等。陶瓷刀具的成本低廉，热稳定性好，但其韧性和硬度比聚晶立方氮化硼低 ， 主要用于加工洛氏硬度（HRC）为 40～50 的材料。 聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性， 适用于加工洛氏硬度（HRC）为55～65 的材料。由目前研究情况可知， 在所有模具高速切削刀具材料中，聚晶立方氮化硼刀具的性能较好，是进行淬硬钢模具加工的主要刀具［7］。
6 、型腔模具加工设备
我国模具制造行业随着经济的发展取得了长足进步，目前，型腔模具的传统加工逐渐被高速铣削加工中心所取代。 这类机床一般具备多轴联动和较强的深空腔加工能力，以下介绍两款典型的高速铣削中心。RXP500 是一款三轴精密高速加工中心， 机床床身采用人造大理石材料制造，刚性好，精度高，如图 2所示［8］。 机床主轴最高转速为 42 000 r/min，三轴进给速度为 0～60 m/min，适用于中型模具的加工，一次设置就可以完成模具的粗加工和精加工。
图 2 RXP500 三轴精密高速加工中心
FZ100 龙门加工中心是为满足航空和模具行业制造专门开发的一款龙门加工中心，如图3所示。这一加工中心配备了具有划时代意义的M3ABC铣头， 成功实现六轴加工，解决了传统两轴叉型铣头五轴联动加工的瓶颈问题。 机床 X 轴、Y 轴、Z 轴全部采用齿轮齿条传动， 消除了间隙， 提高了机床的运动精度和稳定性。 进给速度可达 60 m/min，加速度为 5 m/s2，高刚性和高稳定性较好地满足了模具制造的加工要求［9］。
图 3 FZ100 龙门加工中心
7、 智能制造与模具加工
随着国内劳动力逐渐短缺和制造业向智能化、网络化、 自动化方向转变， 模具制造厂抛弃传统制造方式，向智能工厂转变，这不仅可以大大提高产品质量和生产效率，而且可以使模具制造更加节材、环保。 智能制造技术的发展和成熟， 必将促进模具制造行业向自动化、智能化方向发展［10］。
8、 结束语
笔者从加工方法、 加工刀具和加工用设备三个方面对型腔模具的加工工艺进行了研究， 着重对高速铣削加工技术进行了分析， 并对典型机床和智能制造对模具制造行业的影响进行了介绍。 随着机床加工效率提高、工艺不断改进和新刀具的使用，模具加工工艺在不断改进。 结合模具实际加工情况，优选刀具和机床，能够使模具的加工效率最高化。随着智能制造的发展，智能制造也将加快模具制造模式的变革。
来源：
辽宁省数控机床信息物理融合与智能制造重点实验室
沈阳工学院 机械与运载学院
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