如何確定模具加工方法

A. 模具加工的常見方法

摘要：本文介紹了模具零部件的機加工方法及工藝規程的制定，並以電器盒模具模芯高效數控加工工藝為例，結合自己多年的注射模具加工經驗，精闢地介紹了模具零部件高效銑削加工工序的編制，希望對工程技術人員有一定的幫助和借鑒作用。

關鍵詞：CAD/CAM 模具 加工 工藝

一、引言

在現代模具的成形製造中，由於模具的形面設計日趨復雜，自由曲面所佔比例不斷增加，因此對模具加工技術提出了更高要求，即不僅應保證高的製造精度和表面質量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入，尤其在機床加工、數控系統、刀具系統、CAD/CAM軟體等相關技術不斷發展的推動下，高速加工技術已越來越多地應用於模具的製造加工。高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響，改變了傳統模具加工採用的「退火→銑削加工→熱處理→磨削」或「電火花加工→手工打磨、拋光」等復雜冗長的工藝流程。

但是，在實踐中為了提高模具的加工效率，不能一味地去追求高速加工，有時為了節約生產成本與提高生產效率，必須採用高效加工方法，使一部分加工工序在普通機床上就可高效率完成。這樣就要求設計者編制合理的模具加工工藝，以便提高模具的加工效率，降低模具的製造成本，減少模具的製造周期。

二、模具零部件的機加工方法

用機械加工方法加工模具零部件時要充分考慮零件的材料、結構形狀、尺寸、精度和使用壽命等方面的不同要求，採用合理的加工方法和工藝路線。盡可能通過加工設備來保證模具零部件的加工質量，減少鉗工修配工作量，提高生產效率和降低成本。

常用機械加工方法在模具零部件加工中的應用如表1所示。

表1 常用機加工方法可能達到的粗糙度及應用

三、模具高效加工工藝規程與策略制定

1.工藝規程制定

工藝規程必須針對加工對象，結合本企業實際生產條件進行制定，技術上要先進、經濟上要合理。模具零部件加工工藝規程制定的一般步驟及所包含的基本內容如表2所示。

表2 加工工藝規程

2.數控加工工藝策略

1）粗加工

模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率，並為半精加工准備工件的幾何輪廓。在粗加工過程中通過利用國外先進的CAD/CAM軟體可通過以下措施保持切削條件恆定，從而獲得良好的加工質量。

（1）恆定的切削載荷；

通過計算獲得恆定切削層面積和材料去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡，以提高刀具壽命和加工質量；

（2）避免突然改變刀具進給方向；

（3）避免將刀具埋入工件。如加工模具型腔時，應避免刀具垂直插入工件，而應採用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最好採用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時，應盡量先從工件外部下刀然後水平切入工件；
（4）刀具切入、切出工件時應盡可能採用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出；

（5）採用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質量。

2）半精加工

模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整，表面精加工餘量均勻，這對於工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩定性及精加工表面質量。

粗加工是基於體積模型(Volume model)，精加工則是基於面模型(Su rface model)。而以前開發的CAD/CAM系統對零件的幾何描述是不連續的，由於沒有描述粗加工後、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩餘加工餘量分布及最大剩餘加工餘量均是未知的。

因此應對半精加工策略進行優化以保證半精加工後工件表面具有均勻的剩餘加工餘量。優化過程包括：粗加工後輪廓的計算、最大剩餘加工餘量的計算、最大允許加工餘量的確定、對剩餘加工餘量大於最大允許加工餘量的型面分區(如凹槽、拐角等過渡半徑小於粗加工刀具半徑的區域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。

現有的模具加工CAD/CAM軟體大都具備剩餘加工餘量分析功能，並能根據剩餘加工餘量的大小及分布情況採用合理的半精加工策略。CIMATRON軟體提供清根加工（CLEAN UP）來清除粗加工後剩餘加工餘量較大的角落以保證後續工序均勻的加工餘量。Pro/Engineer軟體的局部銑削(Local milling)具有相似的功能，如局部銑削工序的剩餘加工餘量取值與粗加工相等，該工序只用一把小直徑銑刀來清除粗加工未切到的角落，然後再進行半精加工；如果取局部銑削工序的剩餘加工餘量值作為半精加工的剩餘加工餘量，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工。

3）精加工

模具的精加工策略取決於刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對於由多個曲面組合而成的復雜曲面加工，應盡可能在一個工序中進行連續加工，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀、下刀的次數。然而由於加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻，從而影響加工質量。CIMATRON軟體解決上述問題的方法是在定義側吃刀量的同時，使用Clean Between Pass(清除刀間殘留面積高度)來調整步距。Pro/Engineer 軟體解決上述問題的方法是在定義側吃刀量的同時，再定義加工表面殘留面積高度(Scallop machine)。一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應大於刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的突然轉變。在模具的精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應盡量採用圓弧或曲線轉接，避免採用直線轉接，以保持切削過程的平穩性。

四、高效加工實例

在現代化的模具生產中，隨著對產品功能要求的提高，產品內部結構也變得越來越復雜，相應的模具結構也要隨之復雜化。

下面闡述了在電器盒塑料模具製造中所採用的新的設計製造工藝方法路線：首先利用Pro/ENGINEER或CIMATRON等先進的CAD/CAM軟體進行產品的3D圖形設計；然後根據產品的特點設計模具結構，生成模具型腔實體圖和工程圖；再在CIMATRON中根據模具型腔的特點繪制CNC數控加工工藝圖，擬定數控加工工藝路線，輸入加工參數，生成刀具路徑；最後進行三維加工動態模擬，生成加工程序，並輸送到數控機床進行自動加工。
在實際加工時需用內六角螺釘將四個方鐵塊固定於模芯上，然後再將這四個方鐵塊固定在機床工作台上即可。

圖1 電器盒模芯圖

以下就以電器盒模具動、定模芯（如圖1所示,動模芯材料為P20，定模芯材料為2738，經調質處理，硬度為HRC32左右）為例，重點體說明這一加工流程。為減少篇幅，本文假定從生成三維加工工藝模型後開始，只涉及數控銑削加工部分。

表3 動模芯數控加工工序

表4 定模芯數控加工工序

五、結束語

數控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統中最能明顯發揮效益的環節之一，其在實現設計加工自動化、提高加工精度和加工質量、縮短產品研製周期等方面發揮著重要作用。採用CIMATRON或Pro/ENGINEER等先進軟體進行三維建模，然後根據模具型腔的特點，確定模具型腔、分模面，生成模具型腔實體圖、工程圖、加工工藝圖。根據CAM系統的功能，從CAPP資料庫獲取加工過程的工藝信息，進行零部件加工工藝路線的控制，輸入加工參數，然後再在CAM中編制刀具路徑，進行三維加工動態模擬，生成加工程序並輸送到數控機床完成自動化加工。

這些加工步驟是現代化模具生產的過程和發展趨勢，它使復雜模具型芯的生產簡化為單個機械零件的數控自動化生產，全部模具設計和數控加工編程過程都可以藉助CAD/CAM軟體在計算機上完成。它改變了傳統的模具製造手段，有效地縮短了模具製造周期，大大提高了模具的質量、精度和生產效率。

參考文獻:
[1]李偉光主編．現代製造技術．北京：機械工業出版社，2001．
[2]塑料模具設計手冊編寫組.塑料模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002

B. 沖壓模具加工有哪些方法

1、手工研磨拋光。
傳統模具表面加工方法，主要依靠操作者的經驗和技術，手工拋光比較費時，效率低下，一些較復雜曲面或者勾縫研磨拋光會比較難處理。
2、機械精加工—數控銑床
此中沖壓模具加工表面加工方法不經加工效率快，而且加工質量好，除有內銳角的型腔和極窄而深的型腔外，其它方面都能勝任。在國外已成為沖壓模具加工的主流工藝，我國也在積極發展中。
3、機械精加工-磨削加工
常用的磨削加工設備有平面磨床，內外圓磨床，工具磨床。為了確保精確，一般選用數控方式進行加工。根據不同的零件形狀進行選擇合適的磨床種類，板式類零件選用平面磨床，弧面及回轉面零件採用內外圓磨床或者工具磨床。

C. 模具的加工方法分類有哪些

在現代模具的成形製造中，由於模具的形面設計日趨復雜，自由曲面所佔比例不斷增加，因此對模具加工技術提出了更高要求，即不僅應保證高的製造精度和表面質量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入，尤其在機床加工、數控系統、刀具系統、CAD/CAM軟體等相關技術不斷發展的推動下，高速加工技術已越來越多地應用於模具的製造加工。高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響，改變了傳統模具加工採用的「退火→銑削加工→熱處理→磨削」或「電火花加工→手工打磨、拋光」等復雜冗長的工藝流程。

依產品加工方法的不同，可將模具分成沖剪模具、彎曲模具、抽制模具、成形模具和壓縮模具等五大類。

a. 沖剪模具：是以剪切作用完成工作的，常用的形式有剪斷沖模、下料沖模、沖孔沖模、修邊沖模、整緣沖模、拉孔沖模和沖切模具。

b.彎曲模具：是將平整的毛胚彎成一個角度的形狀，視零件的形狀、精度及生產量的多寡，乃有多種不同形式的模具，如普通彎曲沖模、凸輪彎曲沖模、卷邊沖模、圓弧彎曲沖模、折彎沖縫沖模與扭曲沖模等。

c.抽制模具：抽制模具是將平面毛胚製成有底無縫容器。

d.成形模具：指用各種局部變形的方法來改變毛胚的形狀，其形式有凸張成形沖模、卷緣成形沖模、頸縮成形沖模、孔凸緣成形沖模、圓緣成形沖模。

e.壓縮模具：是利用強大的壓力，使金屬毛胚流動變形，成為所需的形狀，其種類有擠制沖模、壓花沖模、壓印沖模、端壓沖模。

D. 模具製作過程中常用的加工方法

根據模具的工作條件，模具可分為冷作模具和熱作模具兩類，其熱處理工藝略有不同。 1、冷作模具：需要高硬度、高耐磨性，一定的韌性，故此類模具鋼往往含碳量高，因此，需要鍛後的預先熱處理和機械加工後的最終熱處理，通常的熱處理工藝為：球化退火，淬火+低溫回火，有時也需要化學熱處理，比如滲碳、滲氮、碳氮共滲等，也有進行表面淬火的，也有去應力退火的，個別的精密模具也需要穩定化回火或補充回火。 2、熱作模具：由於加工對象往往是加熱到奧氏體狀態的鋼，需要一定的硬度和高的耐磨性，由於鍛造的緣故，需要高的沖擊韌性，故此，此類鋼往往是中碳鋼和中碳合金鋼，需要的熱處理工藝常用的是調質處理工藝或淬火+高溫回火，有時也需要球化退火。