模具高速加工工藝及策略

高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。

    1. 粗加工

    模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是，沒有等高層之間的刀路移動，可避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計(jì)算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡，避免突然改變刀具進(jìn)給方向，禁止使用直接下刀的連接方式，避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時(shí)，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°~30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時(shí)，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。

    2. 半精加工

    模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因?yàn)樗鼘⒂绊懢�加工時(shí)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(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。

    粗加工是基于體積模型，精加工則是基于面模型。以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。

    現(xiàn)有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如MasterCAM軟件提供了束狀銑削 (Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。

    3. 精加工

    模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工，應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工，而不是對各個(gè)曲面分別進(jìn)行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而，由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。

    一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時(shí)，進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過程的平穩(wěn)性。

    高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞機(jī)率。它還可以改善加工表面質(zhì)量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來使用。

    數(shù)控編程也要考慮幾何設(shè)計(jì)和工藝安排，在使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速加工數(shù)控編程時(shí)，除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應(yīng)該同時(shí)也是一名合格的設(shè)計(jì)與工藝師，他應(yīng)對零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個(gè)正確的理解，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計(jì)的知識和概念。