陳佩娜， 劉俊英， 饒敏強(qiáng)

（廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校， 廣東 廣州 510440）

0 引 言

數(shù)控技術(shù)及數(shù)控銑床在機(jī)械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機(jī)械制造工業(yè)提升改造和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要方式。數(shù)控銑床在模具企業(yè)應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)代模具加工車(chē)間重要的裝備之一。數(shù)控銑床的加工功能強(qiáng)，數(shù)控銑削工藝較復(fù)雜，數(shù)控銑床除了具備普通銑床的功能外，還具備靈活性和適應(yīng)性，可加工有復(fù)雜輪廓、三維空間曲面的零件，如殼體類(lèi)零件和模具類(lèi)零件加工；可加工高精度零件，使用CAM軟件自動(dòng)編程，提高復(fù)雜輪廓或曲面的加工精度。數(shù)控銑床加工自動(dòng)化程度高、加工效率高，可減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為操作誤差和失誤。

隨著制造設(shè)備和工具技術(shù)的發(fā)展，模具制造方式具有多樣化，如采用數(shù)控銑床、多軸加工中心、電火花、線切割等技術(shù)，更有利用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造（隨形冷卻水路模具、鑲件等）。特別是塑料模對(duì)模具零件表面質(zhì)量要求高，一些大型汽車(chē)塑料模零件在數(shù)控銑削后需要打磨。由于數(shù)控銑削加工過(guò)程中換刀、機(jī)床等因素影響，導(dǎo)致加工的工件表面出現(xiàn)明顯的接刀痕，對(duì)模具零件生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生影響。零件表面接刀痕是由加工過(guò)程中刀具的切削所引起的痕跡，通常出現(xiàn)在2個(gè)曲面之間。因此找出其影響因素并逐一排除，通過(guò)工藝優(yōu)化等途徑預(yù)防和改善接刀痕具有重要意義。

1 問(wèn)題產(chǎn)生

在數(shù)控銑床上加工圖1所示的殼蓋凸模時(shí)，由平面和曲面過(guò)渡的分型面容易產(chǎn)生接刀痕，精加工側(cè)面時(shí)也容易出現(xiàn)接刀痕。模具分型面上的接刀痕會(huì)影響封膠面的密封性，使成型的塑件產(chǎn)生飛邊或廢品。

圖1 殼蓋凸模二維結(jié)構(gòu)

殼蓋凸模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有形狀復(fù)雜的三維曲面，如圖2所示。凸模分型面由平面和曲面構(gòu)成，共有3處碰穿面（圓柱頂面），側(cè)面有7處封膠插穿面；四角有4個(gè)定位鎖。數(shù)控加工分型面時(shí)，平面和曲面因選用不同的刀具加工，換刀加工時(shí)容易產(chǎn)生接刀痕。凸模料位有多個(gè)曲面，中間最高面離平面分型面為22 mm，料位級(jí)差為18.55 mm，底部有R2 mm圓角，外圍周邊底部有R0.5 mm圓角；7處插穿面因?yàn)槭侵苯?，銑削加工不能完全加工到位，需要單?dú)使用局部電極進(jìn)行電火花加工清角，不采用整體電極是為了降低電極成本，避免效率低的加工。根據(jù)凸模的結(jié)構(gòu)形狀和工藝要求，除了電極加工區(qū)域，凸模大部分區(qū)域在數(shù)控銑床上進(jìn)行精加工至圖紙尺寸。但在銑削加工時(shí)，由于設(shè)備、刀具、工藝參數(shù)等因素影響容易出現(xiàn)接刀痕的問(wèn)題，導(dǎo)致凸模的加工效果不良，甚至產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象。

圖2 殼蓋凸模三維結(jié)構(gòu)

2 產(chǎn)生接刀痕的因素

造成數(shù)控銑床加工的零件表面出現(xiàn)接刀痕的原因較多，如設(shè)備、刀具、加工的方式、加工參數(shù)等因素，只要出現(xiàn)失效情況都可能出現(xiàn)接刀痕。

2.1 設(shè)備因素

數(shù)控銑床的主軸絲杠副與軸承存在間隙，導(dǎo)致徑向跳動(dòng)上升，在加工進(jìn)給換向時(shí)，其受力出現(xiàn)變化，主軸間隙釋放產(chǎn)生竄動(dòng)，引起過(guò)切。

X、Y、Z軸導(dǎo)軌副間存在間隙，銑刀在加工軌跡換向時(shí)切削力改變，造成絲桿震動(dòng)，機(jī)床存在竄動(dòng)，形成接刀痕。Z軸與工作臺(tái)有垂直度誤差，當(dāng)?shù)毒咔邢鲹Q向時(shí)，拖刀紋方向改變而產(chǎn)生接刀痕。

2.2 刀具因素

因刀具因素如刀桿剛性差、裝刀過(guò)長(zhǎng)引起徑向跳動(dòng)大等而引起過(guò)切情況，刀具在加工過(guò)程中出現(xiàn)刀刃黏屑或積屑瘤現(xiàn)象，加工軌跡改變時(shí)出現(xiàn)接刀痕。

2.3 工藝因素

工藝安排不合理也會(huì)出現(xiàn)接刀痕，如刀具直徑選擇、加工參數(shù)設(shè)置、刀具進(jìn)退刀方式等是否合理。當(dāng)面銑時(shí)刀具直徑不夠大，交叉采用順銑和逆銑加工，加工的平面出現(xiàn)接刀痕比較明顯。

3 殼蓋凸模的加工工藝設(shè)計(jì)

殼蓋凸模的材料是738模具鋼（相當(dāng)于國(guó)內(nèi)材料3Cr2NiMnMo，屬于預(yù)硬化塑料模具鋼），毛坯尺寸為220 mm×180 mm×82.5 mm。根據(jù)殼蓋模具的加工精度要求，制定的加工工藝流程如表1所示。

表1 凸模數(shù)控銑削加工流程

4 問(wèn)題分析及解決方法

4.1 設(shè)備因素分析及解決方法

預(yù)防接刀痕產(chǎn)生還需了解加工的機(jī)床設(shè)備狀態(tài)，檢測(cè)機(jī)床主軸的垂直度、裝夾夾具（平口鉗）的平行度以及機(jī)床絲桿情況等。機(jī)床主軸的垂直度檢查可選用“球桿儀”和軟件進(jìn)行檢測(cè)判斷。

在工件加工前，裝夾凸模的平口鉗需先用百分表檢測(cè)鉗口的平行度，保證裝夾時(shí)的夾緊力足夠。在工件精加工前，所有精加工刀具對(duì)刀前都要用百分表檢測(cè)其同軸度（要求公差小于±0.01 mm），確保加工刀具與加工面垂直，避免加工時(shí)刀具換向時(shí)出現(xiàn)拖刀紋方向改變導(dǎo)致接刀痕，刀具檢測(cè)如圖3所示。

圖3 百分表檢查刀具垂直度

4.2 刀具因素分析及解決方法

裝刀過(guò)長(zhǎng)容易引起彈刀而產(chǎn)生接刀痕，數(shù)控銑削加工裝夾刀具的一般原則：①加工時(shí)盡可能縮短裝刀長(zhǎng)度，以減低彈刀風(fēng)險(xiǎn)；②加工時(shí)盡可能選擇大直徑刀具來(lái)加工，以減低彈刀風(fēng)險(xiǎn)。合理地設(shè)定裝刀長(zhǎng)度，有利于提高加工效率和減少?gòu)椀兜母怕剩诩庸み^(guò)程中，常因裝刀長(zhǎng)度不足或不注意刀柄和夾頭的避空而銑壞工件和損壞夾頭，因此刀具伸出長(zhǎng)度要考慮各種影響因素。

在殼蓋凸模加工過(guò)程中，根據(jù)加工位置的深度來(lái)確定各刀具的裝刀長(zhǎng)度。由于φ2、φ1 mm球刀僅加工料位周?chē)枰邢魅虚L(zhǎng)4.5 mm，但離中間位置較近，裝刀長(zhǎng)度需大于20 mm，選用φ4mm刀柄的刀具，非直柄刀具，符合刀具選用的原則，避免因裝刀長(zhǎng)度引起彈刀，產(chǎn)生接刀痕。

在數(shù)控銑削加工過(guò)程中，當(dāng)材料承受切削力不一致時(shí)會(huì)在同一個(gè)面產(chǎn)生接刀痕，加工時(shí)同一個(gè)面要盡量用同一把刀、從同一個(gè)方向一次性加工，這樣才能避免接刀痕。殼蓋凸模加工時(shí)需要注意加工策略，分區(qū)域合理選用刀具進(jìn)行加工，4個(gè)定位鎖和平面分型面及型腔凸出封膠平面選用φ12R0.5 mm刀具進(jìn)行加工。定位鎖具有拔模角度及底部圓角，故選用帶R角的銑刀而不選用平立銑刀，加工效果更好。曲面分型面與料位分區(qū)域加工，選用不同直徑刀具進(jìn)行加工，且分別按曲面的弧度選用合理的加工方向一次性加工，減少接刀痕的產(chǎn)生。

4.3 加工工藝因素分析及解決方法

通過(guò)對(duì)凸模數(shù)控銑削加工工藝分析可知，加工過(guò)程中換刀次數(shù)較多，精加工時(shí)因換刀導(dǎo)致的接刀痕現(xiàn)象突出，因此重點(diǎn)對(duì)加工工藝和加工參數(shù)進(jìn)行分析，提出預(yù)防和改善接刀痕方法。

（1）預(yù)留適量的精加工余量。為了保證加工零件的外觀和尺寸都達(dá)到圖紙要求，在精加工前會(huì)設(shè)計(jì)半精加工刀路，半精加工后的余量設(shè)置在0.03～0.15 mm，使精加工時(shí)的余量均勻，刀具受力均勻，切削力不會(huì)突然變化。凸模零件在φ16R0.8 mm刀具粗加工及φ8 mm立銑刀局部粗加工后，曲面或斜面的余量不均勻，故在φ6 mm球刀精加工前先用其進(jìn)行半精加工，在φ4 mm球刀精加工前先用其進(jìn)行半精加工，使精加工時(shí)切削余量均勻，加工刀路平順，得到較好的表面質(zhì)量和尺寸精度，否則精加工刀具易磨損，導(dǎo)致加工尺寸不到位和表面質(zhì)量較差。

（2）減少編程切削公差。數(shù)控編程的切削公差也會(huì)影響加工零件的精度及外觀，其是編程中不可缺少的設(shè)置參數(shù)，編程軟件的不同設(shè)置方法有所不同，可根據(jù)實(shí)際情況而定。殼蓋凸模是選用NX UG編寫(xiě)程序，編程切削公差參數(shù)內(nèi)外公差可設(shè)置為0.01 mm，設(shè)置方法如圖4所示。

圖4 切削公差參數(shù)設(shè)置

在UG加工模塊中可設(shè)置不同的“加工方法”，其編程切削公差設(shè)置有區(qū)分，可參考如下設(shè)置：①粗加工時(shí)，編程公差設(shè)置為0.03 mm；②半精加工時(shí)，編程公差設(shè)置為0.02 mm；③精加工時(shí)，編程公差設(shè)置為0.01 mm。

（3）優(yōu)化進(jìn)退刀的重疊距離。設(shè)置進(jìn)退刀的重疊值來(lái)優(yōu)化加工程序，雖然在進(jìn)退刀處會(huì)有重疊的痕跡，但可以消除設(shè)置進(jìn)退刀重疊前出現(xiàn)的凸印、接刀痕。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該殼蓋凸模進(jìn)退刀重疊距離為3.0 mm，可有效消除接刀痕，設(shè)置參數(shù)如圖5所示。例如φ8 mm立銑刀加工圓柱和加工側(cè)面時(shí)可采用“圓弧”方式，優(yōu)化進(jìn)退刀的重疊來(lái)減少接刀痕，保證加工零件表面的平順。

圖5 進(jìn)退刀重疊距離設(shè)置

（4）選擇性進(jìn)退刀。在加工零件單側(cè)有缺口或有其他填充材料時(shí)，延長(zhǎng)進(jìn)退刀線，不管是進(jìn)刀或退刀都不與工件接觸，使加工面更加平順。在該凸模零件加工中，φ12R0.5 mm刀具加工的區(qū)域?qū)儆陂_(kāi)放性區(qū)域，可以采用“線性”進(jìn)退刀方式并延長(zhǎng)進(jìn)退刀距離7 mm，大于加工刀具半徑，沒(méi)有跟工件接觸，使加工面更平順；φ6R3 mm刀具加工區(qū)域選用“圓弧”進(jìn)退刀方式，預(yù)防接刀痕出現(xiàn)。

（5）利用試刀方法檢測(cè)接刀峰值。殼蓋凸模具有形狀復(fù)雜的三維曲面，要保證其加工的尺寸精度和封膠面精度，需檢測(cè)所加工區(qū)域起點(diǎn)和終點(diǎn)位置存在的差值是否在要求尺寸內(nèi)。零件加工方向如圖6所示，使用φ6 mm球刀對(duì)曲面分型面精加工，余量為-0.02～-0.01 mm，加工工件的長(zhǎng)邊尺寸小于600 mm時(shí)，余量采用-0.01 mm，超出600 mm時(shí)，余量采用-0.02 mm，該凸模零件加工區(qū)域不大，余量采用-0.01 mm。調(diào)整前后加工如圖7、圖8所示。

圖6 加工方向

圖7 調(diào)整前曲面

圖8 調(diào)整后曲面

（6）試切調(diào)整刀具高度。根據(jù)殼蓋凸模的加工工藝流程可知，要完成凸模的加工需要更換不同直徑的刀具，為了減少數(shù)控銑削機(jī)床操作員的對(duì)刀誤差，減少出現(xiàn)接刀痕及累積誤差，在精加工前先以分型面的一小部分位置試刀（非封膠位置）。運(yùn)行試切刀路時(shí)，機(jī)床操作員先升高0.02～0.05 mm進(jìn)行試切，根據(jù)試切實(shí)際情況，試切刀路逐層銑削至平面分型面后，才正式運(yùn)行該刀具的精加工程序，避免對(duì)刀誤差導(dǎo)致工件加工不合格。

刀具試切程序如圖9所示，分別是φ4、φ2、φ1 mm球刀的試切刀路，需要先提高試切刀路再逐步接順后，刀具才能運(yùn)行對(duì)應(yīng)的加工刀路，這能有效減少因換刀對(duì)刀誤差產(chǎn)生的接刀痕，也能避免過(guò)切的情況出現(xiàn)。

圖9 刀具試切程序

（7）分型面接刀痕預(yù)防策略。分型面的尺寸精度需達(dá)到圖紙要求，封膠位置的分型面加工尤其重要。該殼蓋凸模的分型面有平面部分和曲面部分，兩者的交接位置應(yīng)平滑過(guò)渡，避免接刀痕或過(guò)切情況。為了得到更好的加工效果，可采用以下加工策略。

平面分型面連著曲面分型面的精加工，如圖10所示，平面精加工刀可在其交接處留5～10 mm不加工（距離視加工零件大小而定），以作為球刀的參照面；精加工曲面分型面時(shí)，其加工范圍要大于預(yù)留平位，并選其一小塊作為試切刀路，具體方法如圖11所示。試切小塊后，因之前球刀長(zhǎng)度補(bǔ)償已升高0.05 mm，用百分表測(cè)出球刀加工的平面和之前已加工的平面分型面之間的級(jí)差，再降回級(jí)差數(shù)開(kāi)始加工曲面分型面。

圖10 精加工平面分型面

圖11 精加工曲面分型面

5 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)控銑床加工過(guò)程中，精銑換刀出現(xiàn)接刀痕，精銑側(cè)面出現(xiàn)接刀痕等現(xiàn)象，而解決數(shù)控銑削加工零件表面接刀痕問(wèn)題的關(guān)鍵是機(jī)床設(shè)備狀態(tài)的穩(wěn)定性，并通過(guò)合理設(shè)置加工工藝和加工參數(shù)、選用合適的銑刀直徑和進(jìn)退刀方式，更換小刀具進(jìn)行精加工前試切、合理裝刀長(zhǎng)度等方法解決接刀痕問(wèn)題。通過(guò)不斷優(yōu)化加工過(guò)程和改進(jìn)設(shè)備技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)工件品質(zhì)缺陷的預(yù)防，才能有效提高工件加工質(zhì)量。