型腔模具加工工藝設計

沈則亮 劉永貴 韓忠冠

（①安徽機電職業技術學院機械工程系，安徽 蕪湖241000；②蕪湖佰仕達模具有限公司，安徽 蕪湖241000）

目前，高速銑削（HSM）與電火花加工（EDM）是型腔模具加工的主要手段，現以典型零件為例，分析選擇加工方法的影響因素，研究型腔模具加工工藝設計方法，提出綜合運用HSM與EDM的設計方案，提高加工質量與生產效率。

1 HSM與EDM在模具加工中的應用綜述

隨著高速銑削技術的成熟和發展，高速銑削逐漸成為模具的重要加工工藝手段。在模具的加工過程中，高速銑削可以加工各種可切削材料，加工鋼的硬度可達62 HRC，加工質量與效率高，尺寸精度10～20 μm，能夠達到的最小表面粗糙度Ra0.1μm，但加工模具幾何形狀受深度和半徑限制，加工型腔時刀具長徑比≤10，底部四角半徑R≥0.3 mm，壁部圓角半徑R≥1.0 mm。電火花加工可加工各種導電材料且硬度不受限制，尺寸精度10～20μm，模具幾何形狀不受限制，加工槽深取決于電極的制造，但加工效率低。由此可見，在型腔模具加工中，高速銑削加工可以直接加工比較平坦的淺型腔，質量高、效率高。對于模具的復雜型面、深窄小型腔、尖角、窄縫、溝槽、深坑等處的加工，必須由電火花加工完成。高速銑削可以為電火花加工去除更多的加工余量，使放電加工時電極與工件的加工面均勻放電，電極損耗均勻，從而提高加工效率。因此，綜合運用HSM與EDM進行型腔模具的加工，是必然的趨勢。

2 工藝分析及工藝設計

工藝方案制定主要取決于模具的材料及性能、型腔的尺寸精度及表面粗糙度、模具的形狀、加工效率以及現有的機床設備等。如圖1所示注塑模具鑲件，材料為DIEVAR模具鋼，淬火后硬度52 HRC，主要加工表面的尺寸公差為±0.01 mm，深4 mm的兩溝槽相對對稱中心的位置尺寸為±0.04μm，溝槽及型腔表面粗糙度值為Ra0.4μm，其中型腔壁部圓角半徑R0.05 mm。

根據零件的技術要求分析，高速銑削可以完成加工零件大部分加工表面，通過電火花加工型腔及清角，最后拋光處理保證零件的表面粗糙度。具體工藝方案如表1所示。在此工藝方案中，高速銑削和電火花加工是關鍵工序，現簡述如下。

表1 注塑模具鑲件工藝方案

2.1 高速銑削加工工序

本案例加工使用MAKINO V33機床，整體硬質合金刀具，平口虎鉗裝夾工件，在一次裝夾中加工完成該工序所有內容。在該工序中共加工Ⅰ～Ⅷ加工區域，如圖2所示。不同的加工區域采用不同的加工方式，使用不同直徑的刀具分多次加工完成各道工步。

合理確定加工工藝策略，將工序劃分為粗銑、半精銑、精銑三個工步，并合理確定每個工步的銑削方式、走刀方式以及進退刀方式。利用Machining Strategist 6.1編程軟件，采用順銑、螺旋斜向進退刀方式加工，針對不同的加工區域采用不同的走刀方式，粗銑采用粗加工刀具路徑加工，半精銑、精銑時，Ⅰ～Ⅲ、Ⅷ溝槽側面及Ⅴ型腔、Ⅵ圓弧面采用等高線刀具路徑，水平面采用水平區域刀具路徑加工，采用球頭銑刀銑削Ⅳ、Ⅶ圓弧槽。當球頭銑刀的中心銑削時，銑削的速度為零，從而它的銑削速度無法演算，現場加工會變慢，加工精度降低。為避免這一現象發生，在設計工藝策略時，將圓弧槽面分成兩部分，其中側面采用等高線刀具路徑加工，底面采用平行等寬刀具路徑加工，如圖3所示。

采用硬質合金涂層刀具對DIEVAR模具鋼進行高速銑削實驗結果表明，切削參數對工件表面粗糙度值的影響趨勢為：主軸轉速提高，零件表面粗糙度值下降；切削深度和進給速度增大，表面粗糙度值增大。綜合考慮機床、刀具、工件材料等因素，加工工步及工藝參數如表2所示。

2.2 電火花加工工序

使用D7140電火花成形機床完成型腔的加工，采用EROWA夾具裝夾電極，將工件放置于永磁吸盤臺面，用千分表校正工件基準面與機床軸移動的平行度。利用基準球四面分中進行間接定位。由于在前道工序中通過高速銑削已完成型腔輪廓的加工，留有0.05 mm的加工余量，可以用一根電極來完成加工，通過機床專家系統設定加工規準，放電間隙取0.1 mm。問題的關鍵在于電極的設計與制作。

對電極的要求主要包括材料、縮放尺寸、精度、表面粗糙度等方面。利用Pro/Engineer Wildfire 4.0軟件拆解電極，采用30 mm×30 mm×50 mm純銅作為電極材料，結構設計如圖4所示，單邊縮放量取0.1 mm，尺寸公差取型腔尺寸公差的一半，即0.01 mm。為防止電極基準臺底部與工件頂部碰穿，在深度（Z）方向應避空，設計電極時，電極基準臺底面與電極底面的尺寸大于型腔深度18 mm。用高速加工中心制作電極，采用EROWA夾具，通過四面分中保證高速加工中心主軸頭與EROWA卡盤同心，通過數控加工程序保證電極基準臺的中心與EROWA卡盤同心。電極表面粗糙度在一定程度上決定了加工出工件的表面粗糙度，精修拋光保證電極加工部分表面粗糙度Ra0.4μm。

表2 高速銑削加工工步及工藝參數

3 結語

綜合應用高速銑削（HSM）與電火花加工（EDM）是現代模具制造的重要方向，如何合理使用HSM銑削加工與EDM放電加工型腔模具，充分發揮各自優勢，提高加工質量和縮短制造周期，提高生產效率，是模具加工的重要課題。實際生產結果表明：在本案例中，根據零件的技術要求，合理安排HSM與EDM加工工序加工該零件，取得了較好的效果。

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