復雜型面注塑模具高光高效精密切削實驗研究*

陳志平

（廣東科龍模具有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引言

隨著家電、汽車產業塑料產品應用范圍的不斷擴大及產品功能或者美學上的需求，對產品造型、外觀及精度要求越來越高。這些產品上的塑料零件通常包含有不斷增多的三維不規則自由曲面且日趨復雜，則相應地對成型塑料產品的注塑模具提出了越來越高的要求，要求模具型腔零件精度及表面質量高，且模具制造周期要求越來越短。傳統的復雜型面模具零件加工方法以普通數控銑削加工加電火花加工為主，后續進行人工拋光處理[1－2]。這種傳統方法導致零件加工質量不穩定、加工周期長、生產效率低。當前，探索精密高效的復雜模具型面加工新方法已成為模具制造行業的熱點問題。因此，研究注塑模具復雜型面的高光高效加工方法十分必要。

高速銑削加工是一種隨著數控機床主軸轉速和進給速度大幅度提高而逐漸發展的新型制造技術[3]。通過小切深量、高主軸轉速（15 000~50 000 r/min）和高進給速度的方式進行加工，不僅能提高單位時間的金屬去除率，還能有效降低加工過程的銑削力[4－5]。此外，高速銑削可直接將熱處理硬化后的工件加工至最終尺寸，從而實現“以銑代磨”或“以銑代放電”來提高加工效率和加工質量[6]，減少復雜精密注塑模具后續拋光工序的工作量。因此，高速銑削加工技術已逐漸成為實現復雜模具型面精密高光、高效加工的重要手段。

對于模具高速加工，高速數控機床、適合于高速加工的刀具、高速加工工藝是關鍵的三要素。根據目前國內模具制造現狀，高速數控機床和高性能的切削刀具日益增多，為高速加工技術應用于模具復雜型面加工提供了可能[7]，但適合于機床、被加工材料，刀具的加工工藝還不成熟，沒有形成比較系統的工藝標準。目前，大多國外提供的高速切削加工工藝技術參數是根據國外的設備、刀具、材料試驗確定的，按其工藝加工往往不適合國內實際情況，效果差別比較明顯。因此，需要根據國內實際情況，針對企業實際模具材料，選取合適的機床、刀具進行工藝試驗，取得比較滿意的工藝參數，形成一套適合于本企業的高速加工工藝技術規范。

本文以產品外觀要求高且型面復雜的空調面板模具為實驗研究對象，對復雜精密高光高效切削加工進行了實驗研究，在保證模具零件型腔加工精度、表面光潔度的前提下，得出了合理的切削參數，提高了切削效率。

1 可行性分析

可行性分析如下。

（1）當平面銑削時，選用較小的或者零度副偏角，精加工刀具應取較小的或零度副偏角，以增加副切削刃對工件已加工表面的修光作用[8－9]。

（2）采用修光刃刀片，由于刀體和刀片存在制造誤差，端刃的端面跳動將導致已加工表面粗糙度升高，平面銑削安裝修光刃刀片，可起到修光作用，提高工件表面質量。

（3）球頭銑刀和圓弧銑刀進行輪廓加工時，加工表面粗糙度理論值為[10]：

式中：Ry為加工表面粗糙度理論值；fr為周期進給量；R為球頭刀半徑或圓角刀圓角半徑。

從式（1）可以看出，加工表面粗糙度理論值是fr的單調增函數，減少周期進給量可降低表面粗糙度，如圖1所示。

圖1 球頭銑刀粗糙度理論值

（4）高光銑削刀具的刃口較寬，并采用較小的前角或者是負前角以及接近0°的刃傾角。當高光銑削加工時，刀具一方面進行高速切削，另一方面由于刀具前角很小，因此刀具的刃口對被加工表面形成了刮削和擠壓效應，使工件表面獲得了很高的光潔度，同時產生了硬化層，提高了工件的表面硬度和使用的耐磨性。刀具的幾何形狀除與工件的幾何形狀有關外，主要取決于工件材料的物理特性、機床、裝夾系統的剛度[11]。

2 刀具選擇

（1）球刀某品牌FW高性能通用加工系列

鐵灰色的ALoCa－3涂層（涂層材料為AlTiSiN），瑞士納米涂層技術，耐磨，抗氧化，熱穩定性能、潤滑性能優異；獨特切削刃設計，兼顧刃口強度和鋒利性，抗崩缺，更耐磨；適用于仿形銑削，可做高速加工；適用于HRC55度以下的鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、預硬鋼、淬硬鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵。

（2）圓鼻刀FG－TNU系列

實驗采用某品牌FG－TNU系列圓鼻刀，采用瑞士納米涂層技術，耐磨，抗氧化，熱穩定性能、潤滑性能優異。

3 實驗與數據分析

選用某高速加工中心加工某空調面板注塑模具零件，加工效果如圖2所示。

圖2 模具高光高效精密切削實驗零件

（1）某品牌FW型球刀切削效率實驗

實驗材料為NAK80，刀具為某品牌FW型球刀，加工零件弧面。實際切削效率為單位時間內去除零件材料的體積，計算公式為切削效率＝加工面積×半精余量/加工時間。經過數據處理，平均基準切削效率為18.5 mm3/min。經過高速切削實驗，加大轉速和進給速率對切削效率影響明顯，優化后的平均切削效率為22.7 mm3/min，效率提高22.7%，具體如表1所示。

表1 FW型球刀切削效率實驗數據

（2）某品牌FG－TNU型圓鼻刀切削效率實驗

實驗材料為NAK80，刀具為FG－TNU型圓鼻刀，加工零件側壁等。實際切削效率為單位時間內去除零件材料的體積，計算公式為切削效率＝加工面積×半精余量/加工時間。經過數據處理，基準切削效率為28.0 mm3/min。經過高速切削實驗，加大轉速和進給速率對切削效率影響明顯，優化后的平均切削效率為33.2 mm3/min，效率提高18.6%。具體如表2所示。

表2 某品牌FG－TNU型圓鼻刀切削效率實驗

根據零件檢測報告數據，滿足加工精度在0.02 mm以內的實際需要，零件表面粗糙度為Ra0.8，滿足模具使用要求。

（3）加工后拋光實驗

某品牌FW型球刀加工后拋光效率如表3所示。

表3 某品牌FW型球刀加工后拋光效率

某品牌FG－TNU型圓鼻刀加工后拋光效率實驗數據如表4所示。

表4 某品牌FG－TNU型圓鼻刀加工后拋光效率實驗數據

根據表3拋光效率實驗數據顯示，某品牌FW型球刀高速加工零件弧面后進行拋光，由于切削加工表面光潔度的提高，單位（Wmm2）面積拋光時間由原來的1.23 h降低到0.83 h，拋光效率提高32.5%。

根據表4拋光效率實驗數據顯示，某品牌FG－TNU型圓鼻刀高速加工零件側壁后進行拋光，由于切削加工表面質量的改善，單位（Wmm2）面積拋光時間由原來的1.67 h降低到1.51 h，拋光效率提高9.6%。

4 結束語

本文實驗以型面比較復雜、表面質量要求的空調面板注塑模具為研究對象，采用國產某品牌FW型球、FG－TNU型圓鼻刀，針對企業比較常用的NAK80模具鋼材料進行了切削實驗。實驗表明，在滿足加工精度（0.02 mm以內）、表面粗糙度（Ra0.8以內）情況下，通過實驗優化得出了合適的切削參數和刀具選型。在滿足模具零件高光的要求下，通過提高機床轉速和進給速度使用高速切削技術，切削效率得到大幅提高。同時，由于精加工表面質量的改善，后序拋光效率也大幅提高，達到了滿意的效果，初步實現了復雜模具零件加工的高光高效，為高速加工技術應用于模具零件加工積累了一定的企業技術基礎。