殼蓋凸模數控銑削接刀痕的預防與改善

陳佩娜， 劉俊英， 饒敏強

（廣州市交通運輸職業學校， 廣東 廣州 510440）

0 引 言

數控技術及數控銑床在機械制造業中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業現代化中的戰略性作用，并已成為傳統機械制造工業提升改造和實現自動化、柔性化、集成化生產的重要方式。數控銑床在模具企業應用廣泛，是現代模具加工車間重要的裝備之一。數控銑床的加工功能強，數控銑削工藝較復雜，數控銑床除了具備普通銑床的功能外，還具備靈活性和適應性，可加工有復雜輪廓、三維空間曲面的零件，如殼體類零件和模具類零件加工；可加工高精度零件，使用CAM軟件自動編程，提高復雜輪廓或曲面的加工精度。數控銑床加工自動化程度高、加工效率高，可減輕操作者的勞動強度，減少人為操作誤差和失誤。

隨著制造設備和工具技術的發展，模具制造方式具有多樣化，如采用數控銑床、多軸加工中心、電火花、線切割等技術，更有利用3D打印技術進行制造（隨形冷卻水路模具、鑲件等）。特別是塑料模對模具零件表面質量要求高，一些大型汽車塑料模零件在數控銑削后需要打磨。由于數控銑削加工過程中換刀、機床等因素影響，導致加工的工件表面出現明顯的接刀痕，對模具零件生產質量產生影響。零件表面接刀痕是由加工過程中刀具的切削所引起的痕跡，通常出現在2個曲面之間。因此找出其影響因素并逐一排除，通過工藝優化等途徑預防和改善接刀痕具有重要意義。

1 問題產生

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

圖1 殼蓋凸模二維結構

殼蓋凸模結構復雜，具有形狀復雜的三維曲面，如圖2所示。凸模分型面由平面和曲面構成，共有3處碰穿面（圓柱頂面），側面有7處封膠插穿面；四角有4個定位鎖。數控加工分型面時，平面和曲面因選用不同的刀具加工，換刀加工時容易產生接刀痕。凸模料位有多個曲面，中間最高面離平面分型面為22 mm，料位級差為18.55 mm，底部有R2 mm圓角，外圍周邊底部有R0.5 mm圓角；7處插穿面因為是直角，銑削加工不能完全加工到位，需要單獨使用局部電極進行電火花加工清角，不采用整體電極是為了降低電極成本，避免效率低的加工。根據凸模的結構形狀和工藝要求，除了電極加工區域，凸模大部分區域在數控銑床上進行精加工至圖紙尺寸。但在銑削加工時，由于設備、刀具、工藝參數等因素影響容易出現接刀痕的問題，導致凸模的加工效果不良，甚至產生過切現象。

圖2 殼蓋凸模三維結構

2 產生接刀痕的因素

造成數控銑床加工的零件表面出現接刀痕的原因較多，如設備、刀具、加工的方式、加工參數等因素，只要出現失效情況都可能出現接刀痕。

2.1 設備因素

數控銑床的主軸絲杠副與軸承存在間隙，導致徑向跳動上升，在加工進給換向時，其受力出現變化，主軸間隙釋放產生竄動，引起過切。

X、Y、Z軸導軌副間存在間隙，銑刀在加工軌跡換向時切削力改變，造成絲桿震動，機床存在竄動，形成接刀痕。Z軸與工作臺有垂直度誤差，當刀具切削換向時，拖刀紋方向改變而產生接刀痕。

2.2 刀具因素

因刀具因素如刀桿剛性差、裝刀過長引起徑向跳動大等而引起過切情況，刀具在加工過程中出現刀刃黏屑或積屑瘤現象，加工軌跡改變時出現接刀痕。

2.3 工藝因素

工藝安排不合理也會出現接刀痕，如刀具直徑選擇、加工參數設置、刀具進退刀方式等是否合理。當面銑時刀具直徑不夠大，交叉采用順銑和逆銑加工，加工的平面出現接刀痕比較明顯。

3 殼蓋凸模的加工工藝設計

殼蓋凸模的材料是738模具鋼（相當于國內材料3Cr2NiMnMo，屬于預硬化塑料模具鋼），毛坯尺寸為220 mm×180 mm×82.5 mm。根據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 凸模數控銑削加工流程

4 問題分析及解決方法

4.1 設備因素分析及解決方法

預防接刀痕產生還需了解加工的機床設備狀態，檢測機床主軸的垂直度、裝夾夾具（平口鉗）的平行度以及機床絲桿情況等。機床主軸的垂直度檢查可選用“球桿儀”和軟件進行檢測判斷。

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

裝刀過長容易引起彈刀而產生接刀痕，數控銑削加工裝夾刀具的一般原則：①加工時盡可能縮短裝刀長度，以減低彈刀風險；②加工時盡可能選擇大直徑刀具來加工，以減低彈刀風險。合理地設定裝刀長度，有利于提高加工效率和減少彈刀的概率，但在加工過程中，常因裝刀長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，因此刀具伸出長度要考慮各種影響因素。

在殼蓋凸模加工過程中，根據加工位置的深度來確定各刀具的裝刀長度。由于φ2、φ1 mm球刀僅加工料位周圍，需要切削刃長4.5 mm，但離中間位置較近，裝刀長度需大于20 mm，選用φ4mm刀柄的刀具，非直柄刀具，符合刀具選用的原則，避免因裝刀長度引起彈刀，產生接刀痕。

在數控銑削加工過程中，當材料承受切削力不一致時會在同一個面產生接刀痕，加工時同一個面要盡量用同一把刀、從同一個方向一次性加工，這樣才能避免接刀痕。殼蓋凸模加工時需要注意加工策略，分區域合理選用刀具進行加工，4個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域加工，選用不同直徑刀具進行加工，且分別按曲面的弧度選用合理的加工方向一次性加工，減少接刀痕的產生。

4.3 加工工藝因素分析及解決方法

通過對凸模數控銑削加工工藝分析可知，加工過程中換刀次數較多，精加工時因換刀導致的接刀痕現象突出，因此重點對加工工藝和加工參數進行分析，提出預防和改善接刀痕方法。

（1）預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到圖紙要求，在精加工前會設計半精加工刀路，半精加工后的余量設置在0.03～0.15 mm，使精加工時的余量均勻，刀具受力均勻，切削力不會突然變化。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行半精加工，在φ4 mm球刀精加工前先用其進行半精加工，使精加工時切削余量均勻，加工刀路平順，得到較好的表面質量和尺寸精度，否則精加工刀具易磨損，導致加工尺寸不到位和表面質量較差。

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

圖4 切削公差參數設置

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

（3）優化進退刀的重疊距離。設置進退刀的重疊值來優化加工程序，雖然在進退刀處會有重疊的痕跡，但可以消除設置進退刀重疊前出現的凸印、接刀痕。經過試驗，該殼蓋凸模進退刀重疊距離為3.0 mm，可有效消除接刀痕，設置參數如圖5所示。例如φ8 mm立銑刀加工圓柱和加工側面時可采用“圓弧”方式，優化進退刀的重疊來減少接刀痕，保證加工零件表面的平順。

圖5 進退刀重疊距離設置

（4）選擇性進退刀。在加工零件單側有缺口或有其他填充材料時，延長進退刀線，不管是進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刀具加工的區域屬于開放性區域，可以采用“線性”進退刀方式并延長進退刀距離7 mm，大于加工刀具半徑，沒有跟工件接觸，使加工面更平順；φ6R3 mm刀具加工區域選用“圓弧”進退刀方式，預防接刀痕出現。

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

圖6 加工方向

圖7 調整前曲面

圖8 調整后曲面

（6）試切調整刀具高度。根據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，為了減少數控銑削機床操作員的對刀誤差，減少出現接刀痕及累積誤差，在精加工前先以分型面的一小部分位置試刀（非封膠位置）。運行試切刀路時，機床操作員先升高0.02～0.05 mm進行試切，根據試切實際情況，試切刀路逐層銑削至平面分型面后，才正式運行該刀具的精加工程序，避免對刀誤差導致工件加工不合格。

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，刀具才能運行對應的加工刀路，這能有效減少因換刀對刀誤差產生的接刀痕，也能避免過切的情況出現。

圖9 刀具試切程序

（7）分型面接刀痕預防策略。分型面的尺寸精度需達到圖紙要求，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，兩者的交接位置應平滑過渡，避免接刀痕或過切情況。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，其加工范圍要大于預留平位，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，因之前球刀長度補償已升高0.05 mm，用百分表測出球刀加工的平面和之前已加工的平面分型面之間的級差，再降回級差數開始加工曲面分型面。

圖10 精加工平面分型面

圖11 精加工曲面分型面

5 結束語

在數控銑床加工過程中，精銑換刀出現接刀痕，精銑側面出現接刀痕等現象，而解決數控銑削加工零件表面接刀痕問題的關鍵是機床設備狀態的穩定性，并通過合理設置加工工藝和加工參數、選用合適的銑刀直徑和進退刀方式，更換小刀具進行精加工前試切、合理裝刀長度等方法解決接刀痕問題。通過不斷優化加工過程和改進設備技術，加強對工件品質缺陷的預防，才能有效提高工件加工質量。