汽车覆盖件模具加工中的刀具选择
2013-4-6 来源： 作者：
随着新型刀具的不断推出以及模具材料的不断变化，切削参数也在不断变化，另外。由于不同机床的结构不同，切削参数也不同。在汽车覆盖件模具加工过程中，3+2（五面体）的加工方式是刀具及机床发挥其功能的极佳方式。 在汽车模具数控加工过程中，由于覆盖件模具的特殊性和复杂性以及3轴数控机床无法根据零件表面曲率的变化调整加工角度，使得刀具在不同的加工角度下，切削的线速度始终在变化，无法达到理想的状态。当垂直角度加工时，球头刀的切削点线速度为零，且在刀尖点附近切削线速度也很低，影响模具的表面质量；另外，在加工深型腔的模具时，则需要加长刀具来进行切削。以北汽福田汽车股份有限公司潍坊模具厂的实际加工为例，加工前罩板拉延模具的过程中出现的主要问题有：
□切削后的型面的表面粗糙度不均匀；
□侧面加工时产生了让刀现象，导致侧面间隙变小；
□刀具在频繁的线速度变化中提前磨损；
□由于刀具的加长使其切削刚性不足而导致整体刚性下降，引起机床颤动，在变型区出现刀具颤动后产生的凹坑、麻点；
□一些区域受刀具长度限制而难于加工，甚至不能加工；
□一些修边模的刃口及型面因热处理而产生变形，导致难以加工；
□一些盆型的深型腔的模具用球头刀加工时，效率低下。
刀具及加工参数的选择原则
人们通常的思维中有一个误区，那就是人们更关心数控机床的转速，而往往忽略了刀具的额定线速度。实际上，每种刀具都有其适宜的加工范围，其线速度是一定的。以最常用的SANDVIK硬质合金球头刀为例，我们根据多年的实践经验总结出了较适合本厂情况的加工区域(见图1)。
从图中可以看出，直径为20mm的球头刀的线速度为200～300m／min时，其适宜的机床转速在5000～7000r／min之间，而这个线速度已接近该刀具的最高线速度了，因此，刀具的选择应当在转速和线速度之间找出最佳值，使刀具寿命和加工效率达到最理想的状态。
图1 SANDVIK 球头刀的加工区域图
当然，选择各类涂层刀具可在相同的线速度时提高刀具的寿命，特别是对一些硬度较高的模具，另外，选择陶瓷刀具可提高刀具的线速度，但由于其脆性等因素在模具加工中用量较少。
刀具切削直径分析
刀具线速度的计算公式为：
Vc=∏?w?/l000其中：Dw为刀具的切削直径；Vc为切削线速度；n为主轴的转速。
一般来说，刀具的直径不同于刀具的切削直径。平头刀的切削直径接近于刀具直径，这样在选择切削参数时，可参照刀具供应商提供的刀具手册；而对于在模具加工中常用的球头刀，则因加工深度和切削角度不同，刀具切削直径和刀具外径相差很大(见图2)，当直径为20mm的球头刀切削深度为4mm时，刀具的切削直径只有16mm，为刀具外径的80％。
通过分析，我们设想要达到理想的切削效果，就必须尽量提高刀具的切削直径，进而提高切削速度，以提高加工效率和加工质量，另外，包括对淬火后型面及刃口等的加工，我们采取了改善刀具加工的角度和选择合理的刀具种类等方式。
图2直径为20mm球头刀的切削直径
改善刀具的加工角度
1、五轴联动加工
五轴联动机床可以根据不同的切削角度来调整刀具的倾斜角度以使切削线速度基本恒定，始终保持理想的切削速度，其优点可概括如下：
□减小刀具长度，提高了加工刚性
□可获得较均匀的表面粗糙度
□使用相对低的转速，达到理想的切削效果；
□可保持较佳的切削线速度；
□可加工三轴数控机床难以加工或无法加工的深型腔模具。
但是，在实际加工过程中，我们也发现五轴联动加工也存在一 些缺点：
□CAM编程序时，计算时间长、工作量大：
□由于是五轴联动，A、C头转动也需要时间，从而降低了加工效率；
□五轴联动还要考虑是否产生了一些新的加工干涉；
□由于A、C头始终处于非夹紧状态，降低了加工的刚性；
□操作人员干预性较差。
2、3+2的加工方式
所谓“3+2(五面体)”的加工方式是指A、c头根据不同型面的需要转到一定的角度，然后锁紧进行加工，当加工完某一区域后，再根据需要调整A、C头的角度。要实现300mm／min的切削线速度，0度倾角时需要14000r／min的转速，而30度倾角时只需要6500r／min的转速就可达到相同的切削线速度。
概括起来，3+2(五面体)的加工方式具有以下优点：
□可根据不同的型腔采用不同的加工倾角，使倾角加工实现了较理想的切削直径，从而获得较佳的线速度（见表）；
□可实现一个工件分不同区域采用多方向、多角度的加工，例如在加工前罩板拉延模凹模时，共分了9个区域进行加工，取得了良好的效果；
□可使操作人员根据实际情况随时灵活调节加工角度；
□由于A、C头的锁紧而增加了整体的刚性，从而获得了理想的间隙；
表为直径20mm球头刀在不同倾角下的切削直径
□由于转速相对较低，可用普通刀柄代替平衡刀柄，降低加工费用。
选择合理的刀具种类
对于一些淬火后产生变形的修边模刃口，我们采用的方法是淬火前留下0.3mm的余量，淬火后采用大螺旋角六刃的超硬刀具加工，如日立的CEPR6200-TH-20-HHE及SANDVIK的R215.3A-10030-BC22H-1010(见图3)，切削参数为：刀具直径为20mm、转速为1600r／min、进给速度为600mm／min、加工材料为7CrSi和Crl2MoV等、硬度在HRC55以上，取得了良好的效果。
在型面较平缓的表面或固定截面(等高线)的表面加工时，利用平刀或成形刀具，如长鼻端铣刀等，也能获得很高的线速度(见图4)，从而达到良好的切削效果。这类刀具特别适用于深盆腔型模具的固定截面(等高线)的加工。
对于那些型面淬火后变形的模具，我们采用带有立方氮化硼涂层材料CBN的硬质合金刀片来加工，实际加工效果也很理想，其线速度可达500m／min以上。
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