摘要：模具采用铸钢材质后，由于其材质过硬导致数控设备加工效率降低，且刀具磨损严重。钢件深腔结构部分加工使用传统的数控加工方法更显得力不从心。本文阐述将数控插铣加工技术合理地应用到轿车侧围压料板模具钢件加工中。利用CATIA软件的造型功能，将不规则深腔结构面改造成易于编程和数控加工的加工数模，编写合理的数控加工程序。进行现场数控加工试验结果表明，采用数控插铣加工技术提高了加工效率，降低了刀具磨损，进一步缩短了模具制造周期。数控插铣加工技术已在本公司推广使用。

      1、 模具数控插铣加工技术

  
     1.1 加工原理

  
      数控插铣加工技术是一种特殊的数控铣削加工方式，亦称为Z 轴法向铣削加工法。其原理为刀具沿着刀轴方向连续往复地进行加工，同时快速且大量地去除工件毛坯余料。能够进行比较深的靠死面或型腔内导滑面等典型模具结构面的加工。当加工难以加工的曲面、切槽、具有较深的立壁和腔体的模具结构时，需要去除大量的毛坯余料，此时插铣加工比常规的水平分层铣削加工、型腔螺旋铣加工方式更为有效。

      1.2 轿车侧围压料板模具件的加工方案轿车侧围压料板模具件结构中，如深腔导板面、空开面及镶块的安装面等，使用常规加工方法时出现机夹刀具刀片碎裂现象，造成频繁更换刀片，使数控加工成本增加、加工效率降低。由于此次加工轿车侧围压料板模具为钢件（国外为铸钢件），材料标牌号为1.2769S，在此之前没有此类铸钢件的加工经验，在数控编程和数控加工方面难度也比较大。经过试切加工、分析、研究制定了改进的编程方法，确定采用插铣加工方案。

     2、 模具钢件插铣编程改进

     模具结构的2D 编程插铣主要利用catia 软件实现，在单一、直立面上非常容易实现插铣功能，见图1。但如果在图2 中标记区域的空开曲面上实现插铣加工必须解决如下问题。

      
      图1

     
      图2
 
      a.将曲线或曲面拟合成单一曲面（图3）。

       
      图3
 
      b.加工切入角度与被切削的加工面夹角＞120°（图4）。

     
      图4
   
      c.不能出现夹刀现象即两面切削（图5）。d.被切削面的夹角半径值R 值要大于插刀半径+余量（1mm）+粗加工刀具在直径方向上刀片安装误差（2mm）。例如，满足Φ63 mm 插刀粗精加工面最小夹角半径值R＝63/2+1+2/2＝33.5 mm，即Φ63 mm 插铣刀具曲面加工最小拐角半径应大于34 mm，见图6。

       
      图6

      e.如果结构设计小于d 所述最小加工拐角半径，粗插加工此类模具结构前必须先清除图7所示大于插刀在安装窝拐角部位的切点。
   

      图7

      在进行轿车左右侧围压料板模具钢件的加工时，图8所示正件轨迹部分采用插铣加工方式，垂直度维持在0～0.03 mm，精加工时间约为2.5 h，钳工研修量较小，较容易装配。反件则利用Φ40 mm，切削刃长度为200 mm 的焊接导板刀沿轮廓加工的方式进行精加工，精加工时间约为2.5 h。精加工后测量其垂直度约0.1 mm，钳工装配研修量较大，装配较困难。

      图8

      本文认为，加工较大较深的深腔靠死面和导板面的模具结构时，应采用插铣加工方法。

      3 、确定插铣加工参数

  
      3.1 第1 次加工试验
   
      由于SNK 数控加工中心主轴功率较小，如进行模具钢件的插铣加工，采用铸铁件跨步插铣加工参数显然较大，也不利于机床的正常加工。所以，初步确定粗插加工参数跨步为5 mm，半精插和精插加工参数不变，进行编程加工试验。

       对图9 右侧所示加工轨迹（镶块安装窝）进行粗插加工，选择参数：转速600 r/min、进给速度780 mm/min、跨步5 mm。加工试验表明，经常出现插刀刀片损坏甚至折断现象。对参数进行简单调整后，插刀刀片损坏频率没有下降。重新调整参数：转速420 r/min、进给速度230 mm/min，机床切削过程稳定，刀片损坏频率大幅降低。加工完成时间为5 h 。由于频繁更换刀片并进给速度较慢使加工效率较低。分析认为试验失败原因是为插铣加工跨步较大。

    
      3.2 第2 次加工试验

       由于第1次试验刀片损坏较频繁，决定将跨步改为4 mm后再次进行加工试验，见图10。

      插铣加工参数：转速600 r/min、进给速度600mm/min、跨步4 mm。试验结果显示，机床切削时存在轻微振动，并出现插刀刀片损坏甚至折断现象。将参数调整至转速480 r/min、进给速度390 mm/min后，机床切削加工过程接近正常，但切削加工时间仍约2 h，加工时间较长，效率也不高。分析认为，由于插刀底刃为平刃，存在切削阻力，且插刀刀片为铸铁材料。分析认为换成铸钢材料插刀刀片和带有角度的插刀刀头（图11）效果应好些。

         
        图 9

        
  
        图10

        图11

   
      3.3 第3 次加工试验
  
   
      鉴于前2 次试验的经验，编制程序时将跨步改为3 mm，并对数控机床加工参数进行调整，对图12 所示轨迹部分进行试验加工。

      试验结果显示，机床轻微振动、切削平稳、刀片磨损较轻、切削效果较好、效率较高。通过插铣加工试验得出适合钢件插铣加工的试验数据（表1）

  
        表1

         
        图12

        4 、模具钢件插铣加工效率验证

  
       4.1 典型钢件测试1
  

       采用标牌号为1.2769S的铸钢材料。轿车左右侧围件模具钢件加工现场跟踪如下。图13 所示自上而下分层加工的编程轨迹，由直径均为40 mm、不同长度的各种刀具，并由操作者监控完成试验加工。加工过程中根据经验不定时地更换刀片。加工试验表明，达到了刀具加工平稳、机床轻微振动、工件留量均匀的效果，属常规的加工方法。但此方法存在主轴承受径向切削力较大、加工时间较长（约15 h）、频繁更换刀片、加工成本高，操作者劳动强度大等缺点。

      图13

      采用Φ63 mm、固定刀长L 为400 mm的插铣刀对图14所示轨迹范围进行加工。加工过程中根据经验不定时地检查刀片磨损情况。加工时间约2.5 h，并由一组刀片加工完成。试验表明，加工过程平稳、机床轻微振动、可承受径向较大的加工余量、自上而下地进行加工无需克服重力；刀片磨损较小，加工成本较低，与前者相比效率较高。典型钢件测试1的对比结果表明，模具加工中对较高的镶块安装靠死面、较深导板导滑面或空开等的加工，为保证垂直度在0～0.03 m之内并达到降低成本等要求，进行插铣加工效果为最佳。

  
  
      4.2 典型钢件测试2

   
  
     采用标牌号为1.233的铸钢件。

       图14
   

      采用插铣加工方法对图15所示钢件镶块安装结构进行清角，加工时间为22.45 min，使用一把刀具完成插铣加工。完成加工后刀具磨损较小。采用自上而下分层铣削加工方法对图16所示钢件镶块安装结构进行清角加工（共进行26个清角部位），使用2把刀具完成加工，加工时间总计为67.15 min。加工完成后刀具刀尖处磨损严重，刀具需重新刃磨。

       
      图15

      图16

      典型钢件测试2的对比结果表明，插铣加工可提高加工效率，并提高刀具使用寿命。

      4.3 典型钢件测试3

      采用标牌号为1.0446的铸钢件,相当于中国的ZG45材料。

      使用插铣加工方法对图17所示钢件曲面进行插铣加工。加工时间为1.049 h。测试结果表明，加工过程平稳、机床轻微振动、刀具磨损较小（刀片可再次利用）。

      使用D50R3.5机夾铣刀盘进行图18所示的自上而下水平分层铣削加工。加工时间为2.85 h，使用一组刀片完成加工。加工过程刀具及机床振动较大，加工完成后刀片磨损严重（刀片不可再次利用）。

      典型钢件测试2 和测试3 数据显示，2 件共计节省数控加工时间2.545 h，数控加工效率平均提高1 倍多。按照大型数控加工中心500 元/h 的加工费计算，可节省1 275.5 元，每年可节省约446 425 元。

       5 、模具钢件插铣加工技术优势和应用分析

      5.1 技术优势

      插铣加工在加工模具深腔结构方面凸显其加工优势，通过6个月的工件插铣切削加工数据的积累和对比，总结出模具钢件插铣加工技术的诸多优势。

      a.可减小工件变形和共振。
      b.可降低作用于铣床的径向切削力，已磨损的主轴仍可用于插铣加工。
      c.刀具悬伸长度较大，利于深腔类结构、狭窄型腔结构模具钢件的铣削加工。
      d.加工时刀轴方向进刀量恒定不变。
      e.插铣加工特定面积的模具结构面所需的机床各轴运动轨迹范围小，是一种直接、有效的数控加工方法。
      f.数控插铣加工能以相对较低的进给速度，有效去除钢件较大毛坯余料，有利于老式数控机床或功率较小的机床的加工。插铣刀具可承受轴向和径向较大的加工余量，以较大的金属切削速度和去除率提高加工效率。
     g.在间歇式切削条件下，自上而下的分层铣削方式迫使操作者手动降低切削参数，以减少或消除切屑造成普通机夾刀具刀片破裂。而插铣加工满足这些特殊条件并能获得稳定的加工效果。这主要归功于插铣轴向切削的数控加工技术以及每个齿可保持恒定切屑负荷。
     h.插铣轴向切削力允许采用强力加工且较大的加工量，不需过分关注由于加工余量较大造成工件的移动。

      插铣加工方法非常适合模具型腔的加工，插铣深度可达400～450 mm 且不发生振颤或扭曲变形，以粗加工或半精加工沿刀轴方向自上而下的切削方式最为常见。精加工一般采用相对刀轴方向往复加工的切削方式。
 

      5.2 应用分析
 
 
      在某些模具结构加工中也可使用球形铣刀、端铣刀、面铣刀或其它铣刀进行铣槽、铣型面、铣斜面、铣凹腔等各种加工。专用插铣刀主要用于粗加工、半精加工和精加工，刀具可进入工件的狭窄凹腔或沿着工件边缘切削，也可铣削几何结构复杂的工件。插铣刀刀体和刀片可以最佳角度切入工件。通常插铣刀切削刃角度为87°或90°，去除率范围为0.08～0.25 mm/齿。每把插铣刀装夹的刀片数量取决于铣刀直径，例如，一把直径Φ20 mm的铣刀安装2 个刀片，Φ63 mm 的铣刀安装3 个刀片，Φ80 mm的插铣刀具可安装4个刀片。

      为确定工件是否适合插铣加工方式，需考虑加工任务要求及所使用机床的特点。如果加工任务要求很高的金属去除率，则采用插铣加工可大幅缩短加工时间。当加工任务要求刀具轴向长度较长时（如铣削大凹腔、深槽或导板导滑面等结构），采用插铣加工可有效减小径向切削力，与侧壁Z 向自上而下的分层铣削的加工方式相比具有更好的加工稳定性。当工件需要切削的部位采用常规铣削方法难以实现时，应采用插铣加工方法。对于金属切削量较大的工件，如典型的深腔结构等采用插铣加工是最适合的方法。

      在考虑机床适用性时，如果所用加工机床的功率有限（如SNK 数控铣加工中心的强力头主轴功率为20 kW），应该采用插铣加工，这是因为插铣加工所需功率小于螺旋铣削或平面铣削的加工方式，有利于老式数控机床或主轴功率不足的数控机床获得较高的加工效率。

      6 、结束语

      在需要快速切除大量金属材料时采用数控插铣加工可使加工效率提高1倍以上，非常适合较深的靠死面或型腔内导滑面等典型模具结构面的加工。插铣加工既适用于单件小批量的一次性零件加工，也适合于大批量零件制造，是一种极具发展前途的数控加工技术。