模具加工铣削问题分析和解决

【模具课堂】模具制造中常见的问题解决措施

2016-10-11模具网

一、选择模具钢时什么是最重要的和最具有决定性意义的因素？

1.成形方法

可从两种基本材料类型中选择：

A) 热加工工具钢，它能承受模铸.锻造和挤压时的相对高的温度。
B) 冷加工工具钢，它用于下料和剪切.冷成形.冷挤压.冷锻和粉末加压成形。

2.塑料

一些塑料会产生腐蚀性副产品，例如PVC塑料。长时间的停工引起的冷凝.腐蚀性气体.酸.冷却/加热.水或储存条件等因素也会产生腐蚀。在这些情况下，推荐使用不锈钢材料的模具钢。

3.模具尺寸

大尺寸模具常常使用预硬钢，整体淬硬钢常常用于小尺寸模具。

4.模具使用寿命

长期使用（＞1,000,000次）的模具应使用高硬度钢，其硬度为48－65 HRC。
中等长时间使用（100,000到1,000,000次）的模具应使用预硬钢，其硬度为30－45 HRC。
短时间使用（<100,000次）的模具应使用软钢，其硬度为160－250 HB。

5.表面粗糙度

许多塑料模具制造商对好的表面粗糙度感兴趣。当添加硫改善金属切削性能时，表面质量会因此下降，硫含量高的钢也变得更脆。

二、影响材料可切削性的首要因素是什么？

1.化学成分：钢的合金成分越高，就越难加工，当碳含量增加时，金属切削性能就下降。
2.钢的结构：不同的结构影响金属切削性能，如锻造.铸造.挤压.轧制和已切削加工过的，锻件和铸件有非常难于加工的表面。
3.硬度：硬度是影响金属切削性能的一个重要因素，一般规律是钢越硬，就越难加工。高速钢（HSS）可用于加工硬度最高为330-400 HB的材料；高速钢+钛化氮（TiN）涂层，可加工硬度最高为45 HRC的材料；而对于硬度为65-70 HRC的材料，则必须使用硬质合金.陶瓷.金属陶瓷和立方氮化硼（CBN）。
4.非金属参杂：一般对刀具寿命有不良影响。例如Al2O3 （氧化铝），它是纯陶瓷，有很强的磨蚀性。
5.残余应力：残余应力能引起金属切削性能问题，常常推荐在粗加工后进行应力释放工序。

三、模具制造的生产成本由哪些部分组成？

粗略地说，成本的分布情况如下：

切削 65％
工件材料 20％
热处理 5％
装配/调整 10％

这也非常清楚地表明了良好的金属切削性能和优良的总体切削解决方案对模具的经济生产的重要性。

四、铸铁的切削特性是什么？

一般来说，铸铁的硬度和强度越高，金属切削性能越低，从刀片和刀具可预期的寿命越低，用于金属切削生产的铸铁其大部分类型的金属切削性能一般都很好。金属切削性能与结构有关，较硬的珠光体铸铁其加工难度也较大。片状石墨铸铁和可锻铸铁有优良的切削属性，而球墨铸铁相当不好。

一般对加工铸铁所要求的典型刀具属性为：

高热硬度和化学稳定性，但也与工序.工件和切削条件有关；要求切削刃有韧性.耐热疲劳磨损和刃口强度。切削铸铁的满意程度取决于切削刃的磨损如何发展：快速变钝意味着产生热裂纹和缺口而使切削刃过早断裂.工件破损.表面质量差.过大的波纹度等。正常的后刀面磨损.保持平衡和锋利的切削刃正是一般需要努力做到的。

五、什么是模具制造中主要的.共同的加工工序？

切削过程至少应分为3个工序类型：粗加工.半精加工和精加工，有时甚至还有超精加工（大部分是高速切削应用）。残余量铣削当然是在半精加工工序后为精加工而准备的，在每一个工序中都应努力做到为下一个工序留下均匀分布的余量，这一点非常重要。如果刀具路径的方向和工作负载很少有快速的变化，刀具的寿命就可能延长，并更加可预测。如果可能，就应在专用机床上进行精加工工序，这会在更短的调试和装配时间内提高模具的几何精度和质量。

六、在这些不同的工序中应主要使用何种刀具？

1.粗加工工序：圆刀片铣刀.球头立铣刀及大刀尖圆弧半径的立铣刀。
2.半精加工工序：圆刀片铣刀（直径范围为10－25 mm的圆刀片铣刀），球头立铣刀。
3.精加工工序：圆刀片铣刀.球头立铣刀。
4.残余量铣削工序：圆刀片铣刀.球头立铣刀.直立铣刀。

通过选择专门的刀具尺寸.槽形和牌号组合，以及切削参数和合适的铣削策略，来优化切削工艺，这非常重要。

七、在切削工艺中有没有一个最重要的因素？

切削过程中一个最重要的因素是在每一个工序中为每一种刀具创建均匀分布的加工余量，这就是说，必须使用不同直径的刀具（从大到小），特别是在粗加工和半精加工工序中，任何时候主要的标准应是在每个工序中与模具的最终形状尽可能地相近。

当ap/ae（轴向切削深度/径向切削深度）不变时，切削速度和进给率也可恒定地保持在较高水平上，这样，切削刃上的机械作用和工作负载变化就小，因此产生的热量和疲劳也少，从而提高了刀具寿命。

八、为什么经常将圆刀片铣刀作为模具粗加工刀具的首选？

如果使用方肩铣刀进行型腔的粗铣削，在半精加工中就要去除大量的台阶状切削余量，这将使切削力发生变化，使刀具弯曲，其结果是给精加工留下不均匀的加工余量，从而影响模具的几何精度。如果使用刀尖强度较弱的方肩铣刀（带三角形刀片），就会产生不可预测的切削效应。三角形或菱形刀片还会产生更大的径向切削力，并且由于刀片切削刃的数量较少，所以他们是经济性较差的粗加工刀具。

圆刀片可在各种材料中和各个方向上进行铣削，如果使用它，在相邻刀路之间过渡较平滑，也可以为半精加工留下较小的和较均匀的加工余量。圆刀片的特性之一是他们产生的切屑厚度是可变的，这就使它们可使用比大多数其它刀片更高的进给率。圆刀片的主偏角从几乎为零（非常浅的切削）改变到90度，切削作用非常平稳。

九、什么是有效切削速度（ve）？为什么它对高生产率非常重要？

切削中，实际或有效直径上的有效切削速度的基本计算总是非常重要。由于台面进给量取决于一定切削速度下的转速，如果未计算有效速度，台面进给量就会计算错误。当切削深度浅时，有效或实际切削速度要比计算速度低得多，计算得到的进给率也低得多，这严重降低了生产率。更重要的是，刀具的切削条件低于它的能力和推荐应用范围。

当进行3D切削时，切削时的直径在变化，它与模具的几何形状有关，此问题的一个解决方案是定义模具的陡壁区域和几何形状浅的零件区域，如果对每个区域编制专门的CAM程序和切削参数，就可以达到良好的折中和结果。

十、对于成功的淬硬模具钢铣削来说，重要的应用参数有哪些？

使用高速铣对淬硬模具钢进行精加工时，一个需遵守的主要因素是采用浅切削，切削深度应不超过0.2/0.2 mm（ap/ae轴向切削深度/径向切削深度）。这是为了避免刀柄/切削刀具的过大弯曲和保持所加工模具拥有小的公差和高精度。

选择刚性很好的夹紧系统和刀具也非常重要，当使用整体硬质合金刀具时，采用有最大核心直径（最大抗弯刚性）的刀具非常重要；当用高速铣对淬硬模具钢进行精加工时，选择专用槽形和牌号也非常重要。

十一、什么时候应采用顺铣，什么时候应采用逆铣？

主要建议是：尽可能多使用顺铣。当切削刃刚进行切削时，在顺铣中，切屑厚度可达到其最大值，而在逆铣中，为最小值。一般来说，在逆铣中刀具寿命比在顺铣中短，这是因为在逆铣中产生的热量比在顺铣中明显地高。在逆铣中当切屑厚度从零增加到最大时，由于切削刃受到的摩擦比在顺铣中强，因此会产生更多的热量，逆铣中径向力也明显高，这对主轴轴承有不利影响；在顺铣中，切削刃主要受到的是压缩应力，这与逆铣中产生的拉力相比，对硬质合金刀片或整体硬质合金刀具的影响有利得多。

十二、仿形铣削还是等高线切削？

在型腔铣削中，保证顺铣刀具路径成功的最好方法是采用等高线铣削路径，铣刀外圆沿等高线铣削常常得到高生产率，这是因为在较大的刀具直径上，有更多的齿在切削。如果机床主轴的转速受到限制，等高线铣削将帮助保持切削速度和进给率，采用这种刀具路径，工作负载和方向的变化也小。

为了得到最长的刀具寿命，在铣削过程中应使切削刃尽可能长时间地保持连续切削。如果刀具进入和退出太频繁，刀具寿命会明显缩短，这会使切削刃上的热应力和热疲劳剧。仿形铣削路径常常是逆铣和顺铣的混合（之字形），这意味切削中会频繁地吃刀和退刀，这种刀具路径对模具质量也有不好的影响。每次吃刀意味刀具弯曲，在表面上便有抬起的标记，当刀具退出时，切削力和刀具的弯曲减小，在退出部分会有轻微的材料“过切削”。

十三、为什么有的铣刀上必须有不同的齿距？

铣刀是多切削刃刀具，齿数是可改变的，有一些因素可以帮助确定用于不同加工类型的齿距或齿数。材料.工件尺寸.总体稳定性.悬伸尺寸.表面质量要求和可用功率就是与加工有关的因素。

铣刀的齿距是刀片切削刃上的点到下一个切削刃上同一个点的距离。铣刀分为疏.密和超密齿距铣刀，密齿距是指有较多的齿和适当的容屑空间，可以以高金属去除率切削，一般用于铸铁和钢的中等负载铣削；疏齿距是指在铣刀圆周上有较少的齿和有大的容屑空间，常用于钢的粗加工到精加工，在钢加工中振动对加工结果影响很大，它是长悬伸铣削.低功率机床或其它必须减小切削力应用的首选；超密齿距刀具的容屑空间非常小，可以使用较高的工作台进给，适合于间断的铸铁表面的切削.铸铁粗加工和钢的小余量切削，例如侧铣。

十四、为了获得最佳性能，铣刀应怎样定位？

切削长度会受到铣刀位置的影响，刀具寿命常常与切削刃必须承担的切削长度有关。定位于工件中央的铣刀其切削长度短，如果使铣刀在任一方向偏离中心线，切削的弧就长。在刀具定位于工件的中央的情况下，当刀片切削刃进入或退出切削时，径向切削力的方向就随之改变，机床主轴的间隙也使振动加剧，导致刀片振动。

通过使刀具偏离中央，就会得到恒定的和有利的切削力方向，悬伸越长，克服所有可能的振动也就越重要。

十五、为了消除切削过程中的振动，应采取什么措施？

当存在振动问题时，基本措施是减小切削力，这可通过使用正确的刀具.方法和切削参数达到。

遵守下面的已证明有效的建议：

1.选择疏齿距或不等齿距铣刀；
2.使用正前角.小切削力刀片槽形；
3.尽可能使用小铣刀；
4.使用小切削刃钝化半径（ER）的刀片；
5.使用大的每齿进给。降低转速，保持工作台进给量或保持转速并提高工作台进给量（较大的每齿进给量），切勿减小每齿进给量；
6.减小径向和轴向切削深度；
7.选择稳定的刀柄，使用尽可能大的接柄尺寸，以获得最佳稳定性，使用锥度加长杆，以获得最大刚性；
8.对于大悬伸，使用与疏齿距不等齿距铣刀结合的减震接杆。安装铣刀时，使铣刀与减震接柄直接连接；
9.使铣刀偏离工件中心；
10.如果使用偶数齿的刀具，可每隔一齿拆下一个刀片。

十六、为了使刀具平衡，应采取的最重要措施有哪些？

在整个切削过程中，为达到刀具平衡牵涉到的典型步骤如下：

1.测量刀具/刀柄组件的不平衡；
2.通过变更刀具.切削它以去除一些质量，或移动刀柄上的配重来降低不平衡；
3.经常必须重复这些步骤，包括再次检查刀具.再次精确调整，直到达到平衡。

为了很好地平衡刀具，在选择正确的刀具时还有许多工作要做。以下几点是选择刀具时应给予考虑的：

1.购买高质量的刀具与刀柄，应选择预先已消除了不平衡的刀柄；
2.最好使用短的和尽可能轻的刀具；
3.定期检验刀具和刀柄，检查是否有疲劳螺纹和变形的征兆。

十七、在常规和高速切削应用中，为了得到尽可能好的效果，我应使用何种刀柄？

高速加工时，离心力非常大，会导致主轴孔慢慢变大，这对一些V形法兰的刀柄会产生负面影响，因为V形法兰的刀柄仅在径向面上与主轴孔接触。主轴孔变大会使刀具在拉杆恒定的拉力作用下被拉入主轴，这甚至会引起刀具粘住或Z轴方向的尺寸精度降低。

与主轴孔和端面同时接触的刀具，即径向和轴向同时配合的刀具更适用于高速下的切削，当主轴孔扩大时，端面接触可避免刀具在主轴孔内向上的移动。使用空心刀柄的刀具也容易受离心力的影响，但它们已设计成在高速下随主轴孔的增大而增大。

当安排高速切削时，应尽量使用由对称的刀具和刀柄组合而成的刀具系统，先将刀柄加热使孔扩张，待它们冷却后刀具就被夹紧了，这就是过盈配合系统，对于高速切削来说，这是最好和最可靠的固定刀具方法。首先是因为它的跳动量非常小；第二，这种连接能传递大扭矩；第三，它很容易构建定制刀具和刀具组件；最后，用这种方法组成的刀具组件有极高的总体刚性。

十八. 我应怎样切削转角才能没有振动的危险？

传统的切削转角的方法是使用线性切削，在转角的过渡不连续。这就是说，当刀具到达角落时，由于线性轴的动力特性限制，刀具必须减速。在电机改变进给方向前，有一短暂的停顿，这会产生大量的热量和摩擦，很长的接触长度会导致切削力的不稳定，并常常使角落切削不足，典型的结果是振动——刀具越大和越长，或刀具总悬伸越大，振动越强。

此问题的最佳解决方案：

1.使用圆角半径比转角半径小的刀具。
2.通过圆弧插补产生比图纸上的规定稍大些的圆角半径。这是很有利的，这样，有时就可在粗加工中使用较大的刀具，以保持高生产率。
3.在角落处余下的加工余量可以采用较小的刀具进行固定铣削或圆弧插补切削。

十九、什么是开始切削型腔的最佳方法？

1.起始孔的预钻削，角落也可预钻削。不推荐这种方法：这需要增加一种刀具，同时此刀具也要占据刀具室内空间。单从切削的观点看，刀具通过预钻削孔时因切削力而产生不利的振动，当使用预钻削孔时，常常会导致刀具损坏，使用预钻削孔，也会增加切屑的再切削。
2.如果使用球头立铣刀或圆刀片刀具，通常采用啄铣，以保证全部轴向深度都能得以切削，使用这种方法的缺点是排屑问题和使用圆刀片会产生非常长的切屑。
3.最佳的方法之一是使用X/Y和Z方向的线性坡走切削，以达到全部轴向深度的切削。
4.可以以螺旋形式进行圆插补铣。这是一种非常好的方法，因为它可产生光滑的切削作用，而只要求很小的开始空间。