模具高速加工工藝及策略

高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。

    1. 粗加工

    模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應采取的工藝方案是高切削速度、高進給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區域僅一次進刀，在不抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑，進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是，沒有等高層之間的刀路移動，可避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗損。對陡峭和平坦區域分別處理，計算適合等高及適合使用類似3D偏置的區域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優化的刀具路徑，獲得更好的表面質量。在高速加工中，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡，避免突然改變刀具進給方向，禁止使用直接下刀的連接方式，避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時，應避免刀具垂直插入工件，而應采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°~30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時，應盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質量。

    2. 半精加工

    模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩定性及精加工表面質量。

    粗加工是基于體積模型，精加工則是基于面模型。以前開發的CAD/CAM系統對零件的幾何描述是不連續的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應對半精加工策略進行優化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優化過程包括：粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。

    現有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如MasterCAM軟件提供了束狀銑削 (Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續工序均勻的加工余量。

    3. 精加工

    模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工，應盡可能在一個工序中進行連續加工，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀、下刀的次數。然而，由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻，從而影響加工質量。

    一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的平穩性。

    高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質量，輕松實現精細區域的加工，如小的圓角、溝槽等。對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會出現的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個策略可以在很少抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑。這種加工技術綜合了螺旋加工和等高加工策略的優點，刀具負荷更穩定，提刀次數更少，可縮短加工時間，減小刀具損壞機率。它還可以改善加工表面質量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區域的等高精加工和平坦區域三維等距精加工方法結合起來使用。

    數控編程也要考慮幾何設計和工藝安排，在使用CAM系統進行高速加工數控編程時，除刀具和加工參數根據具體情況選擇外，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師，他應對零件的幾何結構有一個正確的理解，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念。