刀具和夹具 | 如何优化模具精加工

传统上，球鼻立铣刀是加工光滑表面的首选。然而，它们的局限性也日益明显，尤其是在大面积表面精加工方面。球头立铣刀的步距较小，通常在刀具直径的3-5%之间，因此材料接触有限。这就需要更多的切削次数才能达到最佳的表面光洁度，从而导致切削工具应力过大和磨损。由于需要增加切削次数，步距长度的减少也会增加制造周期。

在加工自由形状表面和难以触及的区域（如图所示的汽车模具）时，圆弧立铣刀可节省时间并获得表面光洁度。

通过在立铣刀上只绘制圆的一部分（圆弧），一种新的立铣刀设计——圆弧技术应运而生。这种设计具有独特的形状和较大的切削半径，可实现更广泛的步进，切削更宽的材料。结果如何？刀具路径更少，刀具寿命最长，效率更高，最重要的是，生产周期最短。

大径向跨距是圆弧立铣刀设计的主要特点，与标准球头铣刀相比，它能产生更大的切削力。这是因为切削刃的半径较大。与传统球磨机相比，大半径模拟球头立铣刀的切削直径为12-3000mm，甚至更大。

圆弧立铣刀的设计最大限度地减少了刀具受热变形造成的公差偏差，并使机床的轴向偏差趋于平稳。这些立铣刀还能在五轴加工中以更少的切削次数去除更多的材料，从而使加工周期缩短80%以上，表面光洁度提高50%。

CAM软件可使圆弧立铣刀通过切平面加工进入垂直和陡峭区域，并在任何平面

或浅层区域有效加工（来源：Open Mind Technologies）

实际应用中的圆弧技术

下面是一个实际的模具制造应用案例，展示了使用圆弧立铣刀的实际优势。一家汽车塑料注塑商在采用五轴加工完成复杂模具时，使用圆弧立铣刀大大提高了生产率。圆弧立铣刀是一种多功能切削工具，可加工难以触及的区域，如底面、壁面、自由曲面和圆角。

该公司生产的大多数模具都相当大，有时长达10英尺，宽约5英尺，如汽车保险杠。不过，尺寸也各不相同，可能包括杯架、换挡杆、仪表板、发动机舱和许多其他部件。

一般来说，模具材料是硬度为32/34 HRC的P-20工具钢。模具有多个表面，需要在内外两半模具上铣出高度锥度、弧度、轮廓和角度。模具还包括限制进入的深升降器袋，通过将塑料零件从模具中提升出来来执行脱模操作。然后由机械手抓取并将部件转移到下一个操作环节。

由于模具轮廓的原因，不能使用扁平的方形立铣刀，因此以前使用的是带半径的球头铣刀。但是，因为球头的接触面非常小，需要多次切削，导致加工时间延长。

而使用圆弧立铣刀时，有效切削半径要大得多。例如，球头和圆弧都是12mm，但球头的半径为6mm，而圆弧立铣刀的切削半径为250mm。

一位程序员立即意识到了圆弧立铣刀的优势。为了确保加工刚性，使用了收缩配合刀柄。这种组合为必要的接近提供了充足的空间，特别是在加工较大的模具时。

模具制造商对表面光洁度非常满意，与使用以前的球头立铣刀相比，现在完成光洁度加工的平均时间缩短了约80%。此外，自从改用圆弧技术后，刀具寿命延长了一倍，总体加工成本降低了70%，即每年可节省50000多美元。

圆弧立铣刀与其他类型的立铣刀配合使用，可以切削模具的特定特征。然而，与传统技术和切削刀具相比，圆弧立铣刀可以缩短80%以上的切削时间。

另一个例子是大型楣板模具，可以使用切线平面加工来加工表面。这种方法尤其适用于难以用标准立铣刀进行侧铣的深槽加工。传统上，这些区域会使用步距较小的球头立铣刀进行加工。但是，较大的球头立铣刀会在边角处留下较多的材料，需要额外的工序才能将其去除。

使用圆弧立铣刀可以显著缩短加工时间，同时提高工件的表面质量（来源：美国 Emuge-Franken公司）

圆弧立铣刀提供了一个很好的解决方案。它们可以轻松切入垂直拐角和较深槽的底部。使用圆弧立铣刀进行切削的有趣之处在于，它与使用硬质合金球头立铣刀进行的传统铣削非常相似。在标准立铣刀柄（例如16mm或12mm）上磨出独特的刀具特征。

切削参数由有效直径、切削刃数量和工件材料决定。首先使用推荐的切削速度和进给量，然后根据切削条件进行调整。

由于切削力增大，大切削半径和工件接触面积增大可能会导致进给速度略有降低。不过，尽管进给率有所降低，但由于路径之间的步距增大，总体切削效率要比球头立铣刀高得多。步距的计算方法与球头立铣刀相同，通常设置为所需的高度。如果应用得当，圆弧铣刀在生产中很容易使用。

每个模具都需要特定的表面光洁度，目标是达到或超过这一要求，而圆弧切削技术可以帮助在更短的时间内达到这些要求。通过有效提高表面质量，可以最大限度地减少后期抛光工作。

在这一模具中，球头立铣刀的加工时间约为9小时36分钟，而圆弧立铣刀的加工时间估计仅为1小时10分钟，加工周期时间缩短了88%。

值得注意的是，圆弧技术要求CAM软件能够生成正确的刀具路径。使用适当的CAM软件，这些刀具可用于垂直和陡峭区域的切平面加工，以及平面或浅层区域的加工。这种多功能性提高了效率和表面加工质量。

由于铣刀的角度在不断变化，因此在加工过程中要使用能完全自动控制铣刀接触点的CAM软件。这种控制可确保整个表面的安全加工和切削半径的均匀利用。

圆弧立铣刀可用于轮胎模具的精加工，包括在难以触及的凹槽中加工垂直陡角

使用可参数化定义所有圆弧立铣刀的CAM软件，用户无需创建刀片几何图形或根据2D轮廓设计铣刀。有了简单的刀具管理和能精确映射圆弧立铣刀的CAM系统，就能确保100%安全可靠地使用这些刀具。

使用圆弧立铣刀时，需要由CAM供应商开发软件，以支持圆弧刀具状并生成刀具路径。如果用户没有当前版本的软件，或者他们的CAM产品不支持圆弧刀具，那么他们的选择就会受到限制，可能需要考虑改用其他更适合处理圆弧刀具路径的CAM产品。

延伸阅读

模具制造商可以借鉴和学习的三种五轴精加工应用：

在锥形表面应用中去除大量材料。该项目从一块重达100磅的6061-T6木块开始。铣削后，木块仅重6磅。制造商已经有了圆弧立铣刀，但需要编程协助来实施铣削。他们与切削刀具供应商合作，建立了刀具路径和具有表面倾斜选项的平行功能。在使用圆弧立铣刀之前，他们唯一的选择是用球头立铣刀完成表面加工，每个零件需要近5个小时。使用圆弧立铣刀后，他们只需38分钟就能完成。他们提供了刀具图纸，并将其轻松导入CAM软件。由于零件的几何形状至关重要，因此CAM软件必须能够很好地处理圆弧立铣刀上相对较大的半径。尺寸精确的CAD文件为制造商节省了大量时间。

圆弧技术用于铣削陡峭的侧面和不断变化的轮廓，每次作业都能节省数小时的机床时间（来源：美国Emuge-Franken公司）

五轴加工6061-T6铝航空航天部件。该项目需要30分钟才能完成，因此无利可图。刀具供应商指导工程师对刀具路径进行了必要的修改，以便快速使用12mm透镜形圆弧立铣刀。通过使用与之前刀具相同的进给和速度，工程师将周期时间缩短到三分半钟，提高了89%。这不仅为公司的首批1000件订单节省了6.6万美元，还提高了零件的表面光洁度。

精加工铝合金涡轮进气头，其侧面陡峭，轮廓不断变化。制造商最初使用的是一种两刃0.500英寸球头立铣刀，转速为800SFM，步距为0.010英寸，完成这项工作需要十多个小时。在需要更换之前，该立铣刀已使用了15个零件。为了缩短切削时间，他们改用带有FPC铣削卡盘的圆弧立铣刀。他们使用了带有3个刃口和250mm半径的12mm圆弧立铣刀，将切削速度提高到1900SFM，步距为0.060"，仅用27分钟就完成了工作。他们用一把圆弧立铣刀铣削了30个零件，而用传统球头立铣刀铣削了15个零件。两种刀具的平均表面光洁度都达到Ra=63，但圆弧立铣刀在每次作业中都能节省数小时的加工时间，从而为每个零件节省了1000美元的成本。尽管与传统球头立铣刀相比，圆弧立铣刀的成本较高，但每次作业的成本节约率超过95%。

作者：Frank Joswig

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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