型腔模具加工工艺设计

沈则亮 刘永贵 韩忠冠

（①安徽机电职业技术学院机械工程系，安徽 芜湖241000；②芜湖佰仕达模具有限公司，安徽 芜湖241000）

目前，高速铣削（HSM）与电火花加工（EDM）是型腔模具加工的主要手段，现以典型零件为例，分析选择加工方法的影响因素，研究型腔模具加工工艺设计方法，提出综合运用HSM与EDM的设计方案，提高加工质量与生产效率。

1 HSM与EDM在模具加工中的应用综述

随着高速铣削技术的成熟和发展，高速铣削逐渐成为模具的重要加工工艺手段。在模具的加工过程中，高速铣削可以加工各种可切削材料，加工钢的硬度可达62 HRC，加工质量与效率高，尺寸精度10～20 μm，能够达到的最小表面粗糙度Ra0.1μm，但加工模具几何形状受深度和半径限制，加工型腔时刀具长径比≤10，底部四角半径R≥0.3 mm，壁部圆角半径R≥1.0 mm。电火花加工可加工各种导电材料且硬度不受限制，尺寸精度10～20μm，模具几何形状不受限制，加工槽深取决于电极的制造，但加工效率低。由此可见，在型腔模具加工中，高速铣削加工可以直接加工比较平坦的浅型腔，质量高、效率高。对于模具的复杂型面、深窄小型腔、尖角、窄缝、沟槽、深坑等处的加工，必须由电火花加工完成。高速铣削可以为电火花加工去除更多的加工余量，使放电加工时电极与工件的加工面均匀放电，电极损耗均匀，从而提高加工效率。因此，综合运用HSM与EDM进行型腔模具的加工，是必然的趋势。

2 工艺分析及工艺设计

工艺方案制定主要取决于模具的材料及性能、型腔的尺寸精度及表面粗糙度、模具的形状、加工效率以及现有的机床设备等。如图1所示注塑模具镶件，材料为DIEVAR模具钢，淬火后硬度52 HRC，主要加工表面的尺寸公差为±0.01 mm，深4 mm的两沟槽相对对称中心的位置尺寸为±0.04μm，沟槽及型腔表面粗糙度值为Ra0.4μm，其中型腔壁部圆角半径R0.05 mm。

根据零件的技术要求分析，高速铣削可以完成加工零件大部分加工表面，通过电火花加工型腔及清角，最后抛光处理保证零件的表面粗糙度。具体工艺方案如表1所示。在此工艺方案中，高速铣削和电火花加工是关键工序，现简述如下。

表1 注塑模具镶件工艺方案

2.1 高速铣削加工工序

本案例加工使用MAKINO V33机床，整体硬质合金刀具，平口虎钳装夹工件，在一次装夹中加工完成该工序所有内容。在该工序中共加工Ⅰ～Ⅷ加工区域，如图2所示。不同的加工区域采用不同的加工方式，使用不同直径的刀具分多次加工完成各道工步。

合理确定加工工艺策略，将工序划分为粗铣、半精铣、精铣三个工步，并合理确定每个工步的铣削方式、走刀方式以及进退刀方式。利用Machining Strategist 6.1编程软件，采用顺铣、螺旋斜向进退刀方式加工，针对不同的加工区域采用不同的走刀方式，粗铣采用粗加工刀具路径加工，半精铣、精铣时，Ⅰ～Ⅲ、Ⅷ沟槽侧面及Ⅴ型腔、Ⅵ圆弧面采用等高线刀具路径，水平面采用水平区域刀具路径加工，采用球头铣刀铣削Ⅳ、Ⅶ圆弧槽。当球头铣刀的中心铣削时，铣削的速度为零，从而它的铣削速度无法演算，现场加工会变慢，加工精度降低。为避免这一现象发生，在设计工艺策略时，将圆弧槽面分成两部分，其中侧面采用等高线刀具路径加工，底面采用平行等宽刀具路径加工，如图3所示。

采用硬质合金涂层刀具对DIEVAR模具钢进行高速铣削实验结果表明，切削参数对工件表面粗糙度值的影响趋势为：主轴转速提高，零件表面粗糙度值下降；切削深度和进给速度增大，表面粗糙度值增大。综合考虑机床、刀具、工件材料等因素，加工工步及工艺参数如表2所示。

2.2 电火花加工工序

使用D7140电火花成形机床完成型腔的加工，采用EROWA夹具装夹电极，将工件放置于永磁吸盘台面，用千分表校正工件基准面与机床轴移动的平行度。利用基准球四面分中进行间接定位。由于在前道工序中通过高速铣削已完成型腔轮廓的加工，留有0.05 mm的加工余量，可以用一根电极来完成加工，通过机床专家系统设定加工规准，放电间隙取0.1 mm。问题的关键在于电极的设计与制作。

对电极的要求主要包括材料、缩放尺寸、精度、表面粗糙度等方面。利用Pro/Engineer Wildfire 4.0软件拆解电极，采用30 mm×30 mm×50 mm纯铜作为电极材料，结构设计如图4所示，单边缩放量取0.1 mm，尺寸公差取型腔尺寸公差的一半，即0.01 mm。为防止电极基准台底部与工件顶部碰穿，在深度（Z）方向应避空，设计电极时，电极基准台底面与电极底面的尺寸大于型腔深度18 mm。用高速加工中心制作电极，采用EROWA夹具，通过四面分中保证高速加工中心主轴头与EROWA卡盘同心，通过数控加工程序保证电极基准台的中心与EROWA卡盘同心。电极表面粗糙度在一定程度上决定了加工出工件的表面粗糙度，精修抛光保证电极加工部分表面粗糙度Ra0.4μm。

表2 高速铣削加工工步及工艺参数

3 结语

综合应用高速铣削（HSM）与电火花加工（EDM）是现代模具制造的重要方向，如何合理使用HSM铣削加工与EDM放电加工型腔模具，充分发挥各自优势，提高加工质量和缩短制造周期，提高生产效率，是模具加工的重要课题。实际生产结果表明：在本案例中，根据零件的技术要求，合理安排HSM与EDM加工工序加工该零件，取得了较好的效果。

［1］张伯霖，杨庆东，陈长年.高速加工及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2003.

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