铸造模具材料选择及加工刀具参数的设定

（国营东华机械厂增压器分厂，山西 大同 037036）

机械加工企业中，存在大量生产、成批生产、单件小批生产等几种生产类型，根据这几种类型，分别采用不同的材料进行模具设计加工。对于大量生产类型的铸造方式为壳型铸造，模具材料一般采用铸铁或铸钢，通过射砂机在短时间内高温加热固化树脂砂，形成所需铸造外形及芯盒，然后进行装配、浇注，其特点铸造产品外观质量较好，加工工艺性好。铸铁铸钢模具也可以满足大批量生产的损耗。成批生产的产品品种较多，每个品种的产量比较少。一般采用机器造型的方式进行铸造，模具材料一般采用铸铁、铸铝以及木材。单件小批生产，生产的产品品种繁多，每种产品的产量仅有一台或少量的几台，大型件一般采用地坑造型，小型件一般采用由木模模具机器造型的方式进行铸造，模具材料一般采用木材。企业中可能同时存在这三种生产类型来适应大规模生产以及新产品开发的需求。

根据不同的模具材料，也选取相应的刀具及加工方式，在模具型腔数控加工中，刀具的选择直接影响着模具零件的加工质量、加工效率和加工成本，因此正确选择刀具有着身份重要的意义。在模具铣削加工中，常用的刀具有平端立铣刀、圆角立铣刀、球形刀和锥度铣刀。

在模具加工时，刀具的选择应遵循以下原则：

（1）根据被加工的材料选择刀具类型

根据加工类型不同，采用不同的模具材料来应对不同生产需求，对于大批量产品，可采用壳型铸造的方式，这种模具要求加工精度高，模具材料一般采用铸铁或铸钢，由于铸铁材料相对易于加工，又基本能满足生产要求，因此我们常采用铸铁模具来满足大批量生产要求，这种模具一般加工周期较长，适合已定型大量生产的产品。对于加工铸铁类模具，根据加工中心的直线导轨承载类型，如线性导轨为滚珠式直线导轨，一般粗加工采用的刀具为圆角立铣刀或平端立铣刀，采用小切削深度，大跨距的加工方式加工。如直线导轨为滚柱式，则可以采用长刃球铣刀进行大切削深度，小歩距宽度的加工方式。对于铸铁模具的精加工一般采用整体硬质合金球形刀、硬质合金机夹刀具或圆鼻刀。对于批量较大、品种较多、试制周期紧的涡轮箱产品的模具，同时要求有一定的使用周期，满足一定数量的损耗要求，铸铁或铸钢满足要求，但加工周期较长，而木质模具，在耐用度上差距较大，因此在成批生产中，制造芯盒用铸铁模具，外形模具则可用铸铝、铸铜其他有色金属或木材加工。相对于其他有色金属铸铝有较好的成本优势，因此成批加工的产品可选用铸铝毛坯。

铸铝模具的粗加工一般高速钢立铣刀，采用小切削量，大跨距的方式加工。精加工一般采用球形刀，铸铝有良好的的机械加工性能，在半精加工和精加工时，应选择球刀高转速小进刀量，以得到较好的表面质量。单件小批产品生产量小，模具使用频率低，对模具的损耗要求不高，因此在保证进度的前提下一般采用胶木或胶合板或者泡沫（主要用于简单结构的产品消失模铸造），加工中心粗加工宜选用平端立铣刀，精加工时宜选用球形刀，这是因为球刀的刀具的刀刃与工件接触的0~90范围内给出比较连续的切削力变化，这不仅对加工质量有利，而且会使刀具寿命大大延长，加工的连续性以及表面粗糙度比平端立铣刀好，由于在模具加工中，凹凸表面同时在一个模具存在，因此在选择模具的刀具时，粗加工一般选择圆角立铣刀或平端立铣刀，半精加工和精加工则选用不同直径球形刀。

（2）根据从大到小的原则选择刀具

模具型腔一般包含有多个类型的曲面，因此在加工时一般不能选择一把刀具完成整个零件的加工。无论是粗加工还是精加工，应尽可能选择大直径的刀具，因为刀具直径越小，加工路径越长，造成加工效率降低，同时刀具的磨损会造成加工质量的明显差异。

（3）根据曲面曲率的大小选择刀具

在比较复杂的模具中，各种曲面的曲率不同，在粗加工时，一般选用大直径的平端铣刀或圆角铣刀，在曲率较大的曲面留下的余量也较多，给半精加工或精加工刀具造成过大的切削负荷，较大直径的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量，这往往是精加工过程中出现切削力的急剧变化而使刀具损坏或栽刀的直接原因。因此在粗加工完成后，一般要进行半精加工，用半径小于或等于被加工零件上的刀具加工内轮廓圆角半径，尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具并以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插补而出现过切现象。

（4）粗加工时尽可能选择圆角铣刀或平端立铣刀

由于加工的模具类型不同，合理选择合适粗加工刀具，对于木质或有色金属模具来说，由于木材和有色金属的材质较软，相对更加锋利的平端立铣刀的刀刃更适合加工此类模具。对于铸铁或者铸钢类模具，在要求较低切削力的线性导轨的数控铣床或加工中心，在粗加工时选用圆角铣刀，与球形刀相比具有良好的切削条件，与平端立铣刀相比可以留下较为均匀的精加工余量，这对后续加工是十分有利的。

在借助CAM软件进行数控程序设计的过程中，工艺参数的选择十分重要，它不仅对被加工零件的质量影响巨大，甚至可以决定机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。数控铣削是复杂模具零件的主要加工方法。编制高质量的数控程序是必不可少的，这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括刀具的形状和尺寸、切削量、走刀路径等工艺信息。对于简单的模具零件，可以采用手工程序设计的方法，对于复杂的模具零件，则需要借助于CAM软件编制加工程序，如PRO/ENGINEER、UG、Mastercam等，无论是手工程序设计或计算机辅助程序设计，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数，时编制高质量加工程序的前提。

1 走刀方式和切削方式的确定

走刀方式是指加工过程中刀具轨迹的分布形式。切削方式是指加工时刀具相对工件的运动方式，在数控加工中，切削方式和走刀方式的选择直接影响着模具零件的加工质量和加工效率。其选择原则是根据被加工零件表面的几何特征，在保证加工精度的前提下，使切削时间尽可能短，切削过程中刀具受力平稳。

在模具加工中，常用的走刀方式包括单向走刀、往复走刀和环切走刀三种，在模具的实际加工过程中，由于粗加工只是用于去除多余的加工量，因此对加工质量并没有太高要求，单向走刀方式，在加工中切削方式保持不变，这样可以保证顺铣或逆铣的一致性，但由于增加了提刀和空走刀，切削效率较低。因此在粗加工中常采用往复走刀方式，在加工过程中不提刀进行连续切削，加工效率较高，但逆铣和顺铣交替进行，加工质量较差。在半精加工和表面质量要求不高的精加工时，可采用往复加工，环切走刀方式，其刀具路径由一组封闭的的环形曲线组成，加工过程中不提刀，采用顺铣或逆铣切削方式，时型腔加工常用的一种走刀方式。

铣削方式的选择直接影响到加工表面质量、刀具耐用度和加工过程的平稳性。在采用圆周铣削时，根据加工余量的大小和表面质量的要求，要合理选用顺铣和逆铣，一般地，粗加工过程中余量较大，应选用逆铣加工方式，以减少机床的震动；精加工时，为达到精度和表面粗糙度的要求，应选择顺铣加工方式。

2 刀具的切入与切出

在模具型腔数控铣削中，由于模具型腔的复杂性，往往需要多次更换不同的刀具才能完成对模具零件的加工。在粗加工时，每次加工后残留余量形成的几何形状是在变化的，在下次进刀时如果切入方式选择不当，很容易造成栽刀事故，在精加工时，切入和切出时切削条件的变化往往会造成表面质量的差异。因此，合理选择刀具切入、切出方式具有非常重要的意义。一般的CAM软件提供的切入切出方式有垂直切入切出工件（plunge）、刀具以斜线切入工件（ramp）、刀具以螺旋轨迹下降切入工件（sprial）、刀具通过预加工孔切入工件（entry hole）以及圆弧切入切出工件（arc-tangent）。

其中刀具垂直切入切出工件时是最简单、最常用的方式，适用于可以从工件外部切入的凸模类工件的粗加工和精加工以及模具型腔侧壁的精加工；刀具以斜线或螺旋线切入工件常用于较软材料的粗加工；通过欲加工工艺孔切入工件时凹模粗加工常用的下刀方式；圆弧切入切出工件可以消除接刀痕而常用于曲面的精加工。

3 切削参数的控制

切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在CAM软件中于切削相关的参数主要有主轴转速（Spindlespeed）、进给速率（Cutfeed）、刀具切入时的进给速率(Lead in feed rate)、步距宽度（Step-over）和切削深度（Step depth）等。主轴转速一般根据切削速度来计算，其计算公式为：

式中，

d为刀具直径，mm；

Vc为切削速度，m/min。

切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关，当工件材料、刀具材料和结构确定后，切削速度就成为影响刀具耐用度的最主要因素，过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降，在模具加工，尤其时模具的精加工时，应尽量避免中途换刀，以得到较高的加工质量，因此应结合刀具耐用度认真选择切削速度。

进给速度的选择直接影响着模具零件的加工精度和表面粗糙度，其计算公式为：

式中，

n为主轴转速，r/min；

z为铣刀齿数；

f为每齿进给量，mm/齿。

每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越小；硬质合金铣刀比同类高速钢铣刀每齿进给量要高；当加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选用较低的进给量；刀具切入进给速度应小于切削进给速度。

吃刀量的大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，其选择原则是在满足工艺要求和工艺刚度许可的条件下，选用尽可能大的吃刀量，以提高加工效率。为保证加工精度和表面粗糙度，应留0.2~0.5mm的精加工余量。在粗加工时，余量的切除往往采用层切的方法，在CAM程序设计时，需要设置每层切削深度和最大步距宽度，而实际步距往往与工件形状有关。

在精加工时，吃刀量的选择与表面粗糙度有关，CAM软件中通常提供有两种参数控制表面粗糙度；步距宽度(Stepover)和残留高度(Scallop)。采用步距宽度控制表面粗糙度时，步距宽度越小，表面粗糙度越小，但加工时间会大大延长，因此步距宽度不宜设置的太小，在实际可以通过改变半精加工和精加工的走刀路径的方法（二者成正交关系）改善表面质量；采用残留高度控制表面粗糙度时，步距宽度会依据工件形状自动调整。

4 其他参数

在模具数控加工程序设计中，除以上参数的设定外，还有诸如工件坐标系（Work Coordinate）、刀具快速运动平面(Rapid Plane)、加工安全平面(Clearence Plane)、加工余量参数(Allowance)以及后置处理参数的设定。工件坐标系的设定一般应与工件的工艺基准相重合；刀具快速运动平面和就爱工安全平面的选择应结合工件形状和夹具结构，在保证安全的情况下，尽量减少空刀行程；加工余量的选择不宜过小或过大，过小容易造成粗加工时过切，过大则会影响加工质量；后置处理参数应结合数控机床控制系统的特点来设定。总之，模具零件数控程序设计具有很大的灵活性，只有正确理解以上工艺参数，在实践中不断总结，才能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的模具零件。