高精密孔类以铣代磨工艺技术研究

■珠海格力精密模具有限公司 （广东珠海 519070） 钟晓鸥 林松福

孔加工技术是金属切削加工的难点，精密孔加工的难度就更大。批量孔特征的模具为了获得高精度的孔，对孔的尺寸精度、几何形状和表面粗糙度提出了更高的加工要求，用价格昂贵的坐标磨床能够满足上述要求。坐标磨床是在坐标膛床的结构和加工原理的基础上发展起来的一种精密机床，是精密模具加工的关键设备，可用于加工磨削模具中的各类坐标孔。但其生产成本高且效率低，大部分企业都无法进行大规模采购并投入生产。

1. 磨削加工现状

如图1所示，精密翅片模具存在大量高精密孔。翅片模的冲孔子模和二次翻边子模里的冲头孔对精度要求高（尺寸公差3µm，位置公差5µm，表面粗糙度值 Ra＜0.5µm）。如果采用高精度的CNC加工中心和高品质的刀具铰、镗加工工艺来精心操作，个别孔能够达到图样要求。但镗孔数量过多，容易造成操作失误，若有一个孔超差，则整块模板报废。因此，目前大多采用坐标磨床（Gri-JG）来加工，但是坐标磨床属于稀缺、高费率设备，设备产能受限会影响模具的加工进度，设备的高费率会增加模具的加工成本。再者，JG的加工效率低，磨削一个φ 12×50mm孔大约需要35分钟，加工一套翅片模具需要半个月左右，产能远远不能满足市场的竞争需求。

图1 精密翅片模具

2. 工艺革新探索

品质好的加工中心（ 如YASDA、RODERS等）具有良好的定位精度和重复定位精度，拥有坐标磨床的先天优势。以这些加工中心为平台来解决孔加工铣削直径精度问题，可以实现以铣代磨工艺。

（1）刀具方案 CNC加工中心使用刀具代替坐标磨床的砂轮，因此需研究刀具如何保证铣削圆孔的精度。刀具接触刃面积与其切削阻力成正比，厂家在设计刀具时，通常标准刃长≥2.5D（D为刀具直径），加工90°侧壁圆孔底部时，切削刃全部接触到孔壁，导致切削阻力增大引起弹刀，影响加工精度和表面粗糙度，产生波浪纹，加工效果如图2所示。

针对上述弹刀出现波浪纹现象，调研现场加工工况。如图3所示，在实际加工中，刀具普遍刃长在3D以上，铣削加工时接触刃多，切削刃接触面积大，加工阻力也大，刀具螺旋槽成比例增长，刀具刚性减弱。当零件表面有高精度要求时，对刀具刚性影响尤为明显。

图2 标准刀具的加工效果

图3 3D刃长标准刀具

针对这一现象，设计制造非标短刃整体硬质合金刀具，经多次测试和改善，优化后的刀具设计可明显改善零件表面的加工质量，设计方案如图4所示，各刀具技术参数如下：

图4 非标短刃整体硬质合金刀

1）刃长设计为1D，可最大限度保证刀具刚性，减少加工时切削刃接触面，从而减小加工阻力，同时也缩短了刀具螺旋槽长度，增加了刀具刚性。

2）刀具避空直径比D 小0.1mm，保证加工时刀具柄部不会擦伤零件表面，同时也最大限度保证了刀具刚性。

3）刀具有效长度设计为5D，在保证刀具刚性的同时提高了实际加工零件时的通用性，可减少编程和加工现场的刀具库存，降低成本。

（2）加工工艺 如图5 所示，分析坐标磨床磨削孔时的运动轨迹，再利用CAM编程策略的螺旋插补功能找到相同的刀路轨迹策略。螺旋插补是指在指定平面内两轴联动的圆弧插补运动与另一轴上的直线运动同步且同时到达目标位置。螺旋插补铣削具有恒接触、切入切出次数少和圆度好等优点。新工艺运用CAM编程策略的螺旋插补功能优点，采用低转速、低进给和大吃刀量的参数进行螺旋铣削加工。以圆孔直径为φ12.1mm的孔为例，螺旋插补刀路如图6所示，加工工艺见表1，方案研究如下：

图5 坐标磨床研磨圆孔

1）采用单次啄孔策略，高效去除粗铣余量。

2）采用1D刃长非标刀具，留量0.02mm，用半精螺旋插补策略铣削，初次均匀去除余量，同时修正钻头导致的孔位置偏差。

3）采用1D刃长非标刀具，留量0.005mm，用精铣螺旋插补策略铣削，再次均匀去除余量，使孔壁余量保持几乎均匀的理想状态。

4）采用1D刃长非标刀具，留量0mm，用精铣螺旋插补策略铣削，单孔做一次试加工，然后在机检测孔直径，再根据实际测得的数据，调整刀具补偿量，进行最终的批量孔加工。

图6 螺旋插补刀路

如图7所示，通过上述铣削工艺，实测零件表面粗糙度值Ra＝0.4µm，直径为12.103mm，精度达到图样公差要求。在新、旧工艺都可达到技术要求的前提下，新工艺效率提升一倍以上，具体对比见表2。

3. 各切削要素

图7 以铣代磨零件圆孔精度和粗糙度

在加工高精圆孔时，为了满足加工深度，刀具越大越好，这样可以保证刀具刚性。但矛盾的是刀具越大，加工环绕的刀路轨迹就越短，为了保证孔径和圆度，进给速度就要慢，但是降低了加工效率。要保证加工效率，对应的背吃刀量ap就要加大，但背吃刀量过大，又会反过来影响孔表面粗糙度，使孔径尺寸精度变差。所以切削刀径D、切削转速n、切削进给速度vf和背吃刀量ap相辅相成、互为影响，需要根据现场工况测试取得。

精加工刀具直接影响产品质量，必须定期检测并更换精加工刀具。如此精度的尺寸，刀具磨损超限会导致产品超差，因此需进行刀具寿命管控。目视刀具涂层磨损情况和使用高倍的对刀仪检测，能有效判断刀具磨损情况。在涂层脱落或刀尖跳动超出0.006mm的情况下及时更换刀具，保证产品的稳定性。

表2 新、旧工艺质量及效率对比

4. 结语

采用高精度加工中心以铣代磨新工艺代替三井坐标磨床来加工高精密孔类，加工精度高可达3µm、表面粗糙度值R a＝0.4µm、加工效率提高1倍以上、加工成本可降65%以上，且质量稳定可控。在一定条件下，新工艺可以替代价格极其昂贵的精密坐标磨床磨削工艺，充分利用企业的机床资源，降低生产成本。以铣代磨加工技术的发展和推广应用能带动整个制造业的进步，提升效益,是现代切削加工技术的发展方向，具有重要的理论研究与实际应用价值。