塑料压花辊模具的加工工艺研究

摘 "要：通过分析塑料压花辊模具的加工工艺和优化切削加工参数，选用五轴数控机床完成模具的数控加工实践，有效解决塑料压花辊模具凹模型高硬度难加工问题。经过塑料压花辊模具现场使用验收，尺寸精度与表面粗糙度均达到使用性能要求，验证了模具数控加工工艺的合理性。塑料压花辊模具的加工工艺对类似辊类模具的加工具有一定的借鉴指导意义。

关键词：压花辊模具；加工工艺；Gr12MoV；Surfmill

中图分类号：TP319；TH164；TG659 """""""文献标志码：A

Research on processing technology of Plastic Embossing Roll Die

HUANG Yuqi1，CHEN Yin2，YANG Song3（1. Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou 311231， Zhejiang， China;

2. Zhejiang Institute of Economics and Trade， Hangzhou 310018， Zhejiang， China;

3. North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， Hebei， China）

Abstract： By analyzing the processing technology of plastic embossing roll die and optimizing the cutting parameters， the fiveaxis CNC machine tool is selected to complete the CNC machining practice of the die， which effectively solves the problem of high hardness and difficult machining of plastic embossing roll die concave model. The dimensional accuracy and surface roughness of the plastic embossingroll die meet the performance requirements， which verifies the rationality of the CNC machining technology of the die. The processing technology of plastic embossing roll die has certain reference and guiding significance for the processing of similar roll die.

Key words： embossing roll die；processing technology；Gr12MoV；Surfmill

0 "引 "言

压花辊模具常用于塑料、纸张、布料、皮革或软金属等材料表面压印花纹的加工场合。一种塑料压花辊模具的外形结构如图1所示，分别在压花辊外表面周向均布排列一系列凹槽。压花辊模具外表面是工作面，会与被压花材料表面发生旋转摩擦运动，要具备良好的耐磨性和高硬度，材质选为Gr12MoV。模具一般属于单件或小批量加工，四轴及以上数控加工方法是塑料压花辊模具制造生产最经济实用的加工途径。塑料压花辊模具多处凹模型径向深度3mm，材料去除率不大，硬度较高，适宜微切深大进给高转速五轴数控雕铣机床加工。制定科学合理的加工工艺是高效、高质量实现塑料压花辊模具加工实践的关键问题。

对于圆柱模具在设计与制造方面的研究，主要是应用CAM软件先完成模具的三维实体建模，再利用模具的三维模型直接生成数控加工程序，最后实现模具的实际加工。如应用UG实现各种模具的建模并完成实际加工［1-7］，应用MasterCAM实现各种模具的建模并完成实际加工［8-9］，再如应用CAXA实现各种模具的建模并完成实际加工［10-11］。对于圆柱模具在刀具路径和刀轨设计方面的研究，李丽等［12］采用自适应模拟退火遗传算法优化刀触点，寻求最优刀具路径。赵俊花等［13］根据曲率特性运用模糊聚类算法对曲面分区，采用正交试验确定效率和成本综合最优的刀具路径和切削参数。么居标等［14］在五轴数控加工“佛像”中采用曲面驱动的刀轨路径，获得较高的曲面加工精度。对于圆柱模具在加工方案和加工方法方面的研究，施兆伟等［15］对一种模具的加工方案、刀轨规划、切削验证等加工工艺进行制定，解决了模具切削加工难题。赵让乾等［16］提出了一种在辊子模具表面空间圆形凹槽的数控加工方法，有效解决了圆柱辊子凹槽的加工难题。综合上述圆柱模具的研究成果来看，并不存在模块化加工方法和成熟通用的加工工艺，仅为本模具的加工实践提供借鉴参考。圆柱模具的加工制造都是以具体化模具或特定零件为研究对象，针对模具或零件本身的结构特点和加工难点设计合理的加工方案，并相应制定有效的加工工艺。本文依据塑料压花辊模具自身结构特点和加工精度要求，选用Surfmill软件实现实体建模，设计加工方案。选用科学的加工方法及优化切削参数，制定合理的加工工艺是解决问题的关键。

1 "塑料压花辊模具的加工工艺分析

塑料压花辊模具的尺寸精度要求有：外圆直径（135.00±0.03）mm，总长（348.0±0.1）mm；在形位公差上有圆柱度不超过0.05mm的技术要求；在表面质量上的技术要求有：凹模型内各加工表面粗糙度Ra1.6μm，其余表面粗糙度Ra3.2μm，不允许存在毛刺和尖角。

Gr12MoV热处理后硬度超过60HRC，这对保证模具尺寸精度和满足凹模型表面粗糙度具有困难，影响模具制造的加工效率和加工周期。针对塑料压花辊模具的结构特点和加工内容，兼顾经济与效率原则，依次选用普通车、数控车、数控五轴和线切割等机床加工设备。具体结合塑料压花辊模具的加工精度和技术要求，安排如下加工路线：备料→粗车加工→热处理→精车加工→凹模型粗、精加工→线切割加工。最终设计完成塑料压花辊模具机械加工工艺过程卡，加工工艺具体内容如表1所示。

2 "塑料压花辊模具的加工参数优化

在塑料压花辊模具的加工工艺中，数控五轴工序中凹模型的粗、精及倒角加工是难点。对于高硬度材料机械加工，加工方法和切削参数决定加工效率和经济成本。塑料压花辊模具凹模型的加工方法，从Surfmill软件提供的加工方法库中选取，粗加工和精加工都采用多轴区域加工方法，倒角部分采用五轴曲线加工。塑料压花辊模具凹模型的切削参数，依据凹槽尺寸先确定刀具直径，然后利用切削手册确定切削速度的取值范围，运用正交试验选取加工精度和表面质量为考察指标，通过极差分析优化后最终确定主轴转速、进给速度、吃刀深度和加工余量等切削参数，具体数值如表2所示。

塑料压花辊模具凹模型的粗加工、精加工及倒角加工的刀轨设计是生成数控加工程序的重点。以下分别介绍多轴区域加工和五轴曲线加工参数的具体设置，及对刀轨路径进行说明。

3.1 "凹模型加工刀轨设计

在Surfmill中，设置好对应的工件毛坯形状，选择路径向导多轴区域加工。多轴区域加工参数设置应注意：一是映射区域形状必须为矩形。二是加工类型必须为区域加工。三是走刀方式最好为环切走刀，下刀方式必须为沿轮廓下刀。四是注意粗加工切削参数，具体为主轴转速12000r·min－1，进给速度1.5m/min，加工余量中侧边余量与底面余量均为0.1mm，刀具选择D3mm平底刀，路径间距为刀具直径的一半（1.5mm），轴向分层限定深度，吃刀深度0.1mm。五是刀轴控制方式为曲面法向。另外，还应注意刀轴方向中最大角度增量、打开刀轴限界、旋转轴为Z以及无效路径点的处理为移动刀轴。轮廓线选曲面组边界线，即凹槽曲面边界线，导动面选择建模拉伸创建的导动面，最终凹模型粗加工刀具轨迹如图2所示。

凹模型精加工与凹模型粗加工选取相同的加工方法——多轴区域加工，拷贝凹槽粗加工刀具路径。只需修改切削参数：侧边加工余量0.015mm，底部余量为0，重新生成凹模型精加工刀具轨迹。

3.2 "凹模型倒角加工刀轨设计

在Surfmill中，先设置对应的工件毛坯形状，选择路径向导五轴曲线加工。五轴曲线加工参数设置应注意：一是半径补偿必须为右偏移，补偿值为0.2mm。二是注意倒角加工切削参数，具体为主轴转速8000r·min，进给速度0.5m/min，加工余量中侧边余量与底面余量均为0，刀具选择D8mm倒角刀。三是注意限定轴向分层深度，吃刀深度0.5mm。四是必须关闭下刀方式。五是刀轴控制方式由曲线起始。另外，还应注意刀轴方向中参数对应方式、前倾角和侧倾角、最大角度增量、打开刀轴限界、旋转轴为X以及关闭刀轴光顺。轮廓线选凹槽曲面边界线，刀轴曲线选择塑料压花辊模具中心轴线，最终凹模型精加工刀具轨迹如图3所示。

4 "塑料压花辊模具的数控加工

塑料压花辊模具在五轴数控机床上加工外圆柱面上的凹模型后，通过线切割加工切除多余的夹持部分，保证总长（348.0±0.1）mm。经过表面处理塑料压花辊模具最终加工效果如图4所示。

经检测，所有尺寸精度与表面粗糙度均符合技术要求，通过实际生产现场应用塑料压花辊模具，压花效果良好，满足使用性能要求，再次验证塑料压花辊模具加工工艺的正确性和合理性。

5 "结 "语

1） 针对一种塑料压花辊模具零件结构特点和加工难点，安排普车备料粗加工，热处理后数车精加工，然后由数控五轴粗、精加工凹模型，最后线切割去工艺夹头的整体加工工艺方案，经加工实践验证工艺方案的可行性。

2） 在对塑料压花辊模具外表面凹模型采用多轴区域加工和五轴曲线倒角加工，并优化出具体的高速铣削加工参数。多轴区域粗加工：刀具直径3mm、主轴转速12000r·min－1、吃刀深度0.1mm和进给速度1.5m/min；多轴区域精加工：刀具直径3mm、主轴转速12000r·min－1、吃刀深度0.3mm和进给速度0.8m/min；五轴曲线倒角加工：刀具直径8mm、主轴转速8000r·min－1、吃刀深度0.5mm和进给速度0.5m/min。经加工实践验证：加工方法与切削参数合理实用。

参考文献：

［1］杨根，张立昌，林何.包装盒石膏模具数控编程与制造［J］.塑料工业，2020，48（S1）：90-92.

YANG G，ZHANG L C，LIN H.NC programming and manufacturing of plaster mould for packaging box［J］.China Plastics Industry，2020，48（Supl.1）：90-92.

［2］董海东.基于UG的机座注塑模设计与数控加工［J］.模具技术，2016，199（1）：51-55.

DONG H D，Mould design and NC machining of engine base injection mould based on UG［J］.Die and Mould Technology，2016，199（1）：51-55.

［3］张立昌.基于UG-CAM模块铝合金吸塑模具数控编程与制造［J］.模具技术，2018，213（3）：54-57.

ZHANG L C.Numerical control programming and manufacturing of aluminum alloy plastic suction mould based on UG-CAM module［J］.Die and Mould Technology，2018，213（3）：54-57.

［4］徐宗驰，姚芳萍，李金华.基于CAD/CAM的座体熔模模具三维设计与数控加工［J］.热加工工艺，2015，44（13）：82-83，86.

XU Z C，YAO F P，LI J H.3D design and NC machining of investment casting mould based on CAD/CAM［J］.Hot Working Technology，2015，44（13）：82-83，86.

［5］程美.基于CAX的电饭煲注塑模具设计与数控加工［J］.工程塑料应用，2019，47（12）：86-90，96.

CHENG M，Design and NC machining of injection mould for electric rice cooker based on CAX［J］.Engineering Plastics Application，2019，47（12）：86-90，96.

［6］杨根，张立昌，林何等.航空叶片精锻模具设计与数控加工［J］.机床与液压，2020，48（15）：109-113.

YANG G，ZHANG L C，LIN H，et al.Design and NC machining of precision forging die of aviation blade［J］. Machine Tool amp; Hydraulics，2020，48（15）：109-113.

［7］郭鹏远，曹川川，黄杰.基于MasterCAM的汽车轴承座模具数控加工［J］.现代制造工程，2021，485（2）：81-83，109.

GUO P Y，CAO C C，HUANG J.CNC machining of automobile bearing mould based on MasterCAM［J］.Modern Manufacturing Engineering，2021，485（2）：81-83，109.

［8］吴海波，雷卫宁，丁杰，等.基于复杂盘类零件的UG数控编程与仿真［J］.煤矿机械，2017，38（7）：155-157.

WU H B.LEI W N，DING J，et al.CNC programming and simulation for complex plate parts based on UG［J］.Coal Mine Machinery，2017，38（7）：155-157.

［9］韩伟，梁秋华，刘建光，等.MasterCAM五轴加工典型编程策略应用及分析［J］.现代制造工程，2017，439（4）：82-85，109.

HAN W，LIANG Q H，LIU J G，et al.Application and analysis of the typical strategy for five axis machining of MasterCAM［J］.Modern Manufacturing Engineering，2017，439（4）：82-85，109.

［10］李海涛.CAXA制造工程师在模具加工中的应用［J］.塑料科技，2012，40（11）：74-76.

LI H T，Application of CAXA manufacturing engineer in mold processing［J］.Plastics Science and Technology，2012，40（11）：74-76.

［11］邱海飞.CAXA环境下的NC加工工艺设计与仿真［J］.工具技术，2016，50（4）：44-46.

QIU H F.NC machining process design and simulation in CAXA environment［J］.Tool Engineering，2016，50（4）：44-46.

［12］李丽，邓兴国，尚川博.面向能效的曲面数控加工刀具路径优化方法［J］.机械工程学报，2017，53（11）：184-194.

LI L，DENG X G，SHANG C B.Tool path optimization with highefficiency and low energy consumption for surface CNC machining［J］.Journal of Mechanical Engineering，2017，53（11）：184-194.

［13］赵俊花，李丽，李玲玲等.面向高效节能的复杂曲面分区数控铣削加工优化方法［J］.中国机械工程，2019，（1）：64-71.

ZHAO J H，LI L，LI L L，et al.Optimization method of partitioned complex surface CNC milling for minimum energy consumption and high efficiency［J］.China Mechanical Engineering，2019，（1）：64-71.

［14］么居标，曹著明，孙红梅，等.复杂曲面五轴数控加工关键技术研究［J］.机械设计与制造，2017，317（7）：128-130.

YAO J B，CAO Z M，SUN H M，et al. The research of key technology based on five axis NC maching of complex surface［J］.Machinery Design amp; Manufacture，2017，317（7）：128-130.

［15］施兆伟，李玉芬，封光磊，等.一种模具切削方案的制定与实施［J］.机械设计，2019，36（增1）：412-416.

SHI Z W，LI Y F，FENG G L，et al. Formulation and implementation of the mould cutting scheme［J］.Journal of Machine Design，2019，36（Supl.1）：412-416.

［16］赵让乾，赵海军.辊子模具表面空间圆形凹槽数控加工方法［J］.现代制造工程，2019，469（10）：82-84.

ZHAO R Q，ZHAO H J.CNC machining method for circular grooves on the surface of roll dies［J］.Modern Manufacturing Engineering，2019，469（10）：82-84.

基金项目：河北省科技计划项目（编号：18211840）。

作者简介：黄俞淇，副教授，主要从事机械设计及制造方面的研究。

（1. 浙江同济科技职业学院，浙江 "杭州 "311231；

2. 浙江经贸职业技术学院，浙江 "杭州 "310018；

3. 北华航天工业学院，河北 "廊坊 "065000）