【模具課堂】模具制造中常見的問題解決措施

2016-10-11模具網

一、選擇模具鋼時什么是最重要的和最具有決定性意義的因素？

1.成形方法

可從兩種基本材料類型中選擇：

• A) 熱加工工具鋼，它能承受模鑄.鍛造和擠壓時的相對高的溫度。
• B) 冷加工工具鋼，它用于下料和剪切.冷成形.冷擠壓.冷鍛和粉末加壓成形。

2.塑料

一些塑料會產生腐蝕性副產品，例如PVC塑料。長時間的停工引起的冷凝.腐蝕性氣體.酸.冷卻/加熱.水或儲存條件等因素也會產生腐蝕。在這些情況下，推薦使用不銹鋼材料的模具鋼。

3.模具尺寸

大尺寸模具常常使用預硬鋼，整體淬硬鋼常常用于小尺寸模具。

4.模具使用壽命

• 長期使用（＞1,000,000次）的模具應使用高硬度鋼，其硬度為48－65 HRC。
• 中等長時間使用（100,000到1,000,000次）的模具應使用預硬鋼，其硬度為30－45 HRC。
• 短時間使用（<100,000次）的模具應使用軟鋼，其硬度為160－250 HB。

5.表面粗糙度

許多塑料模具制造商對好的表面粗糙度感興趣。當添加硫改善金屬切削性能時，表面質量會因此下降，硫含量高的鋼也變得更脆。

二、影響材料可切削性的首要因素是什么？

• 1.化學成分：鋼的合金成分越高，就越難加工，當碳含量增加時，金屬切削性能就下降。
• 2.鋼的結構：不同的結構影響金屬切削性能，如鍛造.鑄造.擠壓.軋制和已切削加工過的，鍛件和鑄件有非常難于加工的表面。
• 3.硬度：硬度是影響金屬切削性能的一個重要因素，一般規律是鋼越硬，就越難加工。 高速鋼（HSS）可用于加工硬度最高為330-400 HB的材料；高速鋼+鈦化氮（TiN）涂層，可加工硬度最高為45 HRC的材料； 而對于硬度為65-70 HRC的材料，則必須使用硬質合金.陶瓷.金屬陶瓷和立方氮化硼（CBN）。
• 4.非金屬參雜：一般對刀具壽命有不良影響。 例如Al2O3 （氧化鋁），它是純陶瓷，有很強的磨蝕性。
• 5.殘余應力：殘余應力能引起金屬切削性能問題，常常推薦在粗加工后進行應力釋放工序。

三、模具制造的生產成本由哪些部分組成？

粗略地說，成本的分布情況如下：

• 切削 65％
• 工件材料 20％
• 熱處理 5％
• 裝配/調整 10％

這也非常清楚地表明了良好的金屬切削性能和優良的總體切削解決方案對模具的經濟生產的重要性。

四、鑄鐵的切削特性是什么？

一般來說，鑄鐵的硬度和強度越高，金屬切削性能越低，從刀片和刀具可預期的壽命越低，用于金屬切削生產的鑄鐵其大部分類型的金屬切削性能一般都很好。金屬切削性能與結構有關，較硬的珠光體鑄鐵其加工難度也較大。片狀石墨鑄鐵和可鍛鑄鐵有優良的切削屬性，而球墨鑄鐵相當不好。

一般對加工鑄鐵所要求的典型刀具屬性為：

高熱硬度和化學穩定性，但也與工序.工件和切削條件有關；要求切削刃有韌性.耐熱疲勞磨損和刃口強度。切削鑄鐵的滿意程度取決于切削刃的磨損如何發展：快速變鈍意味著產生熱裂紋和缺口而使切削刃過早斷裂.工件破損.表面質量差.過大的波紋度等。正常的后刀面磨損.保持平衡和鋒利的切削刃正是一般需要努力做到的。

五、什么是模具制造中主要的.共同的加工工序？

切削過程至少應分為3個工序類型：粗加工.半精加工和精加工，有時甚至還有超精加工（大部分是高速切削應用）。殘余量銑削當然是在半精加工工序后為精加工而準備的，在每一個工序中都應努力做到為下一個工序留下均勻分布的余量，這一點非常重要。如果刀具路徑的方向和工作負載很少有快速的變化，刀具的壽命就可能延長，并更加可預測。如果可能，就應在專用機床上進行精加工工序，這會在更短的調試和裝配時間內提高模具的幾何精度和質量。

六、在這些不同的工序中應主要使用何種刀具？

• 1.粗加工工序：圓刀片銑刀.球頭立銑刀及大刀尖圓弧半徑的立銑刀。
• 2.半精加工工序：圓刀片銑刀（直徑范圍為10－25 mm的圓刀片銑刀），球頭立銑刀。
• 3.精加工工序：圓刀片銑刀.球頭立銑刀。
• 4.殘余量銑削工序：圓刀片銑刀.球頭立銑刀.直立銑刀。

通過選擇專門的刀具尺寸.槽形和牌號組合，以及切削參數和合適的銑削策略，來優化切削工藝，這非常重要。

七、在切削工藝中有沒有一個最重要的因素？

切削過程中一個最重要的因素是在每一個工序中為每一種刀具創建均勻分布的加工余量，這就是說，必須使用不同直徑的刀具（從大到小），特別是在粗加工和半精加工工序中，任何時候主要的標準應是在每個工序中與模具的最終形狀盡可能地相近。

當ap/ae（軸向切削深度/徑向切削深度）不變時，切削速度和進給率也可恒定地保持在較高水平上，這樣，切削刃上的機械作用和工作負載變化就小，因此產生的熱量和疲勞也少，從而提高了刀具壽命。

八、為什么經常將圓刀片銑刀作為模具粗加工刀具的首選？

如果使用方肩銑刀進行型腔的粗銑削，在半精加工中就要去除大量的臺階狀切削余量，這將使切削力發生變化，使刀具彎曲，其結果是給精加工留下不均勻的加工余量，從而影響模具的幾何精度。如果使用刀尖強度較弱的方肩銑刀（帶三角形刀片），就會產生不可預測的切削效應。三角形或菱形刀片還會產生更大的徑向切削力，并且由于刀片切削刃的數量較少，所以他們是經濟性較差的粗加工刀具。

圓刀片可在各種材料中和各個方向上進行銑削，如果使用它，在相鄰刀路之間過渡較平滑，也可以為半精加工留下較小的和較均勻的加工余量。圓刀片的特性之一是他們產生的切屑厚度是可變的，這就使它們可使用比大多數其它刀片更高的進給率。圓刀片的主偏角從幾乎為零（非常淺的切削）改變到90度，切削作用非常平穩。

九、什么是有效切削速度（ve）？為什么它對高生產率非常重要？

切削中，實際或有效直徑上的有效切削速度的基本計算總是非常重要。由于臺面進給量取決于一定切削速度下的轉速，如果未計算有效速度，臺面進給量就會計算錯誤。當切削深度淺時，有效或實際切削速度要比計算速度低得多，計算得到的進給率也低得多，這嚴重降低了生產率。更重要的是，刀具的切削條件低于它的能力和推薦應用范圍。

當進行3D切削時，切削時的直徑在變化，它與模具的幾何形狀有關，此問題的一個解決方案是定義模具的陡壁區域和幾何形狀淺的零件區域，如果對每個區域編制專門的CAM程序和切削參數，就可以達到良好的折中和結果。

十、對于成功的淬硬模具鋼銑削來說，重要的應用參數有哪些？

使用高速銑對淬硬模具鋼進行精加工時，一個需遵守的主要因素是采用淺切削，切削深度應不超過0.2/0.2 mm（ap/ae軸向切削深度/徑向切削深度）。這是為了避免刀柄/切削刀具的過大彎曲和保持所加工模具擁有小的公差和高精度。

選擇剛性很好的夾緊系統和刀具也非常重要，當使用整體硬質合金刀具時，采用有最大核心直徑（最大抗彎剛性）的刀具非常重要；當用高速銑對淬硬模具鋼進行精加工時，選擇專用槽形和牌號也非常重要。

十一、什么時候應采用順銑，什么時候應采用逆銑？

主要建議是：盡可能多使用順銑。當切削刃剛進行切削時，在順銑中，切屑厚度可達到其最大值，而在逆銑中，為最小值。一般來說，在逆銑中刀具壽命比在順銑中短，這是因為在逆銑中產生的熱量比在順銑中明顯地高。在逆銑中當切屑厚度從零增加到最大時，由于切削刃受到的摩擦比在順銑中強，因此會產生更多的熱量，逆銑中徑向力也明顯高，這對主軸軸承有不利影響；在順銑中，切削刃主要受到的是壓縮應力，這與逆銑中產生的拉力相比，對硬質合金刀片或整體硬質合金刀具的影響有利得多。

十二、仿形銑削還是等高線切削？

在型腔銑削中，保證順銑刀具路徑成功的最好方法是采用等高線銑削路徑，銑刀外圓沿等高線銑削常常得到高生產率，這是因為在較大的刀具直徑上，有更多的齒在切削。如果機床主軸的轉速受到限制，等高線銑削將幫助保持切削速度和進給率，采用這種刀具路徑，工作負載和方向的變化也小。

為了得到最長的刀具壽命，在銑削過程中應使切削刃盡可能長時間地保持連續切削。如果刀具進入和退出太頻繁，刀具壽命會明顯縮短，這會使切削刃上的熱應力和熱疲勞劇。仿形銑削路徑常常是逆銑和順銑的混合（之字形），這意味切削中會頻繁地吃刀和退刀，這種刀具路徑對模具質量也有不好的影響。每次吃刀意味刀具彎曲，在表面上便有抬起的標記，當刀具退出時，切削力和刀具的彎曲減小，在退出部分會有輕微的材料“過切削”。

十三、為什么有的銑刀上必須有不同的齒距？

銑刀是多切削刃刀具，齒數是可改變的，有一些因素可以幫助確定用于不同加工類型的齒距或齒數。材料.工件尺寸.總體穩定性.懸伸尺寸.表面質量要求和可用功率就是與加工有關的因素。

銑刀的齒距是刀片切削刃上的點到下一個切削刃上同一個點的距離。銑刀分為疏.密和超密齒距銑刀，密齒距是指有較多的齒和適當的容屑空間，可以以高金屬去除率切削，一般用于鑄鐵和鋼的中等負載銑削；疏齒距是指在銑刀圓周上有較少的齒和有大的容屑空間，常用于鋼的粗加工到精加工，在鋼加工中振動對加工結果影響很大，它是長懸伸銑削.低功率機床或其它必須減小切削力應用的首選；超密齒距刀具的容屑空間非常小，可以使用較高的工作臺進給，適合于間斷的鑄鐵表面的切削.鑄鐵粗加工和鋼的小余量切削，例如側銑。

十四、為了獲得最佳性能，銑刀應怎樣定位？

切削長度會受到銑刀位置的影響，刀具壽命常常與切削刃必須承擔的切削長度有關。定位于工件中央的銑刀其切削長度短，如果使銑刀在任一方向偏離中心線，切削的弧就長。在刀具定位于工件的中央的情況下，當刀片切削刃進入或退出切削時，徑向切削力的方向就隨之改變，機床主軸的間隙也使振動加劇，導致刀片振動。

通過使刀具偏離中央，就會得到恒定的和有利的切削力方向，懸伸越長，克服所有可能的振動也就越重要。

十五、為了消除切削過程中的振動，應采取什么措施？

當存在振動問題時，基本措施是減小切削力，這可通過使用正確的刀具.方法和切削參數達到。

遵守下面的已證明有效的建議：

• 1.選擇疏齒距或不等齒距銑刀；
• 2.使用正前角.小切削力刀片槽形；
• 3.盡可能使用小銑刀；
• 4.使用小切削刃鈍化半徑（ER）的刀片；
• 5.使用大的每齒進給。降低轉速，保持工作臺進給量或保持轉速并提高工作臺進給量（較大的每齒進給量），切勿減小每齒進給量；
• 6.減小徑向和軸向切削深度；
• 7.選擇穩定的刀柄，使用盡可能大的接柄尺寸，以獲得最佳穩定性，使用錐度加長桿，以獲得最大剛性；
• 8.對于大懸伸，使用與疏齒距不等齒距銑刀結合的減震接桿。安裝銑刀時，使銑刀與減震接柄直接連接；
• 9.使銑刀偏離工件中心；
• 10.如果使用偶數齒的刀具，可每隔一齒拆下一個刀片。

十六、為了使刀具平衡，應采取的最重要措施有哪些？

在整個切削過程中，為達到刀具平衡牽涉到的典型步驟如下：

• 1.測量刀具/刀柄組件的不平衡；
• 2.通過變更刀具.切削它以去除一些質量，或移動刀柄上的配重來降低不平衡；
• 3.經常必須重復這些步驟，包括再次檢查刀具.再次精確調整，直到達到平衡。

為了很好地平衡刀具，在選擇正確的刀具時還有許多工作要做。以下幾點是選擇刀具時應給予考慮的：

• 1.購買高質量的刀具與刀柄，應選擇預先已消除了不平衡的刀柄；
• 2.最好使用短的和盡可能輕的刀具；
• 3.定期檢驗刀具和刀柄，檢查是否有疲勞螺紋和變形的征兆。

十七、在常規和高速切削應用中，為了得到盡可能好的效果，我應使用何種刀柄？

高速加工時，離心力非常大，會導致主軸孔慢慢變大，這對一些V形法蘭的刀柄會產生負面影響，因為V形法蘭的刀柄僅在徑向面上與主軸孔接觸。主軸孔變大會使刀具在拉桿恒定的拉力作用下被拉入主軸，這甚至會引起刀具粘住或Z軸方向的尺寸精度降低。

與主軸孔和端面同時接觸的刀具，即徑向和軸向同時配合的刀具更適用于高速下的切削，當主軸孔擴大時，端面接觸可避免刀具在主軸孔內向上的移動。使用空心刀柄的刀具也容易受離心力的影響，但它們已設計成在高速下隨主軸孔的增大而增大。

當安排高速切削時，應盡量使用由對稱的刀具和刀柄組合而成的刀具系統，先將刀柄加熱使孔擴張，待它們冷卻后刀具就被夾緊了，這就是過盈配合系統，對于高速切削來說，這是最好和最可靠的固定刀具方法。首先是因為它的跳動量非常小；第二，這種連接能傳遞大扭矩；第三，它很容易構建定制刀具和刀具組件；最后，用這種方法組成的刀具組件有極高的總體剛性。

十八. 我應怎樣切削轉角才能沒有振動的危險？

傳統的切削轉角的方法是使用線性切削，在轉角的過渡不連續。這就是說，當刀具到達角落時，由于線性軸的動力特性限制，刀具必須減速。在電機改變進給方向前，有一短暫的停頓，這會產生大量的熱量和摩擦，很長的接觸長度會導致切削力的不穩定，并常常使角落切削不足，典型的結果是振動——刀具越大和越長，或刀具總懸伸越大，振動越強。

此問題的最佳解決方案：

• 1.使用圓角半徑比轉角半徑小的刀具。
• 2.通過圓弧插補產生比圖紙上的規定稍大些的圓角半徑。這是很有利的，這樣，有時就可在粗加工中使用較大的刀具，以保持高生產率。
• 3.在角落處余下的加工余量可以采用較小的刀具進行固定銑削或圓弧插補切削。

十九、什么是開始切削型腔的最佳方法？

• 1.起始孔的預鉆削，角落也可預鉆削。不推薦這種方法：這需要增加一種刀具，同時此刀具也要占據刀具室內空間。單從切削的觀點看，刀具通過預鉆削孔時因切削力而產生不利的振動，當使用預鉆削孔時，常常會導致刀具損壞，使用預鉆削孔，也會增加切屑的再切削。
• 2.如果使用球頭立銑刀或圓刀片刀具，通常采用啄銑，以保證全部軸向深度都能得以切削，使用這種方法的缺點是排屑問題和使用圓刀片會產生非常長的切屑。
• 3.最佳的方法之一是使用X/Y和Z方向的線性坡走切削，以達到全部軸向深度的切削。
• 4.可以以螺旋形式進行圓插補銑。這是一種非常好的方法，因為它可產生光滑的切削作用，而只要求很小的開始空間。

二十、高速切削的定義是什么？

對于高速切削的討論在一定程度上仍是混亂的。如何定義高速切削（HSM），目前有許多觀點和許多方法。

讓我們看一下這些定義中的幾個：

• 1.高切削速度切削
• 2.高主軸速度切削
• 3.高進給切削
• 4.高速和高進給切削
• 5.高生產率切削

我們對高速切削的定義描述如下：

• 1.HSM不是簡單意義上的高切削速度，它應當被認為是用特定方法和生產設備進行加工的工藝。
• 2.高速切削無需高轉速主軸切削。許多高速切削應用是以中等轉速主軸并采用大尺寸刀具進行的。
• 3.如果在高切削速度和高進給條件下對淬硬鋼進行精加工，切削參數可為常規的4到6倍。
• 4.在小尺寸零件的粗加工到半精加工.精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味著高生產率切削。
• 5.零件形狀變得越來越復雜，高速切削也就顯得越來越重要。
• 6.現在，高速切削主要應用于錐度40的機床上。

二十一、高速切削的目標是什么？

高速切削的主要目標之一是通過高生產率來降低生產成本，它主要應用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具鋼。另一個目標是通過縮短生產時間和交貨時間提高整體競爭力。

達到這些目標的主要因素為：

• 1.一次（更少此數）裝夾的模具加工。
• 2.通過切削改善模具的幾何精度，同時可減少手工勞動和縮短試模時間。
• 3.使用CAM系統和面向車間的編程來幫助制定工藝計劃，通過工藝計劃提高機床和車間的利用率。

二十二、高速切削的實際優點是什么？

刀具和工件可保持低溫度，這在許多情況下延長了刀具的壽命，另一方面，在高速切削應用中，切削量是淺的，切削刃的吃刀時間特別短。這就是說，進給比熱傳播的時間快。

低切削力得到小而一致的刀具彎曲。這與每種刀具和工序所需的恒定的加工余量相結合，是高效和安全加工的先決條件之一。

由于高速切削中典型的切削深度是淺的，刀具和主軸上的徑向力低，這減少了主軸軸承.導軌和滾珠絲杠的磨損。高速切削和軸向銑削也是良好的組合，它對主軸軸承的沖擊小，使用這種方法可以使用懸伸較長的刀具而振動的風險不大。

高速切削可在一般精加工中獲得高生產率，可獲得杰出的表面質量，表面質量常低于Ra 0.2 um。 采用高速切削，使對薄壁零件的切削成為可能，使用高速切削，吃刀時間短，沖擊和彎曲減小了。

模具的幾何精度提高了，組裝就容易和更快了，無論是什么人，技能如何，都能獲得CAM/CNC生產的表面紋理和幾何精度。如果花在切削上的時間稍多一些，費時的人工拋光工作可顯著減少，常常可減少達60-100%

二十三、高速切削有風險或缺點嗎？

• 1.由于起始過程有高的加速度和減速度以及停止，導軌.滾珠絲杠和主軸軸承產生相對快的磨損。這常常導致較高的維護成本。
• 2.需要專門的工藝知識.編程設備和快速傳送數據的接口。
• 3.可能很難找到和挑選高級技術員工。
• 4.常有相當長的調試和出故障時間。
• 5.加工中無需緊急停止，導致人為錯誤和軟件或硬件故障會產生許多嚴重后果。
• 6.必須有良好的加工計劃——“向饑餓的機床提供食物”。

必須有安全保護措施：使用帶安全外罩及防碎片蓋的機床。避免刀具的大懸伸。不要使用“重”刀具和接桿。定期檢查刀具.接桿和螺栓是否有疲勞裂紋。 僅使用注明最高主軸速度的刀具。不要使用整體高速鋼（HSS）刀具！

二十四、高速切削對機床有哪些要求？

對ISO/BT 40號機床的典型要求如下：

• 1.主軸速度范圍<40,000 轉/分
• 2.主軸功率>22 kW
• 3.可編程進給率40-60m/分
• 4.快速橫向進給<90 m/分
• 5.軸向減速度/加速度>1 G
• 6.塊處理速度1-20 毫秒
• 7.數據傳遞速度250 Kbit/s (1 毫秒)
• 8.增量（線性）5-20微米
• 9.或 NURBS 插補
• 10.主軸具有高熱穩定性和剛性，主軸軸承具有高的預張力和冷卻能力。
• 11.通過主軸的送風/冷卻液
• 12.具有高的吸收振動能力的剛性機床框架
• 13.各種誤差補償——溫度.象限.滾珠絲杠是最重要的。

二十五、高速切削對切削刀具的典型特性或要求有哪些？

整體硬質合金：

• 1.高精度磨削，徑向跳動低于3微米。
• 2.盡可能小的凸出和懸伸，最大的剛性，盡可能小的刀具彎曲變形和大的芯核直徑。
• 3.為了使振動的風險.切削力和彎曲盡可能小，切削刃和接觸長度應盡可能短。
• 4.超尺寸.錐度刀柄，這在小直徑時特別重要。
• 5.細晶粒基體和為了得到高耐磨性的TiAlN 涂層。
• 6.用于風冷或冷卻液的內冷卻孔。
• 7.適合淬硬鋼高速切削要求的堅固微槽形。
• 8.對稱刀具，最好是設計保證平衡。

使用可轉位刀片的刀具：

• 1.設計保證的平衡。
• 2.在刀片座和刀片上的保證跳動量小的高精度，主刀片的最大徑向跳動為10微米。
• 3.適合淬硬鋼高速切削要求的牌號和槽形。
• 4.刀具體上有適當的間隙，以避免刀具彎曲（切削力）消失時產生摩擦。
• 5.送風或冷卻液的冷卻孔（立銑刀）。
• 6.刀具體上標明允許的最大轉速。

來源：模具網