（机械制造及其自动化专业论文）注塑模具型面高速切削与抛光复合加工的研究.pdf

硕l 学位论文 摘要 随着数控技术的发展，当今的机械加工已经开始步入高速化切削的时代。作 为一个竞争激烈的行业，模具制造存在精度要求高、表面质量控制严格、同时交 付使用的期限短的特点，对先进制造技术的要求更加迫切。借鉴我国黄岩地区等 塑料模具的生产情况，新型的高速切削机床也已经投入使用。但是，并没有完全 替代过去抛光生产的现状，即广泛采用专用机器人或者使用人工抛光的方式进行 生产。这就造成了模具制造时，效率较低，表面质量难以有效保证，或者制造设 备多样，成本投入大的问题。 为了解决这些弊端，本文分析了抛光的特点、基本设备和理论，针对透明件 注塑模具的表面质量要求，结合高速切削机床自身的特点，制定了一个在高速切 削机床上利用独立开发的新型抛光工具，采用直接换刀方式，借用m a s t e r c a m 软 件制定切削和抛光轨迹，实现最终切削抛光同机完成的一种加工方式。 理论和分析证明，所设计的新型抛光工具具有结构紧凑短小，工作中主轴受 离心力的作用影响小于高速切削时切削力的影响等特点，因而适用于在高速机床 上工作。同时对抛光去除率进行了分析，得出了计算公式，并给出了所涉及常数 的求解方法。在抛光中可以根据抛光去除率以及实验得出的模具表面粗糙度变化 规律，决定抛光作业的步骤，以使抛光过程不仅可以满足表面粗糙度的要求，同 时还可以实现对尺寸的有效控制。 在抛光工具的设计制造中，采用了工作头部分变形的两段化设计，保证了抛 光工具头在工作中变形可控，并可以与工件紧密贴合，变形小，但抛光接触区域 大小适宜。 利用正交试验，根据抛光时的主要影响因子，制订了试验组，并对试验结果 进行了对比分析。在分析的基础上优选了抛光条件的搭配，并得到了良好的抛光 结果。本文中所得到的最终抛光质量符合透明件注塑模具的要求，同时抛光道次 少，对零件的尺寸影响较低。改善了现有抛光作业的方式下设备多，质量控制较 困难的弊端，提升了加工效率，提供了模具制造的一个新选择。 关键词：复合加工；高速切削；抛光；注塑模具；正交试验 汴塑模具型面高速切削与抛光复合加- t 的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h em a n u f a c t u r eh a s b e g u nt oa d o p tt h eh i g h s p e e dc u t t i n g ( h s c ) a sac o m p e t i t i v ei n d u s t r y , t h em a c h i n i n g o fm o u l d sh a st og u a r a n t e eh i g hd i m e n s i o np r e c i s i o n ，s t r i c tf i n i s hq u a l i t y , a n dt h es w i f t d e l i v e r y i nh u a n g y a na r e af o rt h ep r o d u c t i o no fp l a s t i cm o l d ，h i g h - s p e e dc u t t i n gt o o l s h a sb e e nu s e d h o w e v e r ，i th a sn o tc o m p l e t e l yi m p r o v e dt h ep o l i s h i n g r o b o t so r a r t i f i c i a lp o l i s h i n gp r o d u c t i o n ，w h i c hc a u s e sl o we f f i c i e n c y ，d i f f i c u l tg u a r a n t e eo ft h e q u a l i t yo fs u r f a c e ，a sw e l la sv a r i o u so fm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ta n dh i g hc o s t s t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de q u i p m e n to fp o l i s h i n g ，a n da d o p t e da n e wp r o c e s sm o d e lf o rt r a n s p a r e n tp a r t s i n j e c t i o nm o u l ds u r f a c et og u a r a n t e et h e q u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e dc u t t i n gm a c h i n e i t s e l fu s i n gn e wp o l i s h i n gt o o l s ，a u t o m a t i cc h a n g eo ft o o l s ( a p t ) a n dm a s t e r c a mf o r t h ea r r a n g e m e n to fp l o s h i n gp a t ht oa c h i e v et h ec u t t i n g - p o l i s h i n go no n em a c h i n et 0 0 1 t h e o r ya n a l y s i ss h o w st h ed e s i g n e dp o l i s h i n gt o o l w i t hc o m p a c ts t r u c t u r ei s s u i t b a l et ow o r ko nah m cm a c h i n et o o l ，f o rt h ee f f e c tt ot h em a i na x i sc a u s e db yt h e e c c e n t r i cf o r c ei sd e f i n i t e l yl i g h t e rt h a nt h ee f f e c to fc o m m o nc u t t i n gf o r c e r e m o v a l r a t eo fp o l i s h i n gi sa n a l y s e da n dt h em e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ei n v o l v e dc o n s t a n ti s g i v e n s o ，i np o l i s h i n g ，i ti sc o n v e n i t et od e c i d et h ep r o c e d u r e ，b a s e do nt h er e m o v a l r a t ea n dt h er u l eo fr o u g h n e s sc h a n g eo fp o l i s hd i l e v e r e db ye x p e r i m e n tw h i c h g u a r a n t e e st h ef i n i s ha sw e l la st h ef i n i n a ld i m e n s i o n a lp r e c i s i o n t h ed e f o r m a t i o no ft h ew o r k i n gp a r to ft h ep o l i s h i n gt o o li sw e l lc o n t o r l e d ，w i t h t w od e f o r m a t i o np e r i o d a n dt h ep o l i s h i n gt o o lc l o s e l yc o n t a c t st h ew o r k p i e c e ，w i t h l i m i t e dd e f o r m a t i o na n das u i t a l b ed i m e n t i o no fc o n t a c ta r e a b a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，a c c o r d i n gt ot h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s ， e x p e r i m e n tg r o u p sa r ed e c i d e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b a s e do nw h i c h ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fp o l i s h i n gi sc h o s e n ，a n do b t a i n e dg o o d r e s u l t so fp o l i s h i n g t h ef i n a lp o l i s h i n gq u a l i t ya c c o r d sw i t ht h er e q u i r e m e n t t h e e x i s t e dd i s a d v a n t a g e ss u s ha sv a r i o u se p u i p m e n t ，q u a l i t yc o n t r o ld i f f i c u l t y , l o w e f f i c i e n c yi si m p r o v e da n dan e wc h o i c eo fm o u l dm a n u f a c t u r i n gi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c o m p o s i t em a c h i n i n g ；h i g h s p e e dc u t t i n g ( h s c ) ；p o l i s h i n g ；p l a s t i cm o u l d ； t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 硕一f j 学位论文 附表索引 表2 1d 3 1 8 高速切削设备主要性能参数指标8 表2 2 高速切削机床与抛光机器人的对比9 表2 3 影响模具脱模的因素1 2 表2 4 各种刀柄形式的精度2 2 表2 5 最大化偏差g 值计算取值表3 0 表2 6 动平衡后g 值计算取值表3 1 表2 7 影响因子选择表5 2 表2 8 实验安排因子搭配表5 3 表2 9 实验结果5 3 表2 1 0 极差分析表5 4 硕十学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 图3 图3 图3 插图索引 回火温度对p 2 0 钢硬度、冲击韧性的影响2 p 2 0 硬度对抛光性能的影响一3 模具加工各阶段用时4 某型抛光机器人机器连杆坐标系简图7 d 2 1 8 高速铣削中心双摆工作头基本结构和摆角范围一8 d 2 1 8 高速铣削中心的运动自由度一9 并联机床1 0 装备h s k 刀柄的刀具1 1 冰箱抽屉产品及凹模型腔简图1 2 高速切削残留痕迹1 5 应用于模具自由曲面的新型机器人气囊抛光技术2 1 h s k 刀柄体系构成2 2 抛光工具整体简图2 3 抛光头结构图2 3 气囊体剖面构造2 4 图3 6 未加碳纤维层之前0 6 m p a 下气囊的变形一2 5 图3 7 长丝碳纤维( 未经处理、束状) 和碳纤维布2 6 图3 8纤维加强层编织方式2 6 图3 9 施加碳纤维层之前0 6 m p a 下气囊的变形2 7 图3 1 0 不平衡公差值与g 值关系图2 8 图3 1 1 工具动平衡步骤。3 1 图3 1 2 自动调节气压方式3 3 图4 1留量模型原理图3 5 图4 2 加工流程框图3 6 图4 3切削刀具轨迹过渡3 7 图4 4 所选使用m a t l a b 时的加工路线3 8 图4 5m a t l a b 模拟加工凹模曲面3 8 图4 6 刀具倾斜角度关系3 9 图4 8 交叉切痕与平行切痕下抛光去除率对比4 1 图4 9 平行轨迹与放射轨迹4 2 图4 1 0 抛光工具头与工件的接触姿态4 3 i i i 注塑模具型而高速切削与抛光复合加工的珂f 究 图4 1 1 抛光接触区相对速度简示图4 4 图4 1 2 抛光平面叠加关系4 4 图4 1 3 加工曲面时的抛光接触面4 6 图4 1 4 抛光作业流程4 7 图5 1抛光实验运动关系简示图4 9 图5 2抛光压力对表面粗糙度的影响4 9 图5 3 抛光工具转速对表面粗糙度的影响5 0 图5 4 抛光次数对表面粗糙度的影响5 0 图5 5进给速度对表面粗糙度的影响5 1 图5 6c 轴转角对表面粗糙度的影响5 2 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：泓艮乳日期：夕一，口年歹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：肖徽乞 导师签名：布i j ) 方岳 日期：o ，。年多月7 日 日期：2 0 i 0 年多月i oe t 硕十学位论文 i i mi i i i e ee l m 。鼍寰曼曼鼍曼曼曼! ! 曼曼曼! 曼! ! 曼! ! 黑曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼鼍舅舅 第1 章绪论 随着我国经济水平的不断增长、人民生活水平和生活要求的提高、企业间竞 争的日益加剧，汽车、电子、家电等行业对产品质量、外观的要求越来越高。这 些产品的零件很多是借助于模具冲压或是注塑成型的。模具作为工业之母的重要 性越来越凸显。模具的加工能力和质量对冲压和注塑产品具有深远的影响。其加 工误差和表面缺陷会直接复制到产品表面。为得到优质的零件，必须对模具的加 工( 尺寸，表面) 精益求精。 而且，家电等产品日益成为竞争激烈的消费品，一个新产品从设计之初到最 终投入市场，时间越快往往利润获得就越多，晚于对手投入市场，竞争力和销售 价格就会大打折扣。这就对模具的开发提出了时间上更为紧迫的要求。比如，在 富士康公司，一套笔记本电脑插接件注塑模具从设计到交付使用，用时仅为两周 左右。 在模具的制造上，虽然已有不少企业引进了高速切削机床，理论上加工能力 和质量会有极大的提升。但是限于工艺水平和对相关技术的掌握，目前并不能充 分发挥高速机床的实际加工能力和已有模具钢的优良特性。因此新技术的转化应 用和相关的工艺开发在提升装备应用效率，提高加工质量、缩短制造周期方面十 分必要。 模具制造中，切削和抛光部分占用时间最长，如果可以实现以切削代替抛光， 这不仅可以大大缩短模具的制造周期，相对于传统的手工抛光还更易于确保尺寸 精度。质量和效率都有可能大幅上升。那么，高速切削能否完全替代抛光作业， 如何实现高速机床这一尖端设备加工能力的充分发挥，需要对具体的模具类型加 以研究，同时也需要对高速切削加工的现状加以充分的研究。 本课题针对冰箱等家用电器的透明件塑料模具展开，这些模具通常具有大型， 型面设计多为自由曲面，尺寸精密，表面质量要求高，开发制造周期应市场要求 而较为短等特点。这些模具多采用p 2 0 和7 1 8 塑料模具钢制造，例如海尔集团的 注塑模具( 电器，汽车用) 主要就是依靠7 1 8 钢，也有许多厂家使用普通的4 5 号 钢。本文课题主要研究内容为，大型透明模具在高速切削机床上实现在切削与抛 光的复合加工，简化生产工艺流程，以提升模具的制造精度、表面质量和加工效 率。 1 1 国内外研究现状综述 1 1 1 模具发展趋势和h s m 总体上看，如今模具正在日益向着大型化，精密化方向发展【1 。3 1 。然而这些模 耋茎耋量蓦雾至圣呈! ! 耋篓耋耋耋詈王篁：耋 具的开发和制造，尤其是制造目前在国内业界是相对困难的，甚至部分依赖进口【4 l 。 模具制造成本一般都很高，动辄在数十万元一套。在工艺技术不成熟的情况下， 很可能在加工中需要重新加工甚至出现废品。严重影响了企业效益和声誉。而目 前我国在精密制造上尚离发达国家有较大的差距。目前我国模具虽有出口，但是 出口多为低端产品，附加值不高。为提升竞争力必须保证切削加工零件表面的成 型和质量，必然需要新的技术设各和工艺。 高速切削p 】是先进制造技术的共性基础技术，己逐步成为切削制造的主流。它 集成了机床结构与材料，高速主轴系统、快速进给、高性能c n c 控制、高性能刀 夹和刀具系统，并具有高精度测试技术。其加工速度快，n i - 精度高，尤其适应 模具制造的准确性、柔性化、小批量、高精度要求。同时模具制造中，高速切 削加工相对于普通数控机床，还拥有其自身的编程和加工特点，比如：余量切除。 它针对切削过程，能够根据加工表面的原始形态和走刀路线对切削过程进行优化。 这就更加有利有模具型面最终质量的一致性。对于要求较低的模具，切削完毕即 可投入使用，对于精度要求较高的模具，在后继的抛光中，也更加有利于表面质 量的均一。 1 1 2 模具材料 目前注塑模具通常采用p 2 0 、7 1 8 等预硬钢及易切削钢等钢种。本文以预硬钢 为例加以阐述。经常使用的预硬型模具钢加工前己预硬处理，机械加工后不再进 行热处理，以防止热处理变形，其具有高耐磨性、高强度和韧性。如p 2 0 ，7 1 8 等， 适用于生产大型、高精度注塑模具【6 】。以较为常用的p 2 0 为例可处理到h r c 5 3 左右。但供货一般在h r c 2 8 3 6 左右供货。其切削加工在普通的机床上具有切削 力大，切削性能较差的特点。在国内往往还需要再热处理降低硬度以适应切削加 工。材料性能不能充分发挥限制了其高硬度状态下良好的抛光性和强度优势的 发挥j 。模具寿命往往在数十万次，使用成本高。 6 0 s 0 萤4 0 3 0 2 0 2 0 0 0 1 6 0 0 目 1 2 0 0 杰 8 0 0 4 0 0 日 2 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 07 0 0 t 6c 图11 回火温度对p 2 0 钢磋度、冲击韧性的影响 随硬度的提高，p 2 0 和7 1 8 钢后继抛光可以得到更为光洁的表面质量n 同时 其强度也大大提高。但是韧性有一定的减少。在h r c 4 0 时，其韧性硬度均处于良 好的水平如图1 1 ( 9 】。而抛光性能是随硬度增大而提高的，见图1 2 。高速加工技 术可应用于淬硬模具型腔的直接加工( 尤其是半精加工和精加工) ，在模具加工中， 可直接将硬度超过h r c 6 0 的材料高速切削加工至最终尺寸 ”】。在制造模具上完全 可以胜任。同时，模具的类型不同往往也对材料要求不同，一种材料的性能曲线 需要合理的搭配以适应模具的实际要求，这就不可避免地在硬度，抛光等性能指 标上需要加工设备的加工范围尽可能地拓宽，高速加工机床加工能力强，正是模 具制造所需求的。 2 02 5 3 n 3 4 0 惶度刑r f 圉12p 2 0 硬度对抛光性能的影响 11 3 模具复杂型面加工 在现代模具的成形制造中，不仅应保证高的制造精度和表面质量，而且要追求 加工表面的美观。家用电器、汽车和j t 产品上的主要塑料零件( 多为壳体和内饰) ， 由于功能或者美学的要求，通常包含有不断增多的自由曲面( 这类零件称为曲面类 零件1 而日趋复杂，夹板模等也在广泛地应用。呼唤高精度和多轴联动机床。随着对 高速加工技术的研究不断深入尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、c a d c a m 软件等相关技术不断发展的推动下，高速加工技术已越来越多地应用于模具的制造 加工。目前较为适台模具型面加工的数控机床多采用5 轴联动【l ”，而且高端设备 其插补功能更为强大，可以进行螺旋线等高等曲线的插补，刀具种类更为丰富， 在加工上可以应对复杂型面。切削路径的选择，对模具制造的精度和表面质量具 有明显影响的同时，也对加工效率有较大的影响。不仅如此，高速切削加工自动 换刀，刀具品种多、切削力小，适合切削薄壁部分，目前最小可切削的最小薄壁 厚度可以在3 m m 以下甚至1 5 r a m 。这样，极大地拓宽了模具加工的范围。模具制 造往往具有时间短、批量小、种类多的特点。采用高速机床的插补功能，针对不 同类型的模具型腔采用合理合适的加工路线，将有效地提高模具的制造效率。 模具的抛光作业，目前很多采用液体抛光、柔性抛光等，实际上其最终的尺 寸因为加工方式的限制是不容易确保的。开发采用抛光轮等，借用高速切削机床 数控插补功能，在数控机床上进行抛光很可能实现更好的型面质量。 习 啪!坌咖!玺咖|宝!耋燃裟溅 耋篓堡量耋霎至耋呈! ! 茎堡垄呈三塑王墼筌垒 1 1 4 模具抛光和制造周期 对于现代模具制造业来说，模具数控加工是模具制造过程中的重要一环，模 具制造中，切削和抛光部分占用时间最长 1 2 , 1 3 】，是制造周期长短的主要影响因素 之一。我国习前模具制造周期比国外长，甚至有些可达2 - 4 倍。随着市场竞争的 日益激烈，促使工业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展， 于是对制造产品的关键工艺装备一模具的要求越来越苛刻，用户总是希望加工出 来的产品外表光洁美观，成型精度和表面质量高，交货周期短。模具型面抛光实 际上在一部分场合已经成为镜面加工的概念不仅要求光洁的表面，对尺寸精度的 要求也越来越高。模具型腔r 益复杂，其模具工作部分或相关电极一般是数控铣 削加工完成的加工时间f 包括数控编程、切削加工和抛光时间1 占整个制造周期 6 0 以上。 i z 删谵计月t 择 * 舡 i 龇蹴 图l3 模具加工各阶段用时 目前我国仍以手工研磨抛光为主，不仅效率低( 约占整个模具制造周期的 1 3 ) ，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。对 于多型腔模具来讲，手工抛光中的人为因素很难保证各个型腔的一致性，工作量 巨大，而且注塑产品的一致性必然会受到严重的影响。机械抛光虽然可以将一致 性控制得比较高，但是对于高精密度要求的模具。切削加工后转移到抛光设备上 之后存在重新定位的问题。尺寸精度不可避免地会受到影响。经过高速切削的零 件后继抛光时间将大为减少，在精度要求较低的情况下可以省去后继抛光工序“。 如果可以实现以切削代替抛光，或直接在切削后利用高速切削设备抛光，可以大 大缩短模具的制造周期，相对于传统的手工抛光还能够确保尺寸精度，实际可能 达到镜面加工的标准。质量和效率都有可能大幅上升。因此研究抛光的自动化、 智能化是模具抛光的发展趋势。 大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约8 0 的手工研 磨时间，节约加工成本费用近3 0 ，模具表面加工精度可达1 9 i n ，刀具切削效率可提 高一倍。高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用 的“退火_ + 铣削加工热处理一磨削”或“电火花加工_ + 手工打磨、抛光”等复杂冗长 硕l j 学使论文 的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。抛光机械一般都是高速 度的切削，这一点在高速切削机床上，可以借鉴高速切削的解决方案。即：主轴 本身的高速旋转并配以较大的抛光头直径。从手工抛光上我们也可以得到启示： 速度不高依然可以实现抛光作业。选择合理的抛光路径也是一个可考虑的方案。 利用高速加工机床强大的计算能力，数字控制的精确性，主轴的高转速( 目 前最高已经可以达到1 5 2 0 万转分钟左右【5 】) 开发在高速切削机床上不经转移和 重新装卡直接进行抛光作业对保证尺寸精度和表面质量也必然具有巨大的实际意 义。 1 1 5h s m 在我国模具制造的应用 在高速切削的应用上，还是存在推广应用不足的问题。我国的模具在设计制 造方法、手段上已基本达到了国际水平但在制造质量、精度、制造周期和成本方 面，与国外相比还存在一定的差距。近年来我国( 尤其华南华东发达地区) 制造业发 展迅速，模具和汽车、摩托车制造业发达，拥有高速切削机床的企业不断增多1 3 j 。然 而，与高速切削机床和刀具技术的快速发展相比，这些企业在高速切削工艺、检测及 应用软件等方面的技术还比较落后，与硬件不能配套，致使不少厂家进口的先进设 备根本没有发挥其应有作用。主轴转速可达数万转的高速机床实际往往运行在几 千转每分钟，具有高速精加工的条件却只用于粗加工和半精加工，可切削高硬材料 的机床和刀具却只用来切削普通材料；机床性能浪费严重。另一方面，工艺虽有积 累，但还不成熟。为了推广高速切削加工技术的发展，帮助企业合理应用高速切削 加工设备与技术，很有必要对高速切削加工进行深入探讨。目前我国重视数控技术 人才的培养，已经开展了大量的数控技术研究。高层次人才和实用技术工人培养 已经在为该产业提供着技术力量。 1 2 数控设备上抛光作业的国内外进展 目前在国内和国外都已经开始了一定的数控机床上直接完成抛光作业的尝 、h 1 瓦。 国外针对p 2 0 材料，已经有相关的切削力，刀具磨损等方面的研究，并利用 r s m 方法进行了切削p 2 0 材料的切削力预测【1 4 】，建立了相关的预测模型。同时， 2 0 0 8 年在五轴高速机床上【1 5 l ，借鉴手工抛光的方式，制定了独特的算法，实现了 在高速机床上卡持自调节的抛光工具对敞开的曲面、平面进行了抛光作业，效果 良好。实现了一定的镜面加工能力。目前其用时与所得表面质量均与手工抛光相 当。但是在较为细节的问题上，比如模具中的小直径混成曲面等处尚未能实现抛 光试验。这样看来，再继续深入研究，借用高速设备实现复合工艺，实现效率的 提升是十分可行的。 国内实现了在线切割机上利用机床的数控功能对抛光轨迹进行控制采用气动 抛光头对模具型面加以抛光【1 6 】。通过调整数控程序中的偏置参数实现对抛光压力 5 e 塑模具型面高速切削与抛光复合加t 的研究 的控制，实现恒压力抛光。表面粗糙度达到了r a 0 3 2 汪m 。满足一般的模具工作零 件配合表面粗糙度的要求。但目前存在的问题是噪声大，因线切割机功能单一， 数控能力相对高端机床较弱，因而控制困难，加工厚度调节依赖手动，同时仅适 用于凹模。尖角处和窄缝处为可实现抛光。 既然普通的线切割机都可以实现一定的抛光作业，性能更加可靠稳定的高速 设备必然更能有效地实现这一目标。我国对模具材料的热处理工艺，组织性能上 具有一定的研究，高速切削的工艺也有报道，都是可以借鉴的。借鉴国外的研究 成果，也必将有一定的帮助。高速切削加工应用于切削抛光复合工艺的研究虽然 目前还不是很完善，但最终是可行的。至少可以借用它完成模具中大部分的抛光 任务，然后借用手工完成窄缝或尖角抛光。 目前从国内的技术积累上看，还有很长的道路要走。需要模具、机床相关企 业和科研人员的通力合作。尝试工艺方法和配套设施，以期取得完善和进一步的 发展。 1 3 课题背景 1 3 1 课题来源 本课题来源于企业委托给兰州理工大学的“模具高速切削和抛光工艺”课题。 主要构想是，借助于企业目前所具有的高速机床，研究其加工方法，集中加工工 序，将切削和抛光周期在尽可能短的时间得以完成。 1 3 2 课题内容 应企业要求，本课题主要是针对透明塑料制品模具制造中最终质量的保证， 模具交期的缩减。需要考虑针对模具材料和现有设备，开发切削抛光同机完成的 工具和手段。保证最终模具的型面表面粗糙度不超过o 2 0 4 p m 。设备简化，开发 周期能够大幅缩短。 针对以上提出的运动控制卡的性能要求，本课题主要的研究内容致力于： ( 1 ) 研究现有模具制造中的相关设备以及目前高速切削以切代磨的可行性； ( 2 ) 高速切削与抛光的同机化完成的实现； ( 3 ) 寻求模具切削和抛光策略，并对最终模具质量以实验的方式加以验证， 寻找规律。 6 第2 章加工设备、对象及基本理论 2 1 切削及抛光加工设备 在模具的抛光作业中，目前的自动化抛光大多选用的是机器人抛光系统m ”i ， 这是因为机器人抛光系统的自由度比较高，运动灵活，可以实现各个方位的摆角， 实现抛光轨迹，确保工作姿态。机器人抛光空间自由度大，一般是通过计算各个 转动副之间的角度关系来确定虽终抛光用具的位置和角度。缺点是计算和分析比 较复杂i ”i 。 一：弩 ；，z7 藏i 啮 m ， 气一 一 五 犁 b7 上 ， k a 图21 某型抛光机器人机器连杆坐标系简图 就切削机床来讲，目前国内已经可以自主或合作制造高速加工设备，沈阳第 一机床厂已经有了h m c 系列加工中心，并与意大利f i d i a 合作生产了高速铣床 系列。 在本文中，抛光作业是选用在高速切削机床上来进行的。选用的高速切削机 床应具备较高的自由度，以应对摸具加工中，曲面等部位的加工要求。基于此 本文是阻沈阳第一机床厂的“高速切削设备d 3 1 8 ”为蓝本进行理论分析和实验设计 的。d 系列中d 2 1 8 3 1 8 4 1 8 高速铣削中心是意大利菲迪亚公司生产的新系列五轴 高速加工中心，专业应用于模具的半精加工和精加工。属于床身及工作台固定式 机床。其宽导轨和低重心的配置，实现了机床的高刚性，适合线轴高速的运动。 采用精密的线性导轨、滚珠丝杠及全数字交流数字驱动技术，可在0 1 秒内，使坐 标的移动速度由0 加速至2 0 米，分。电主轴等关键部件全部采用意大利原装部件， 可达到3 2 0 0 0 r p m 的高转速。性能优于该厂的h m c 系列( 主轴转速5 0 0 0 1 0 0 0 0 r p m ) 井可根据用户的需求选配3 轴和4 轴，也可配置旋转工作台，实现5 轴加工等。 零件表面近乎于抛光面，但还没有能够完全代替抛光。其基本技术参数如下表所 示： 产。 - 鎏矍篁呈篓堡至篓呈型：堡耋呈竺! 坚竺至垄 表21d 3 1 8 高速切削i 殳备主要性能参数指标 线性轴行程工作台 陵机床采用的刀柄类型为h s k 4 0 e ，属于国际通用类型；提供的土要选项有： i 维编程软件、激光对刀仪、石墨除尘装黄、排屑器、数字仿形，具有良好 的适应性。 d 2 1 8 系列高速四削设备目前在国内已经有所应用大多集中在我国的模具之 乡一黄岩带，该型设备对于大多数的模具制造均比较适用，尤其是它采用连续双 摆动主轴头，实现了3 + 2 或者5 轴联动，对于加工模具复杂型腔，5 轴联动已经基 本卜可以加工所有部位，易于实现工序的集中。本文中采用5 联动模式。 d 2 1 8 高速铣削中心双摆工作头基本结构如下图： 参 3 6 0 。 圈22d 2 1 8 高速铣削中心双摆工作头基本结构和摆角范围 b 轴行程- + 3 6 0 。，c 轴行程! 儿0 。再加上x y , z 三个坐标上的联动，这样整台 高速铣削加工r 卜心实际上类似于一个简单的机器人。这就在完成铣削加工的同时， 更具备了进行抛光作业的潜质。因为在抛光中，对于压力的方向要求较高，同时 对于复杂的模其型腔，构成比较复杂，刀具的位置需要能够合理地安排，以保证 抛光时工件所承受的抛光压力在各个部位基本一致。 隐 i 刀位点 - 。 、， 囤23d 2 1 8 高速铣削中心的运动自由度 该型高速铣削加工中心其工作台尺寸较大，机床内部空间宽敞，便于模具的 装卡。x ，y ，z 各轴行程分别为2 m ，l m 和0 8 i n ，工作台的最大承载i t ，这都提 供了加工模具所需的空间，非常适合冰箱抽屉以及常用的手机等注塑模具的精加 工。 以下是对高速机床和抛光机器人的简单对比： 表2 2 高速切削机床与抛光机器人的对比 彗茎茎兰耋垩至耋璺l ! 主堡垄圣耋堡三墼竺查 囤24 并联机床 由上表可见：抛光机器人采用的控制是借鉴了数控系统，但是开发难度较大， 同时多自由度的连杆结构在实际加工中还会造成冗余容易造成路线选择的困难。 在配备方面远不如高速切削机床完善。而且，对于一个企业而言，针对自动抛光 机器人单独配套完善的辅助装备，也必然增加企业成本。 从装各种类上看，在现代化制造业竞争愈来愈激烈的前提下，一个公司设备 的多样必然会造成维护成本、用人成本以及技术维护成本的增加，同时机器人结 构较为复杂，需要开发专用的控制设备，又很难做到高速机床c n c 系统的计算能 力和标准，走刀路线控制较为困难。也加重了企业用人和设备维护的负担。这对 于一个公司的竞争力来讲是不利的。而作为切削机床，为了适应复杂曲面的加工， 新型结构如并联机床等结构形式层出不穷，数控机床在结构形式上已经越来越灵 活方便，对于抛光作业越来越能胜任。 从制造工艺的角度来看，工序集中化，是一个基本的要求，工序集中正是为 了简化设备工装以及随之而来的各类附加成本。同时也有利于零件的精度要求。 作为模具制造企业，数控铣床，加工中心等均是必不可少的基本设备，随着 数控机床的快速发展，集合切削与抛光于一体，势必会有利于企业成本的降低， 制造能力的增强。 2 2 高速切削刀具系统及相关配置 为适应自动换刀要求，高速切削刀具一般具备有统一形式的刀柄，目前已经 形成了几个重要体系，包括k m 刀柄和h s k 刀柄等【l ”，其中h s k 刀柄为德国标 准设计，目前已经成为国际上通行的一种主要刀柄标准形式。其他类型的刀柄形 式在此不再赘述。 h s k 刀柄系统属于端面与锥面同步接触，实现双面的同步夹紧，这种同时定 位的方式属于过定位。中空结构也是h s k 刀柄的一个重要特征。要实现双面的接 触，锥面必然产生弹性变形，作为空心刀柄其产生弹性变形更为容易所消耗的 夹持力较小，因而可以采用更为小巧的电主轴结构。而在高速回转时，空心薄壁 结构径向膨胀后与主轴内锥孔相差不太，有利于在较大转速范围内保持锥面的可 靠接触。h s k 刀柄的空心设计，也为夹紧机构提供了安装空间，实现由内向外的 夹紧，可把离心力转化为夹紧力，使刀柄的加持更为可靠，同时，h s k 刀柄的空 - t l , 柄部还提供了供给切内部切削液的可能。供应切削液时的密封性已经由夹持中 的形变膨胀的金属接触来加以保证了，这在本文中十分重要。因为这对于抛光工 具对工件表面的压力控制实际上是提供了一个方便。 h s k 刀柄提供了一个刀具和机床衔接的纽带，对于不同类型的刀具，在满足 动平衡，刚度等要求的前提下，可阻通过不同的方式进行安装，给用户提供了一 定的自由空间。 图25 装备h s k 刀柄的刀具 在高速切削机床上，出于冷却和清洗的考虑，配备有气液装置，可以在加工 过程中对刀具和零件进行冷却、清洗。可以供应不同类型的液体和气体，如冷却 液和切削液的同时供给。那么，就具有将切削液改进成为抛光液或供压气体的潜 力，来进行抛光作业，而通过对冷却气体的供给压力的控制改进，也具有控制供 应压力的潜力，在后继章节中将详细论述。 2 3 所针对的模具型腔的构成 本文的加工对象主要为表面要求较高的大型透明件塑料模具，其制品一般要 求透明度比较高，例如冰箱抽屉，高透明度便于用户看到抽屉内储存的物品，方 便家庭使用。这就必然要求塑料制品表面质量要求严格，不能有任何斑纹、气孔、 泛白、雾晕、黑点、变色、光泽不佳等缺陷，因而在整个注塑过程对原料、设备、 模具、甚至产品的设计，都要十分注意和提出严格甚至特殊的要求。其次由于透 明塑料多熔点高、流动性差因此为保证产品的表面质量往往要在较高温度、 注射压力、注射速度等工艺参数作细微调整，使注塑料时既能充满模，又不会产 生内应力而引起产品变形和开裂。因此从原料准备，对设备和模具的要求、及注 塑工艺和产品的原料处理几方面都要进行严格的操作。 垩詈璧量耋窒耋耋呈型茎耋垄圣呈望三墼! ! 耋 在产品制造的过程中，产品从模具内脱离出来时不可以划伤零件表面，否则 在透明材料上划痕会非常明显。因此从脱模上考虑也应确保模具内腔光滑均一。 脱模过程中主要影响因素是静摩擦系数，以p e 塑胶为例，影响静摩擦系数的主要 因素及影响程度水平如下【驯： 表2 3 影响横具脱模的因素 影响程度：0 无影响，1 - 轻微影响，2 一中等影响，3 - 强烈影响。 基于以上，对于该类型模具一般在设计制造时要考虑： r 1 1 壁厚应尽量均匀一致，脱模斜度要足够大。 ( 2 ) 过渡部分应运步。圆滑过渡，肪止有尖角。 ( 3 ) 模具表面应光洁，粗糙度低。 本文透明制品的模具表面粗糙度在r a 02 04 u m 左右。属于要求比较高的塑料 模具。从构造上看，多为圆角过渡，这是对切削加工和抛光有利的方面。 以d 3 1 8 设备进行切削加工，一般情况下可以加工到0 跏m 的表面粗糙度范围， 并不能够实现高速切削的以切代磨。因此，切削完毕之后，必须进行抛光作业。 图2 6 为该类型模具s o l i d w o r k s 几何构成简图( 省略模具中的推杆孔) ，构成 上包括了槽，平面和曲面其中的曲面除满足产品使用性能的要求，还应考虑产 品的美观，因而曲面的构成往往是由工业设计人员开发设计的，加入了较多的创 作元素：在模具设计的时候设计人员多采用的是旋转、拉伸、扫描等方式设计 实体，这样实际模具的曲面多归类于自由曲面，人工路径描述繁杂困难。加工中 就必然要求具备自动化编程的能力。 谤圄 图26 冰箱抽屉产品殛凹模型腔茼图 另外，从模具之发展的趋势上来看，对模具制造的要求愈来愈苛刻，已经不 仅仅要求表面精度高，还要保证尺寸的精度。因此，目前的模具制造中抛光的最 终要求为镜面抛光( 同时满足尺寸精度和表面粗糙度的抛光) 。 2 4 “一次过加工技术”的分析 如综述所述，模具的研磨和抛光是决定模具质量和交期的重要工序。目前这 硕士学位论文 i i i i i iiiiiiil_|_i_ 一工序在很大程度上亟待改善。通常的做法是依靠数控机床完成大部分的加工余 量，再辅以人工抛光或者机械抛光，除上述不良后果之外，还会造成因设备变化， 加工路径的重复计算，模具的重复安装定位等问题。模具的表面质量和最终尺寸 精度难以得到保证。 既然模具制造的要求已经越来越高，模具加工周期也是越来越短，这就促使 人们开始广泛的研究，实现模具制造的高效高精。 在对抛光技术不断进行创新、发展和完善的同时，人们也一直尝试着在获得高 精度尺寸的同时，直接获得高质量表面，无需抛光或仅需少量抛光，也即所谓的 “一次过加工技术”工艺。 目前主要的“一次过技术”1 2 1j 主要有以下几个方面： 2 4 1 电解加工( e d m ) 电解加工效率高、工具无损耗、表面质量好，在磨具制造中得到广泛应用。但 是它的精度差，对精密复杂型腔来说，作为最终加工手段难以胜任。 日本提出的模具电解加工后用高频窄脉冲光整加工技术，可以去除电解加工 的造成的表面淬硬层，以达到镜面粗糙度，并保持e d m 得到的精度。限于功率元器 件的原因，目前的高频窄脉冲电解电源电流只能做到1 0 0 0a 以下，而直流电解电 源己达上万安，因此在大型模具的加工中还受到较多限制，而且它的稳定性还有 待进一步的提高。 展成电解加工是通过简单阴极运动轨迹的包络来形成工件