第四章模具制造 4.1切削加工 现代模具制造的加工设备其特征是多轴CNC控制和高精度定位系统,目的是要获得产品 的高精度和降低不合格品率。目前,热处理后的工件可通过铣加工,最终强度可以达到 200MPa。各种工艺,如EDM加工型腔,尽量用铣加工代替,这可以缩短加工工艺链。此外, 还可避免由于腐蚀工艺而导致的外部热损伤。铣加工既可用常规的刀具材料,如硬金属,也可 用三次硼氮化合物(CBN)。对于注塑模具,硬金属或镀硬金属是最适合的刀具材料,切削加工 释放了残余应力,可能会导致模具立即变形或在后面的热处理中出现变形。因此,明智的做法 是在粗加工后进行退火以去除应力。任何变形都可通过后续修整来补偿,且通常不会再产生任 何应力。 热处理后,模具镶件要经过修整、磨削和抛光以获得良好的表面质量,这是因为型腔表面 的质量最终会影响注塑制品的表面质量及脱模 由于注塑制品的材料与注塑工艺的差异,型腔表面的缺陷会不同程度地被复制出来。型腔 表面的偏差,如波纹和粗糙不平,需增加脱模力。 高速加工(HSC)和五轴铣之间展开了激烈竞争,高速加工的特点是高切削速度和高主轴 转速。硬度达HRC62的钢材也能用当今标准的HSC铣床加工。有时,HSC可实现完整加工, 于是可省去电极制作及腐蚀加工。此外,高速加工常常还可以得到更好的表面质量,从而可以 大大减少后期的手工修正。 对于注射和压铸模具,可综合采用铣削和电火化加工方法来加工。由于铣削加工去除材料 的能力更大,所以为了缩短加工时间,应使铣削量达到最大。然而,对于复杂的轮廓、薄细形 体和深腔要用后续的电火花加工完成,可用HSC切削石墨或铜而得到电极。 当用CNC机床加工零件时,首先要编写程序,然后用程序操作CNC机床 1)首先,根据零件图编写CNC机床用的程序。 2)程序被读进CNC系统中,然后,在机床上安装工件和刀具。并且根据程序运行刀具 最后进行加工。 表4-1零件加工计划表 加工工序 3 加工方法 进给切削侧面加工孔加工 1加工方法 粗加工 半精加工 精加工 [2加工刀具 3加工条件 进给速度 切削深度 [4刀具路径 在实际编程前,应制订如何加工零件的加工计划,其格式见表4-1和图4-1,包括:
第四章 模具制造 4.1 切削加工 现代模具制造的加工设备其特征是多轴 CNC 控制和高精度定位系统，目的是要获得产品 的高精度和降低不合格品率。目前，热处理后的工件可通过铣加工，最终强度可以达到 2000MPa 。各种工艺，如 EDM 加工型腔，尽量用铣加工代替，这可以缩短加工工艺链。此外， 还可避免由于腐蚀工艺而导致的外部热损伤。铣加工既可用常规的刀具材料，如硬金属，也可 用三次硼氮化合物(CBN）。对于注塑模具，硬金属或镀硬金属是最适合的刀具材料，切削加工 释放了残余应力，可能会导致模具立即变形或在后面的热处理中出现变形。因此，明智的做法 是在粗加工后进行退火以去除应力。任何变形都可通过后续修整来补偿，且通常不会再产生任 何应力。 热处理后，模具镶件要经过修整、磨削和抛光以获得良好的表面质量，这是因为型腔表面 的质量最终会影响注塑制品的表面质量及脱模。 由于注塑制品的材料与注塑工艺的差异，型腔表面的缺陷会不同程度地被复制出来。型腔 表面的偏差，如波纹和粗糙不平，需增加脱模力。 高速加工（HSC）和五轴铣之间展开了激烈竞争，高速加工的特点是高切削速度和高主轴 转速。硬度达 HRC 62 的钢材也能用当今标准的 HSC 铣床加工。有时，HSC 可实现完整加工， 于是可省去电极制作及腐蚀加工。此外，高速加工常常还可以得到更好的表面质量，从而可以 大大减少后期的手工修正。 对于注射和压铸模具，可综合采用铣削和电火化加工方法来加工。由于铣削加工去除材料 的能力更大，所以为了缩短加工时间，应使铣削量达到最大。然而，对于复杂的轮廓、薄细形 体和深腔要用后续的电火花加工完成，可用 HSC 切削石墨或铜而得到电极。 当用 CNC 机床加工零件时，首先要编写程序，然后用程序操作 CNC 机床。 1) 首先，根据零件图编写 CNC 机床用的程序。 2) 程序被读进 CNC 系统中，然后，在机床上安装工件和刀具。并且根据程序运行刀具。 最后进行加工。 表 4-1 零件加工计划表 加工工序 1 2 3 加工方法 进给切削 侧面加工 孔加工 1.加工方法： 粗加工 半精加工 精加工 2.加工刀具 3.加工条件 进给速度 切削深度 4.刀具路径 在实际编程前，应制订如何加工零件的加工计划，其格式见表 4-1 和图 4-1，包括：
1)确定工件加工的范围。 2)在机床上安装工件的方法。 3)每个加工过程的加工顺序。 4)刀具和加工 图41零件的加工计划 230 刀具当前位置 300到要设定的坐标系零点的距离 图42参考点 图4-3由CNC设定的坐标系 一台数控机床设定一个特定位置。通常,在这个位置进行换刀和设定编程的绝对零件。这 个位置称为参考位置(点),如图42所示 把刀具移动到参考点,有以下两种方法 1)手动回参考点 2)自动返回参考点 下面两个坐标系被指定在不同位置 1)零件图纸上的坐标系。在零件图纸上设定坐标系,该坐标系上的坐标值用作编程数据。 2)由CNC设定的坐标系。该坐标系在实际机床工作台上设定。用程序编制从刀具的当前 位置到要设定坐标系的零点的距离设定该坐标系,如图43所示。 当工作安装在工作台上后,就决定了这两个坐标系的位置关系 因定距离 工件的基准点 固定距离 工件 程序零点 图44两个坐标系设在同一位置的方法 按照零件图纸坐标系编制的程序指令,刀具在CNC设定的坐标系中移动,把工件加工成图 纸指定的形状。因此,为了正确地把工件加工成图纸指定的形状,两个坐标系必须设在同一位
1) 确定工件加工的范围。 2) 在机床上安装工件的方法。 3) 每个加工过程的加工顺序。 4) 刀具和加工。 图 4-1 零件的加工计划 图 4-2 参考点 图 4-3 由 CNC 设定的坐标系 一台数控机床设定一个特定位置。通常，在这个位置进行换刀和设定编程的绝对零件。这 个位置称为参考位置(点)，如图 4-2 所示。 把刀具移动到参考点，有以下两种方法： 1) 手动回参考点。 2) 自动返回参考点。 下面两个坐标系被指定在不同位置： 1) 零件图纸上的坐标系。在零件图纸上设定坐标系，该坐标系上的坐标值用作编程数据。 2) 由 CNC 设定的坐标系。该坐标系在实际机床工作台上设定。用程序编制从刀具的当前 位置到要设定坐标系的零点的距离设定该坐标系，如图 4-3 所示。 当工作安装在工作台上后，就决定了这两个坐标系的位置关系。 a) b) c) 图 4-4 两个坐标系设在同一位置的方法 按照零件图纸坐标系编制的程序指令，刀具在 CNC 设定的坐标系中移动，把工件加工成图 纸指定的形状。因此，为了正确地把工件加工成图纸指定的形状，两个坐标系必须设在同一位
置 根据零件形状、加工数量可以使用简单的方法把两个坐标系设在同一位置 1)使用工件的基准面和基准点。使刀具中心与工件基准点重合,在这个位置上设定由CNC 指定的坐标系,如图44a)所示 2)把工件直接安装在夹具上。使刀具中心与参考点重合,在该位置上设定CNC指定的坐 标系。夹具应安装在距参考点预先设定的位置上,如图4-4b)所示。 3)把工件装在托盘上,然后把工件和托盘一起装在夹具上。夹具和坐标系的规定与(2)相 同,如图4-4c)所示。 X=40.0 什z-100 B(10.030.0200) 刀具从A点移动到B点所用的指令G91X400Y-300z-100 刀具从A点移动到点所用的指令G90X100Y300Z20Q 刀具沿每个轴移动的位移量和方向 a)绝对值指令 b)增量值指令 图45移动刀具的指令 如图4-5所示,移动刀具的指令可以用绝对值或增量值表示。绝对值指令是刀具移动到“距 坐标系零点某一距离”的点,即刀具移动到坐标值的位置。增量值指令是刀具移动到下一个位 置的位移量。 切削工件时刀具相对于工件的速度称为切削速度。对于CNC,切削速度可用主轴速度(以 mm1为单位)指令。 例设用直径100mm的刀具,以80m/min的切削速度加工工件时。由N=1000V/D计算得 到主轴速度约为250mn。因此要求的指令为S250 ATc刀库 图4-6刀具功能 当进行钻孔、攻丝、镗孔、铣削等加工时,必须选择适当的刀具。给每把刀具赋给一个编 号,在程序中指令不同的编号时,应选择相应的刀具。例如,当把01号赋给钻头时,当这把刀 具放在ATC的01号位时,通过指令T01可以选择这把刀具。该功能称为刀具功能,如图46 所示 当开始实际加工时,需要旋转主轴并供给冷却液。为此,需要控制主轴电机和冷却泵的启 动停止操作。指令机床部件的启停操作的功能称为辅助功能。通常,该功能用M代码指令。例 如,当指令M03时,主轴以指令的主轴速度按顺时针方向旋转。 通常加工一个零件要用多把刀。刀具有不同的长度。根据使用的刀具去更换程序是相当麻
置。 根据零件形状、加工数量可以使用简单的方法把两个坐标系设在同一位置。 1) 使用工件的基准面和基准点。使刀具中心与工件基准点重合，在这个位置上设定由 CNC 指定的坐标系，如图 4-4a)所示。 2) 把工件直接安装在夹具上。使刀具中心与参考点重合，在该位置上设定 CNC 指定的坐 标系。夹具应安装在距参考点预先设定的位置上，如图 4-4b)所示。 3) 把工件装在托盘上，然后把工件和托盘一起装在夹具上。夹具和坐标系的规定与(2)相 同，如图 4-4c)所示。 a) 绝对值指令 b) 增量值指令 图 4-5 移动刀具的指令 如图 4-5 所示，移动刀具的指令可以用绝对值或增量值表示。绝对值指令是刀具移动到“距 坐标系零点某一距离”的点，即刀具移动到坐标值的位置。增量值指令是刀具移动到下一个位 置的位移量。 切削工件时刀具相对于工件的速度称为切削速度。对于 CNC，切削速度可用主轴速度(以 mm -1 为单位)指令。 例设用直径 100mm 的刀具，以 80m/min 的切削速度加工工件时。由 N=1000v/πD 计算得 到主轴速度约为 250min-1。因此要求的指令为 S250。 图 4-6 刀具功能 当进行钻孔、攻丝、镗孔、铣削等加工时，必须选择适当的刀具。给每把刀具赋给一个编 号，在程序中指令不同的编号时，应选择相应的刀具。例如，当把 01 号赋给钻头时，当这把刀 具放在 ATC 的 01 号位时，通过指令 T01 可以选择这把刀具。该功能称为刀具功能，如图 4-6 所示。 当开始实际加工时，需要旋转主轴并供给冷却液。为此，需要控制主轴电机和冷却泵的启 动停止操作。指令机床部件的启停操作的功能称为辅助功能。通常，该功能用 M 代码指令。例 如，当指令 M03 时，主轴以指令的主轴速度按顺时针方向旋转。 通常加工一个零件要用多把刀。刀具有不同的长度。根据使用的刀具去更换程序是相当麻
烦的。因此应预先测量使用的每把刀具的长度。并在CNC中设定标准刀具的长度和每把刀具的 长度之间的差,即使刀具改变了,也不需要更换程序便可实现加工。该功能称为刀具长度补偿, 如图47所示。 图4-7刀具长度补偿 因为刀具有半径,所以刀具中心的轨迹相对于工件的轮廓偏移了一个刀具的半径。如果刀 具半径储存在CNC中的话,刀具可离开加工零件形状为刀具半径的轨迹移动。该功能称为刀具 半径补偿,如图4-8所示。 使用刀具半径 补偿的刀具轨迹 被加工的零件形状 图48刀具半径补偿 在数据程序中,跟在地址G后面的数字决定了该程序段的指令的意义,G代码列表见表42。 G代码分为以下两类: 1)非模态G代码。G代码只在它的程序段中有效。 2)模态G代码。在指令同组其它G代码前该G代码一直有效。 表4-2G代码列表 G代码 组 功能 定位 Go1 01直线 G02 01圆弧插补/螺旋线插补CW 01圆弧插补/螺旋线插补CCW 停刀,准确停止 G05.1 00AI先行控制/AL轮廓控制 G071(G107) 0圆柱插补 G08 先行控制 G09 准确停止 G10 可编程数据输入 G1l 00可编程数据输入方式取消 56 17极坐标指令取消 极坐标指令 02选择XPYP平面 02选择ZPXP平面 G19 选择YpZp平面
烦的。因此应预先测量使用的每把刀具的长度。并在 CNC 中设定标准刀具的长度和每把刀具的 长度之间的差，即使刀具改变了，也不需要更换程序便可实现加工。该功能称为刀具长度补偿， 如图 4-7 所示。 图 4-7 刀具长度补偿 因为刀具有半径，所以刀具中心的轨迹相对于工件的轮廓偏移了一个刀具的半径。如果刀 具半径储存在 CNC 中的话，刀具可离开加工零件形状为刀具半径的轨迹移动。该功能称为刀具 半径补偿，如图 4-8 所示。 图 4-8 刀具半径补偿 在数据程序中，跟在地址 G 后面的数字决定了该程序段的指令的意义，G 代码列表见表 4-2。 G 代码分为以下两类： 1) 非模态 G 代码。G 代码只在它的程序段中有效。 2) 模态 G 代码。在指令同组其它 G 代码前该 G 代码一直有效。 表 4-2 G 代码列表 G 代码 组 功能 G00 01 定位 G01 01 直线 G02 01 圆弧插补/螺旋线插补 CW G03 01 圆弧插补/螺旋线插补 CCW G04 00 停刀，准确停止 G05.1 00 AI 先行控制/AL 轮廓控制 G07.1(G107) 00 圆柱插补 G08 00 先行控制 G09 00 准确停止 G10 00 可编程数据输入 G11 00 可编程数据输入方式取消 G15 17 极坐标指令取消 G16 17 极坐标指令 G17 02 选择 XPYP平面 G18 02 选择 ZPXP平面 G19 02 选择 YPZP平面
G20 06英寸输入 G21 06毫米输入 04存储行程检测功能有效 G23 04存储行程检测功能无效 G27 返回参考点检测 00返回参考点 00从参考点返回 00返回第2,3,4参考点 跳转功能 G33 01螺丝切削 G37 00自动刀具长度测量 G39 拐角偏置圆弧插补 00刀具半径补偿取消/三维补偿取消 左侧刀具半径补偿/三维补偿 G42 00右侧刀具半径补偿 G40.1(G150) 19法线方向控制取消方式 G41Gls)19法线方向控制左侧接通 G42l(G152)19法线方向控制右侧接通 G43 08正向刀具长度补偿 G44 08负向刀具长度补偿 G45 00刀具偏置值增加 G46 刀具偏置值减小 G47 002倍刀具偏置值 0012倍刀具偏置值 G49 08刀具长度补偿取消 G50 例缩放取消 G51 比例缩放有效 G50.1 可编程镜像取消 G51.1 22可编程镜像有效 00局部坐标系设定 00选择机床坐标系 14选择工件坐标系1 54.1 14 选择附加工件坐标系 G55 4选择工件坐标系2 选择工件坐标系3 G57 14选择工件坐标系4 14选择工件坐标系5 G59 14选择工件坐标系6 0001单方向定位 G61 15准确停止方式 G62 15自动拐角倍率 G63 攻丝方式 1切削方式 G65 宏程序调用 宏程序模态调用 G67 宏程序模态调用取消 G68 16坐标坐标旋转/三维坐标转换 G69 16坐标坐标旋转取消厂三维坐标转换取消 G73 09排屑钴孔循环
G20 06 英寸输入 G21 06 毫米输入 G22 04 存储行程检测功能有效 G23 04 存储行程检测功能无效 G27 00 返回参考点检测 G28 00 返回参考点 G29 00 从参考点返回 G30 00 返回第 2，3，4 参考点 G31 00 跳转功能 G33 01 螺丝切削 G37 00 自动刀具长度测量 G39 00 拐角偏置圆弧插补 G40 00 刀具半径补偿取消/三维补偿取消 G41 00 左侧刀具半径补偿/三维补偿 G42 00 右侧刀具半径补偿 G40.1(G150) 19 法线方向控制取消方式 G41.1(G151) 19 法线方向控制左侧接通 G42.1(G152) 19 法线方向控制右侧接通 G43 08 正向刀具长度补偿 G44 08 负向刀具长度补偿 G45 00 刀具偏置值增加 G46 00 刀具偏置值减小 G47 00 2 倍刀具偏置值 G48 00 1/2 倍刀具偏置值 G49 08 刀具长度补偿取消 G50 11 比例缩放取消 G51 11 比例缩放有效 G50.1 22 可编程镜像取消 G51.1 22 可编程镜像有效 G52 00 局部坐标系设定 G53 00 选择机床坐标系 G54 14 选择工件坐标系 1 G54.1 14 选择附加工件坐标系 G55 14 选择工件坐标系 2 G56 14 选择工件坐标系 3 G57 14 选择工件坐标系 4 G58 14 选择工件坐标系 5 G59 14 选择工件坐标系 6 G60 00/01 单方向定位 G61 15 准确停止方式 G62 15 自动拐角倍率 G63 15 攻丝方式 G64 15 切削方式 G65 00 宏程序调用 G66 12 宏程序模态调用 G67 12 宏程序模态调用取消 G68 16 坐标坐标旋转/三维坐标转换 G69 16 坐标坐标旋转取消/三维坐标转换取消 G73 09 排屑钻孔循环