曲面薄壁电极数控加工工艺应用

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曲面薄壁电极多广泛用于注塑模具、压铸模具的制造中，其作用为形成产品的薄片形状，如摩托车发动机中的散热片、电脑机箱内的铝合金散热片及音响产品的电源散热窗口形状等。曲面薄壁电极一般特点是：多为具有一定高度、均匀排列的窄槽和薄片组成，顶部呈复杂曲面形状；由电解红铜加工而成，铜料的延展性强，用加工中心或数控铣加工外形及曲面薄片顶端时易产生变形弯曲；对工艺规划、切削用量、CAD/CAM编程参数设置均有较高要求。图1为笔者于某模具厂工作时所加工的一例曲面薄壁电极的产品，其形状特点为：

  }9 ^" W2 }% M8 e( Y* m  `' `5 ?/ w0 I（1）电极高度较高，最高点距底座平面为22.0mm。
# x( l8 d' U1 C# Z4 R1 X0 w  j/ K（2）电极薄片厚度较小，为1.5mm。
3 y7 G+ v) w' J/ p3 S! ]（3）电极顶部为曲面形状，必须用球形刀精加工。
（4）薄片之间为5.0mm。窄槽，只能用直径较小的刀具加工薄片外形。
根据以上特点，用MasterCAM9.1进行编程，使用VMC850加工中心进行加工（台湾乔福机械有限公司制造，数控系统为FANUC Oi，机床最高转速8000r/min；使用美孚101#切削液）。应用了如下工艺步骤进行数控加工：
, |: |3 b; |' P# T# _' p7 O0 x8 O1.基本外形加工
因为该电极只需加工正面，故将毛坯铜料直接装夹在平口钳上（平口钳已校正）即可以开始分中对刀加工。如图2所示，对刀后第一步先用pocket平面挖槽的加工方法去除薄片周围区域的材料。
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* w! n) Y1 q9 F/ r7 A+ h. ~使用进口超微粒全钨钢刀，刀具磨损量极微小，所以粗加工后不换刀而是直接转用Contour轮廓加工方法精加工外形和下部基准分别到尺寸。刀具φ16mm，粗加工刀具转速n=1200r/min，每层背吃刀量1.0mm，进给速度νf=1000mm/min。精加工转速n=1500r/min，每层背吃刀量11.0mm，进给速度νf=300mm/min。外形轮廓已加工出单边0.1mm的电火花间隙；暂时先保留薄片部分及各薄片之问部位的材料。下部底座为电火花加工时的基准分中边框，斜角是用来确定电极的方向的。
3 |% z! m/ H6 G( M9 Q2.电极曲面粗铣
# C, I/ [2 Y( W7 v/ r第二步使用Surface Rough Pocket编程即曲面粗加工的形式进行曲面粗铣削，如图3所示，为节省时问仍继续使用φ16mm端铣刀，转速1200r/min，进给速度νf=1000mm/min，每层背吃刀量0.7mm。
/ X& }0 @# B/ ~ 3.电极曲面精加工
第三步采用Surface Finish Parallel的编程方法精加工曲面，使用直径为φ10mm的二刃球形铣刀；刀具转速为2300r/min；进给速度为1000mm/min；进刀角度为315°；为保证曲面足够的精度和良好的表面质量，曲面精度参数Tolerance值设为0.005，每行进刀间距为0.15mm。具体设置如图4。

加工时刀具路径模拟效果如图5，如果没有先进行曲面粗加工（即第二步Surface Rough Pocket加工）而直接进行曲面精铣，会使φ10mm球形刀精铣的切削量较大，刀具振动大，表面粗糙度值增大达不到快速精铣的目的甚至有可能断刀。采用315°的进刀角度目的是使加工行间距均匀，切削液冲刷效果好，工件表面质量提高。
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" D9 q5 _" O+ V( ~' |. Y4 b7 v' R4.薄片外形精加工
在曲面精加工之后再进行薄壁形状的精加工成形，如果先加工外形轮廓后加工顶部曲面，则此时薄壁形状太高，在刀具切削力的作用下铜电极顶部常会发生变形弯曲，造成加工失败，这也是薄片电极加工中最容易出现的问题。同时，由于薄片之间为5.0mm窄槽，只能用直径较小的刀具加工薄片外形。故取直径为4.0mm端铣刀，转速2000r/min，进给速度νf=400mm/min，加工完曲面再加工电极外形时还要注意每次下刀深度不能太大，刀具直径小，装夹长度又较长（大于电极高度，取26.0mm）。故易产生抢刀过切；每层背吃刀量仅取0.4mm；而转速和进给速度则取高些，以达到一定的效率。具体路径参数设置如图6、7所示。
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* S- c  i! M+ `- @7 h0 B* Z1 \2 N其中外形加工余量参数（XY stock to leave）取-0.1mm是电极预留火花加工间隙。抬刀选择参数（Keep tool down）选为不抬刀，因为在轮廓外下刀，已确定是在安全的空位下刀，所以不需要设定抬刀，以节约刀具空运行时间，提高效率。
2 w' \" T2 {; t% A3 O/ ?0 G4 B7 a曲面薄壁电极加工工艺路线规划对加工的成败具有决定性的作用，同样的加工方法和参数设定，按不同的加工顺序进行，得到的效果截然不同。下面为笔者总结的一种经过实践证明可行的工艺方案：粗铣外形，边框加工→曲面等高粗加工→曲面精加工→精加工薄壁外形。
5.结语
曲面薄壁电极加工为模具加工中常见并具有一定难度的加工类型，相信许多同行都进行过这种加工体验。不同的机床类型及刀具条件其加工方法不尽相同，笔者的方法只是其中之一，有欠妥之处，尚请明示。
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