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摘要 ：现代模具生产要求对其进行全面工艺优化，其 核心零件的精加工一般是通过对其进行高精度铣削， 再对 铣削后的工件进行抛光，从而获得所需的工件表面质量。 单纯的设备加工是很难达到工件抛光质量的要求。本篇论 文的目标是建立抛光过程与机床加工的关联性， 结合工作 需求，从成本、效率两个角度寻求最优的加工方案，为项 目的成本预算、工期计算等方面决策提供依据。
模具作为一种重要的工业设备，在国民经济中有着 十分广泛的使用，其生产水平直接反映国家的制造工业 水平。模具设计与制作直接关系到产品的品质， 而其制作 费用又直接关系到新一代产品的开发与制造费用。在我 国模具行业快速发展的今天，我国的模具生产正处于激 烈的市场竞争之中，如何对其进行精确的制造费用估算， 并对其进行工艺参数的最优选择，是国内及国际市场竞 争的关键， 对其进行深入系统地研究， 不仅在学术上有很 大的指导意义， 而且在实际中也有很大的实用价值。模具 核心零件的加工费用由 CNC 和抛光两部分组成，这些零 件先经过设计软件建模再由 CNC 加工，这些费用相对较 少，但由于加工后的表面还要经过抛光， 所以不能精确地 计算出这些费用， 但两者又有密切的关联， 因为数控加工 的抛光余量以及刀具的加工结构都会对这些费用产生很 大的影响。
1 铣削工艺分析
CNC 铣削可分为粗铣、半精铣、精铣三个加工步骤。 本论文的目的是探讨在抛光及抛光过程中对抛光时间及 表面品质的影响。在此之前，首先要考虑影响表面结构 的主要因素，基于模具零件，确定比较理想的加工参数， 并将该工艺作为研究对象，对成本、效率等问题进行系 统分析。
1.1 切削条件的影响
在加工的时候，机床的稳定性会对表面的品质造成很 大的影响，例如，主轴的振动、进给轴的窜动、系统在曲 线上的减速、加速等，都会造成表面的差别很大，因此， 要尽量地消除这些因素的作用，采用新机床，简单曲面来 进行加工，达到良好的切割效果。在机械加工过程中，对工件进行润滑和冷却，既能保护工件和刀具，又能改善工 件的表面质量。在实际生产中，选择一种具有较高硬度的 硬质合金作为切削刀具，并通过大量的试验，最终选择一 种直径 8mm 的球形刀具。工件的材质对磨削的影响也是 非常大的，为获得较好的抛光效果，本次选用具有HRC38 预硬度的NAK80作为模具材料。
1.2 切削用量的影响
在实践中，可根据不同的加工工艺条件，进行多次试 验，得出不同加工工艺条件对加工工艺的影响，以达到 提高加工质量的目的。切割量的大小由三部分组成 ：切 速、切深、进给量。切削速度是指刀具切削刃上的点与被 加工表面的主运动的瞬间速度，一般在同样的切削深度 和进给量下，切削速度越快，所加工的表面质量就越好， 由于受到现实条件的限制，机床主轴的最高转速为 8000 转，根据工作需要，一般保持主轴 6000 转(最高转速的 70% ～ 80%，这里的 6000 转)即可获得最好的切削效果， 刀具切削速度大约为 5000mm/min，基本满足了硬质合金 刀具加工的要求。切割深度是根据被切割面到被切割面 的竖直度来计算的。这一次的论述是从改善表面质量开 始的，因此仅对光泽的裕度加以考虑。在实践中，还比较 了几种不同的加工余量值。实验结果表明，当加工间隙为 0.12mm ～ 0.15mm 时，所得到的表面品质最佳。然而， 余 量过大，将造成切削力增大，刀刃弯曲度增大，从而在工 件拐角等部位形成显著的加工缺陷，严重影响工件的加 工及表面质量。当余量小到 0.1mm 时，不但会影响粗、半 精加工的效率，而且由于切削深度过浅会引起刀身弹性 变形，使得精加工时，刀身的振动明显增加，并且无法完 全去除余量，造成被加工面的品质下降。在确定了切割速 度、切割深度的基础上，着重研究了切割速度对加工表面 质量的影响。
进给量反映在两个层面上，一个是 CNC 中的进给速 度，另一个是程序中的行距，这两个层面上都会对被加工 的表面有很大的作用，也是正交测量表面结构的依据。根 据以往的工作实践，为了获得较高的表面品质，一般都是 采取较低的进给速率、较低的排间距，但是，由于其较高 的切削率，导致效率较低，因此，有必要寻找更合适的工 艺参数。下面是在 6000旋转的心轴和 0.15mm 的切割深度条件下，通过表面粗糙度测定的结果。根据对真实工件的 工艺测试可以看出，在进给量超过 3000mm/min 的时候， 无论怎样调整，零件的表面组织都无法得到 Ra3.2.而在 0.3mm 的时候，零件的表面组织也无法得到Ra3.2.因此， 根据需求，一步一步地减小进给量和行距，当进给量在 800mm/min， 行距在 0.15mm 时，表面组织满足了基本的 需求， 在最佳的切割条件下， 表面组织可以得到Ra0.8.
1.3 合理选择参数
基于塑料模具核心成形部件的加工需求，我们对铣削 加工工艺进行了基础的分析，从两个方面进行了选取，一 是从加工效率的角度来选取加工参数， 在可以达到表面结 构Ra1.6 的情况下，数控机床的转速为 6000 转，精加工的 刀具深度为 0.15.进给量为 800mm/min， 行距为 0.15.表 面结构最终测量为Ra1.54.满足基本要求。二是从提高表 面质量的观点出发，选择合适的工艺参数，从而降低后期 研磨的难度， 使得模具零件的表面质量尽可能地达到高质 量。值得一提的是，基于这一点，还进行了一些实验，通 过减少进给量、减小行距，取得了不理想的效果，例如 ： 将进给量减少至 400mm/min， 行距减少至 0.05mm， 对加 工表面进行测试，获得的表面结构为Ra0.78.与之前的比 较，变化不大， 而切割时间却是原来的2倍， 因此， 铣削的 品质在Ra0.8 附近很难提高。在铣削时，如果是要进行二 次研磨的面积比较大，合适的切割速度是 6000 转数，切割 深度是 0.12 ～ 0.15.进给速度小于 800mm/min， 行间距是 0.1mm ～ 0.15mm。
2 抛光工艺分析
抛光的目的是将被抛光的零件表面粗糙度降到最低， 得到光亮平整的表面。本文对机械加工后的表面进行抛 光处理。经抛光处理后，不仅能达到美观的效果，而且能 减少熔融塑料在模腔内的损耗，从而改善注塑制品的品 质，提高注射模的寿命。研磨是将研磨刀具在被研磨的物 体上，施加某种力量，使其在被研磨时，在被研磨的物体 上，产生一种退化的物质。通过切削凸、填充凹槽工序， 使工件表面变得平坦、平滑。此次打磨的工件使用的是 NAK80. 对其进行了预硬化， 其硬度为 HRC36-38. 根据 模具成形的实际需求，使用的是手工打磨，零件的表面不 能有刀路， 表面结构达到Ra0.05 即可。
2.1 抛光工艺
此次抛光主要针对的是工件的精加工表面，遵循“先 粗后精”的原则抛光工件。在此基础上，提出三种不同的 抛光方法 ：油石、砂纸和毛毡轮。首先，用油石对工件进 行粗略的打磨，去除刀具的刀纹，主要是去除工具转动时产生的划痕，使用的是红宝石油石和煤油配合，从粗到 细，使用的是 600#、800#、1200# 的油石，这些都是从粗到 精去除刀痕，经过测试，这些划痕都是Ra0.8 ～ Ra1.2.经 手工和肉眼观察，可以保证这些划痕的平整度，满足基本 的要求。其次，是用砂纸打磨，把木条打磨得和模子的表 面差不多，以免损伤模具，用的是先粗后细的方法，以煤 油为抛光剂， 用 1000#、1200#、1500# 的砂纸打磨， 将模 具成型表面磨到 Ra0.2 ～ Ra0.4 的程度，这样就不会有划 痕，有的地方还能看到光滑的表面。最后，对工件进行镜 面打磨，在此，采用 3000#、8000# 两种磨料，将工件表面 的Ra值提高到 0.05.三道工序完成后，工件的表面就可以 基本实现镜面。在磨削过程中，采用相同的方法，一遍又 一遍地重复磨削，以减少人力物力上的差异，并做大量的 记录， 以保证抛光过程中所需的数据是科学的。
2.2 抛光时间
影响研磨时间的因素是研磨面的基底、研磨工具的选 择、研磨操作技巧。可以对各种 CNC 加工后的表面进行 抛光，选择规范化的抛光工艺，由同一人进行操作，从而 消除了多种不同的因素。所以，对于磨削过程中最重要的 就是磨削表面的质量，这样才能更好地掌握磨削的关键。 实际上，本文主要研究的是在Ra3.2 以下的工件表面的磨 削。对于不同的表面，其表面的磨削所需的磨削时间也不 尽相同，磨削表面的磨削所需的磨削时间较长。比如，如 果表面粗糙度低于Ra1.2.则不需要使用石蜡，而需要使 用砂纸。在研究过程中发现，对初生表面质量较好的零 件，打磨时间较短，而数控铣削过程较慢，因此，必须对 两种方式进行成本最优的优化， 以获得最优的工艺方案。
3 工艺优化策略
在加工过程中，为了确保加工质量，需要控制加工 成本。某一模具公司，以一台机床为例，计算加工费用为 120 元 /h，手磨成本为 45 元 /h，包括工人和研磨材料。这 个产品有 1224.6cm2 的表面积。可以通过这种方式来估算 成本和时间。一是实施“成本导向型”流程经营策略 ;在 对多组工艺数据进行了分析之后， 使用了数控铣参数进给 800mm/min， 行距为 0.1mm 的精加工。在Ra0.8 的条件下， 数控铣的成本和抛光的成本都是最优的 ;二是以效率为 第一位的工艺，通过对比，若要以最快的速度完成工件的 加工，就必须使用 1200mm/ 分钟的进给量，0.2mm 的行距 以及 Ra1.38 的铣削表面，然后再对其进行抛光，这样可以 在最短的时间里将工件的生产出来。
3.1 数控机床性能
机床是数控加工中最基本的操作构件，它是为一系列数控加工过程提供支持的工作平台， 它的性能与数控加工 的质量有很大的联系。高效率的 CNC 加工通常都是由一 台高性能的机床完成的。为保证 CNC 机床的性能符合加 工的要求，一是要看机床的实体结构，也就是精度、刚度 是否符合要求。因为被加工的原材料都是高硬度的，因此 就需要使用一定伸长量的铣刀来加工模具型腔，因此，对 机床的抗震能力和加工精度提出更高的要求，因此，对高 效数控加工机床的最基本要求就是高刚度和高精度。二是 要求机床的速度和动力都很高， 以保证与刀具相关的心轴 速度达到一定的速度， 并在保证模具与其他零件的相互配 合的前提下，保证加工过程的连贯性和精确性。三是机床 要具有多轴联动与深孔复合的功能， 多轴联动可支撑机床 平台不间断的旋转，在多轴联动的条件下，可实现不同形 状的深孔复合成形。四是对数控设备进行现代化的改造。 国内的数控机床的控制系统进行着持续地更新与改进， 到 现在，已实现对刀具进给速度的自动调节，对机床进行热 变形的补偿， 并实现对数控加工数据的高速传输。
3.2 刀具系统
对模腔进行高效率的 CNC 加工，对工具系统的要求 也越来越高。在具体选择加工刀具时，要考虑到如下几个 方面 ：首先，应该选择具有高刚度和耐磨性的刀具材料， 保证在加工过程中不会产生变形和损坏， 这才能有效地避 免在高速切削加工中， 出现刀口损坏或者其他刀具失效的 情况，否则会导致加工效率下降，还会出现加工产品表面 质量问题。同时，在工具系统的管理上，必须有针对性地 设定工具系统的相关切割参数， 以保证高精度的加工 ;其 次，在各刀片的连接部位，应使用倒棱锥形的刀片，以防 止因高温摩擦造成的损伤，在实践中，应根据具体条件， 选用各种型号、型号的切削工具，以满足各种需要，以达 到更高的加工精度、更高的加工效率。与此同时，在实际 的加工过程中，还需要注意，所用的刀具一定要和程序中 所选的刀具的参数相匹配， 避免由于错误而对模具的加工 精度产生影响 ;再次，要选用高精度的刀刃和密齿刀。从 而充分利用刀具的高速切削特性， 从而提高切削材料的效率 ;最后，还应该使用刀具的自动化更换系统。这种方法 可以使刀具自动切换， 缩短工作时间， 并增加定位精度。
3.3 走刀方式
在实际生产中，走刀的好坏直接影响着数控机床的 性能，也直接影响着机床的性能。走刀是一种与NC 工艺 密切相关的刀具，因此，NC 程序设计人员在制定工艺时， 应结合NC 工艺的特点，选择合适的走刀方法。在数控机 床中，走刀方法的选取是一个重要的问题，而这一问题又 是一个复杂的问题。因此，在NC 程序设计中，经常要进 行精确的思维与计算，才能选择出最优的刀位，这样才能 最大限度地节省时间，保证质量，提高效率。目前，在国 内，大多数的 CNC 编程走刀方式都是使用 CAM软件，而 对于模具型腔的粗加工，在加工复杂零件的时候，大部分 的时间都花在粗加工上。因为有很多种刀位路径的生成方 法，所以我们在选择的走刀方式中，所需要花费的加工时 间，也就是刀位路径的长度，会有很大的差异。造成加工 质量不高的问题， 往往就是由于在走刀方式的选择上出现 错误。因此，走刀方式也是衡量数控加工水平的一个重要 指标，这就给相关的数控编程和技术人员带来很高的要 求，他们必须要选择出最合理的走刀方式，同时还要持续 地对自己的技术进行改进， 进而推动数控加工水平的持续 提高。
4 结语
要想在加工过程中获得更好的产品，对加工过程进行 综合优化。所以，本论文旨在寻找一种优化的运行状态， 以达到对两种工艺的协同优化。因为铣、抛两种加工方式 的影响因素是一致的，因此，本课题从成本、效率等方面 进行深入的探讨，并在此基础上，对实际工作中得到的数 据进行分析，得出对应的加工策略，从而为塑料模具的核 心零件加工过程的优化提供工作思路。
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