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第十二章 精密冲头的加工
第十二章 精密冲头的加工
教学提示：
精密冲头的加工一般使用铬钢等硬金属材料，材料特性不同于59铜。另一方面，精密冲头的尺寸一般较小，加工量相对较小，如何使用小刀具高效加工不断刀，则成为了主要问题。学习本章要抓住精密冲头的特点，掌握加工冲头的工艺方法和用刀方案。
12.1 精密冲头的特点及加工要求
教学目的：
通过分析，使学生掌握精密冲头的加工要求。
教学重点：
精密冲头的加工与高频模的加工工艺方法类似，即使用大刀具开粗，多把刀具清角的工艺方法，但由于加工的材料（铬钢）及加工要求不同，使用的刀具及其设定的参数就不同，所以本章重点应放在刀具的使用上。
12.1.1 精密冲头的应用
在小五金模具加工方式中，冷冲压加工所占的比例较大，即利用加工出的冲头在一些产品或零部件上冷冲一些字母、数字或简单图形（标识符号、电话号码、出厂日期、英文名称等），如图12-1所示。

图12-1
在冲压过程中，冲头在冲压设备瞬间强烈的压力下，在产品上压出凹下的字母、数字、图案，如图12-2所示：

图12-2
压痕一般比较浅，在0.05mm左右。为了提高冲头的寿命，加工冲头的材料一般选用较硬的Cr钢（如Cr12）等高硬度材料，模具热处理技术（淬火）也普遍得到应用。
12.1.2 精密冲头的特点
1、设计特点
设计相对比较简单，文字比较细小，要求笔划的粗细保持一致，一般的字体（包括黑体）都不符合这一要求，必须用抄图的方法解决这一问题。
2、加工特点
精密冲头的加工以平面为主，多是一些简单的阳雕，但要使用三维清角功能，来保证冲压面轮廓（包括尖角部位）非常清晰。
3、雕刻区域特点
图案、文字表面笔划较细，这样容易形成锋面冲压成形；侧面角度较大，这样确保冲头有较好的强度和使用寿命。
4、材料特点
冲头的使用寿命同加工方式和材料相关，一般使用的材料为Cr12，材质较硬，不易加工。
5、刀具特点
刀具角度普遍较大，最小清角刀具刃宽较小（不到0.1mm）。
12.1.3 精密冲头的加工要求
1、冲头表面必须在一个平面上，冲头文字笔划比较细小（一般为0.05-0.2mm之间）、笔划分明、粗细一致；加工出的文字笔划不能有断笔，否则压制的成品很难做到字迹清楚和均匀；压面轮廓清晰（包括尖角部位）。
2、雕刻深度符合要求。一般为0.3-0.5mm之间。
3、对底部的粗糙度要求不高。
4、加工刀具锥度在30~85度之间，即侧边斜度在15-42.5度之间。
12.2 精密冲头的雕刻
教学目的：
本节将讲述“精雕”精密冲头的设计过程和工艺分析，图形如图12-3所示（毛坯尺寸22×16.5）。
教学重点：
1、 产品特点分析。
2、 加工工艺分析。
3、 刀具使用和精修方案。
12.2.1 产品特点分析
这是一个图形与文字混合的精密冲头，通过与客户交流，综合得到以下冲头加工要求：
1、毛坯尺寸22.0×16.5mm。
2、冲头表面轮廓线粗细0.12mm。
3、模具侧边斜度30度。
4、雕刻深度0.3mm。
5、其他尺寸数据参照图12-3。
12.2.2 产品设计过程
在获得了设计信息之后，需要进行设计的工作，在设计中，我们如何保证轮廓均匀呢？
首先把所需加工的雕刻区域的中心线绘制出来，并且经过修图精确调整（图12-4），再利用“单线膨胀”功能，膨胀的距离为线宽0.12的一半0.06，如图12-5所示：

图12-4 图12-5
最后得到图12-6所示雕刻区域。

图12-6
12.2.3 加工工艺分析
按照前面所讲的金属雕刻的思路，此例也是使用开粗和精修这种工艺方法，开粗和精修范围如图12-7所示：

图12-7
1、如何选择开粗刀具
此例加工尺寸为22.0×16.5mm，必须使用刀具底直径较大的刀具进行开粗加工来提高效率。
（1）锥度的选取
“大面积”开粗加工如果使用平底刀进行开粗，则精修加工中刀具侧刃吃刀量比较大，加之材料硬度较大，不利于精修中小刀具加工，所以推荐使用锥度刀具做开粗加工，一般采用与精修刀具角度一致的刀具进行加工，由于此例模具侧边斜度要求30°，所以采用锥度为60°。的刀具进行加工。
（2）底直径的选取
考虑到此例的加工尺寸只有22.0×16.5mm，如果选择底直径2.0mm的刀具作为开粗加工刀具，开粗刀具加工区域较小，留给精修刀具的加工量较大，所以采用直径相对较小的刀具作开粗刀具，本例开粗刀具直径设为0.6mm。
2、如何确定精修工艺方法和最小刀具
在精密冲头中，图案中小字与狭长区域较多（本例文字1.2×1.0mm，有比较多的窄条状区域），大刀具加工完之后留下的残料区域太多，如图12-8是采用锥度60-0.6刀具开粗，锥度60-0.3残料补加工的残料分布。

图12-8
很明显，残料分布不集中，加工时抬刀比较多，加上残料补加工方式是按照双边切参数进行环切加工，这样效率会更低。
由此可见：
与加工高频模类似，为了使每把刀具受力均衡、加工效率更高，精密冲头加工仍不使用“残料补加工”，还是利用多把刀具进行精修加工，通过精修加工中的区域修边、三维清角功能去除残料，保证冲压面表面轮廓清晰（包括尖角）。
经过观察雕刻区域还发现：
最窄的雕刻区域在“冒号”中间，宽度为0.079（图12-9），所以精修加工的最小刀具直径应低于0.1mm。

图12-9
3、如何确定加工工序
通过以上分析，开粗刀具定为锥度60°-0.6，最小刀具定为锥度60°-0.05
注：锥度60°-0.05是设定的最小刀具，底直径为0.05，此刀具底直径设的越小，此处清角深度越大。
确定了开粗刀具和精修最小刀具，所有锥刀角度一致，相邻两把刀具直径倍数关系保证在2倍以内（包括2倍），由此加工工序主要有以下几步，如表12-1所示。
表12-1　“精雕”精密冲头加工工序表
工序编号
工序名称
工序内容
使用刀具
雕刻深度
吃刀深度
1
铣平面
将毛坯表面铣平
平底2.0
0
0
2
开粗
开粗加工
60º-0.6
0.3
0.3
3
精修工序一
第一次精修加工
60º-0.3
0.3
0.1
4
精修工序二
第二次精修加工
60º-0.2
0.3
0.1
5
精修工序三
第三次精修加工
60º-0.1
0.3
0.1
6
精修工序四
第四次精修加工
60º-0.05
0.3
0.1
表12-2：60°系列刀具开粗加工冲头的工艺参数表
材料
工序
吃刀深度
进给速度
主轴转速
下刀方式
下刀角度
铬钢
开槽
0.1mm
1.2m/min
24000RPM
斜线下刀
1
快速去料
0.3mm
1.2m/min
24000RPM

刀具
一次
开槽深度
(mm)
开槽
进给速度
(m/min)
“单边切”吃刀深度
(mm)
侧向进给
(mm)
“单边切”进给速度
(m/min)
60°-1.5
0.1
1.2
0.5
0.1
1.2
60°-1.0
0.1
1.2
0.5
0.1
1.2
60°-0.8
0.1
1.2
0.5
0.07
1.2
60°-0.5
0.1
1.2
0.5
0.05
1.2
表：60°系列刀具精修加工铬钢材料的工艺参数表
刀具
“双边切”吃刀深度(mm)
“双边切”进给速度(m/min)
“单边切”吃刀深度(mm)
“单边切”进给速度(m/min)
60°-0.5
0.1
1.2
0.5
1.2
60°-0.4
0.1
1.2
0.1
1.2
60°-0.3
0.1
0.8
0.1
1.2
60°-0.2
0.05
0.8
0.05
0.4
60°-0.1
0.02
0.8
0.02
0.1
（以上各参数表同样适用于80度的刀具）
12.2.4 生成刀具路径
1、铣平面
选中矩形外框，设置铣平面路径，这里就不做详述。
2、生成开粗加工路径
选中图12-6所示雕刻区域，选取“区域雕刻”功能，设置参数如图12-10所示：

图12-11
点击[确定]按钮，系统生成图12-12所示路径：

图12-12
3、生成精修加工路径
（1）生成第一次精修路径
继续选中雕刻区域，选取“区域雕刻”功能，设置参数如图12-13：

图12-13　　　　　　　　　　　　　　图12-14
注：当选中最后一层修边后，路径只生成最后一层修边路径，[吃刀深度]的定义不影响雕刻路径。
点击[确定]按钮，系统生成图12-15所示路径。
雕刻路径整体如图12-16所示。

图12-15 图12-16
（2）如何提高精修加工效率
通过分析雕刻区域，我们发现部分区域已经生成了修边路径，这说明这些区域可以使用锥度60-0.3的刀具以修边方式来完成这些残料的加工。结合视窗放大观察精修路径中有4处区域处于双边切加工区域，有1处区域未生成开粗路径，如图12-17所示。
考虑到实际加工，会遇到以下两点问题：
① 在不划分区域加工的情况下，为了提高加工效率，开粗刀具不可能太小，导致粗雕刀具无法在狭小区域生成开粗路径，造成精雕刀具加工个别区域时处于双边切状态。
② 为了提高整体效率，必须使用单边切加工参数，导致双边切区域刀具受力增大，刀具磨损加速。
解决此问题的方法有两种：
① 在控制软件中单独设置此处路径的加工参数（选中双边切路径，降低此处路径的切削进给速度、落刀速度）。
② 采用“分离刀具路径”功能，将此处单边切路径删除，单独选中此区域，按照双边切加工参数设置这些区域的路径。
第一种方法大家可以动手试一试，此处我们讲解第二种方法。
选中上述生成的刀具路径，选取“分离刀具路径”功能，选取“分离为单条路径”选项，如图12-18所示。
选中图12-15中双边切路径，选取“删除”功能，删除双边切路径，得到图12-19。

图12-18 图12-19
注：①如果采用残料补加工或整体分层修边的加工方法，效率会有所降低。
②为了进一步提高效率，还可以将外框周围的清角路径和修改后外框生成的多余修边路径删掉。
选取图12-16中双边切雕刻区域和未加工区域，使用区域雕刻中的区域修边功能，参数如图12-20所示。（刀具仍采用锥度60-0.3）
通过“三维观察”下的“轴侧图”观察修边路径，从图12-21中可以清楚看出修改后的路径分层情况。

图12-20 图12-21
雕刻路径整体如图12-22所示。
经过修改后，加工中刀具受力较均衡，刀具磨损减少，同时也比整体分层修边加工效率要高。
同样利用“锥度60-0.3”刀具生成清角路径，设置参数如图12-23所示。

图12-22 图12-23
注：不选取[禁止向下清角]原因是选中后，刀具自下向上加工，在双边切区域加工时刀具在入刀位受力较大，不利于加工。
点击[确定]按钮，得到清角加工路径。
雕刻路径整体如图12-24所示。

3、第二次精修雕刻路径
利用锥度60-0.2生成第二层精修雕刻路径，设置参数如图12-25、26、27所示。

图12-25　　　　　　　　　　　　　　　 图12-26
注：从第二次精修路径开始，修边路径都处于单边切加工状态，所以没有必要修改路径。
通过分别设置区域修边和三维清角得到第二层精修路径。
雕刻路径整体如图12-28所示。

图12-27 图12-28
4、第三次精修雕刻路径
利用锥度60-0.1生成第三次精修雕刻路径，设置参数如图12-29、30、31所示。

图12-29　　　　　　　　　　　　　　图12-30
通过分别设置区域修边和三维清角得到第三次精修路径。
雕刻路径整体如图12-32所示。

图12-31 图12-32
5、如何设置最后精修路径
此时我们放大观察前面工艺分析中提到的狭小区域，发现锥度60-0.1加工后，“冒号区域”仍不满足要求，如图12-33所示：

图12-33
选中“冒号”与外边框，选取三维清角功能生成三维清角路径，
设置参数如下：

图12-34　　　　　　　　　　　　　　　图12-35
得到清角雕刻路径，三维观察下显示如图12-36所示：

图12-36
将路径分离，通过属性观察此处路径深度，系统显示（图12-37）最小路径深度0.025，
通过实际加工（可适当加深0.03mm左右），即可保证此处冲压面轮廓清晰。
最后将开粗路径与精修路径总汇得到图12-38所示雕刻路径：

图12-37 图12-38
12.2.5 实际雕刻
生成刀具路径后，将刀具路径输出并实际雕刻。
加工效果如图12-39所示：

图12-39

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