機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
覆蓋件模具型面數(shù)控加工CAPP研究及應(yīng)用
閱讀：133 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12近年來，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車制造企業(yè) 之間的競爭也曰益激烈，為了適應(yīng)市場和消費(fèi)者的需 求，車型不斷升級換代，改換汽車外觀是新車型的標(biāo) 志之_，因此汽車的覆蓋件模具必須重新設(shè)計(jì)制造。 覆蓋件模具具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、曲面多、型面光 順度高等特點(diǎn)，因此其加工制造難度較大、成本較 高，不容易控制加工質(zhì)量和周期。模具的加工質(zhì)量和 精度對覆蓋件模具特殊的加工工藝也提出了更高的要 求。而且加工工藝編制者在經(jīng)驗(yàn)上存在一定差異，使 得工藝編制不夠合理、嚴(yán)謹(jǐn)和規(guī)范，模具加工質(zhì)量和 效率無法保障1。
隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，模具制造領(lǐng)域越 來越依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助工 藝規(guī)劃技術(shù)（即CAPP)應(yīng)運(yùn)而生。CAPP技術(shù)為覆 蓋件模具的加工制造提供了一個(gè)自動(dòng)化的集成平臺， 它不僅能夠規(guī)范加工工藝、縮短設(shè)計(jì)周期、改善工藝 繼承性、提高加工質(zhì)量和效率，而且對增強(qiáng)汽車制造 企業(yè)的競爭力起著至關(guān)重要的作用1-2。
以汽車覆蓋件拉延模具型面為例，對其加工工藝 進(jìn)行剖析，創(chuàng)建了以PowerMILL 2012大型數(shù)控加工 軟件為平臺的覆蓋件模具型面數(shù)控加工工藝模板，它 不僅能夠高效加工特定模具，而且對結(jié)構(gòu)相似的模
具，通過直接調(diào)用或簡單修改工藝參數(shù)即可生成符合 實(shí)際生產(chǎn)的加工工藝和程序代碼。實(shí)踐證明：該方法 能夠規(guī)范模具型面加工工藝，提高模具的加工質(zhì)量和 效率。
1模具型面加工工藝
汽車覆蓋件拉延模具型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 曲面多、 尺 寸大、精度要求高，因此覆蓋件模具的加工工藝與普 通模具的加工工藝相比，兩者之間有較大的差異3。
覆蓋件模具型面加工工藝流程如圖1所示。首先 將備好的模具坯料在加工中心工作臺面上定位、夾 緊；選取直徑較大的粗銑刀，以“十”字或“井” 字型方式對模具型面進(jìn)行試加工，確保毛坯各部位切 削余量均勻；毛坯粗加工時(shí)，在型面較淺位置用等距 環(huán)切軌跡加工，在陡平面處用等高方式切削，快速去 除模具毛坯余量；下一步進(jìn)行粗清角加工，_般采用 筆式清角方式，去除毛坯未加工到的角落部位，確保 余量均勻；半精加工工序去除多余的毛坯，使型面更 加均勻光滑，為精加工做準(zhǔn)備；半精清角工序主要是 去除半精加工未切削到的殘留量；精加工是模具型面 加工處理的關(guān)鍵步驟，將決定型面的質(zhì)量和精度；對 于某些型面中曲率半徑較小的余量，精清角加工工序 也是必需的。
1.1型面試加工
覆蓋件模具型面粗加工時(shí)，經(jīng)常采用分層切削的 方式進(jìn)行，其效率低且成本較高。因此，可以在粗加 工之前引入一個(gè)劃分局部曲面加工的試加工工序。如 圖2所示，即在X軸或}"軸方向上以200 mm為單位 將加工型面區(qū)域劃分成 塊，然后在Z軸方向上 抬刀20 mm，并試切20 mm寬的刀路，如果局 部型面未被加工到，刀 具以5 mm為單位下降，
再進(jìn)行試切，直到每個(gè) 試切點(diǎn)都有加工余量。 圖2試加工型面分區(qū)
1.2型面粗加工
粗加工的目的是快速去除模具毛坯余量，所以常 用的加工刀具的直徑較大，選取的切削深度也較大， 并降低主軸轉(zhuǎn)速來進(jìn)行粗加工。切削步距的大小由銑 刀直徑來決定，常用的銑刀直徑一般在6?50 mm之 間，因此切削步距一般設(shè)置為0.5?20 mm。切削進(jìn) 給速度要根據(jù)加工中心的加工能力、刀具材料和毛坯 材質(zhì)等情況，合理選取較大值，以達(dá)到快速除料的 目的。
工件毛坯外表粗糙，故應(yīng)在模具型面以外的區(qū)域 設(shè)置合理的起刀點(diǎn)，避免刀具誤切或撞刀。切削加工 方式盡量選用順銑模式，使刀具保持良好的切削狀 態(tài)。走刀方式確定后，由編制的程序給定刀具起刀點(diǎn) 位置。
1.3型面精加工
精加工的切削用量較小、精度較高，刀具尺寸由 型面曲率大小來定，_般采用％16 mm或％20 mm球 頭立銑刀雙向走刀，起刀點(diǎn)不受限制。加工步距由型 面精度要求來選擇，一般取0.8 mm，加工余量保持 在1mm以內(nèi)，精度保證在0.05 mm左右。后用小 直徑球頭銑刀清根去除多余材料。
1.4型面清角加工
模具的型面一般采用球頭刀進(jìn)行精加工，在加工 區(qū)域會(huì)留下一定的加工余量，尤其是一些較淺型面的 加工，導(dǎo)致模具型面加工精度降低。于是，精加工后 宜采用更小直徑（如％6 mm)的球頭刀對剩余區(qū)域 進(jìn)行清根加工，以達(dá)到模具型面的加工精度要求。
在實(shí)際加工中，覆蓋件拉延模具型面的復(fù)雜程 度、曲率半徑等均有所不同，除以上工藝流程外，還 可能涉及其他工序，如局部清角加工、分層清角加 工、側(cè)面插銑加工和側(cè)面半精加工等。
2模具型面CAPP開發(fā)
在覆蓋件模具型面加工工藝研究的基礎(chǔ)上，采用 PowerMILL 2012加工軟件的工藝模板開發(fā)平臺，根據(jù) 拉延模具型面特點(diǎn)和加工工藝，制定工藝流程，針對 不同的加工部分，選擇不同的加工策略，設(shè)置合理的 加工參數(shù)，創(chuàng)建加工程序，完成模具型面CAPP工藝 模板的設(shè)計(jì)。
2.1創(chuàng)建工藝模板
在PowerMILL 2012環(huán)境下工藝模板的生成 路徑，然后對工藝模板進(jìn)行命名，在加工策略對話框 中，即可生成‘‘覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模 板”標(biāo)簽。
2.2設(shè)置加工參數(shù) 2.2.1刀具設(shè)置
加工刀具設(shè)置參數(shù)包括：刀體類型（如圓錐形 刀具和圓柱形刀具）和刀底類型（如球形刀、圓角 刀和平底刀），具體刀具幾何體參數(shù)設(shè)置主要有：刀 具直徑、刀具長度、刀具錐角及圓角半徑等4。
2.2.2 走刀方式
在加工過程中，不論是一個(gè)程序還是幾個(gè)程序才 能加工完成的型面，刀具的起點(diǎn)和終點(diǎn)需為同一個(gè)位 置。進(jìn)刀點(diǎn)應(yīng)選擇在其受力良好的位置，使切削受力 均衡。退刀時(shí)應(yīng)大限度縮短非切削加工時(shí)間，提高 數(shù)控機(jī)床利用效率，可以選擇沿加工路徑切線、沿加 工路徑法線、沿Z軸、沿加工路徑相切等方式進(jìn)行 進(jìn)退刀走刀5。
2. 2.3切削步距
在模板中，用反映加工精度的工藝參數(shù)一殘留 高度來設(shè)置切削間距。如圖3所示，其中h是殘留高度、d是刀具直徑、b是切削步距。在保證加工效率 和加工精度的前提下，切削間距盡量選擇小值，依 據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，殘留高度多取0.02 mm6。
2.2.4進(jìn)給速度
在工藝模板中，分別設(shè)定了切削速度、進(jìn)刀速 度、退刀速度、空刀速度和跨越速度等5種進(jìn)給速 度。切削進(jìn)給速度根據(jù)工件表面的余量值來設(shè)定，如 果余量較大，切削進(jìn)給速度應(yīng)適當(dāng)降低；跨越進(jìn)給速 度通常設(shè)置成切削進(jìn)給速度的60%左右；進(jìn)刀速度 —般設(shè)置為50~200 mm/min;退刀、空走刀速度盡 可能選取設(shè)備允許的高值7。
2.2.5主軸轉(zhuǎn)速
實(shí)際生產(chǎn)中，主軸轉(zhuǎn)速依據(jù)機(jī)床能力、刀具形狀 和材質(zhì)、工件材料以及加工余量等方面綜合設(shè)定。覆 蓋件模具常用鑄鐵或鋼材質(zhì)，加工型面余量較大時(shí)， 主軸轉(zhuǎn)速一般選用1 000 ~ 4 500 r/min;而如果加工型面余量較小時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速可以設(shè)置到8 000 ~ 12 000 r/min,能夠很大程度提咼型面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
基于以上加工工藝參數(shù)設(shè)置，生成模具型面加工 工藝流程的加工策略[8-10]。將工藝參數(shù)和加工策略 保存在“覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模板”路徑 下，后完成“覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模 板”開發(fā)，如圖4所示。
3模具型面CAPP應(yīng)用
將該CAPP工藝模板應(yīng)用在某汽車大型覆蓋件模 具型面的加工上，對其進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。
依該模板設(shè)定的模具型面加工策略設(shè)置工藝參數(shù) 進(jìn)行切削加工，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。
加工工藝參數(shù)和加工策略表
加工工藝參數(shù)
| 加工工 藝流程 | 加工方式 | 刀具 | 主軸轉(zhuǎn)速/
(r • min "1) | 進(jìn)給速率/
(mm • min"1) | 切削步
距 /mm | 加工余
量/mm | 加工精
度 /mm |
| 型面試加工 | 參考線段投影加工 | %50球刀 |
1 000 | 1 500 |
— | 由毛坯余量而定 | 0. 1 |
| 粗加工 | 交叉等高精加工 | %50球刀 |
1 500 |
1 800 | 8 | 1. 0 | 0. 1 |
| 粗清角 | 自動(dòng)清角精加工 | %50球刀 | 1 800 |
2 000 | — | 1. 0 | 0. 1 |
| 半精加工 | 三維偏置精加工 | %50球刀 | 2 000 |
2 000 | 3 | 0. 3 | 0. 05 |
| 半精清角 | 自動(dòng)清角精加工 | %25球刀 | 2 500 |
2 500 | — | 0. 25 | 0. 03 |
| 精加工 | 三維偏置精加工 | %25球刀 |
4 500 |
4 200 |
0.6 | 0 | 0. 02 |
| 精清角一 | 自動(dòng)清角精加工 | %20球刀 |
2 500 |
3 500 | — | 0 | 0. 01 |
| 精清角二 | 自動(dòng)清角精加工 | %10球刀 |
2 500 |
3 500 | — | 0 | 0. 01 |
| 精清角三 | 自動(dòng)清角精加工 | %6球刀 |
2 500 | 3 000 | — | 0 | 0. 01 |
模具毛還選用1 000 mm X 800 mm X 200 mm的鑄 件。基于加工余量較大的原因，選取球頭銑刀先對型 面進(jìn)行試加工；采用交叉等高方式進(jìn)行粗加工，余量 1.0mm,再對未加工到的部位粗清角；依次完成型 面的半精加工、半精清角加工、精加工、精清角加工 等步驟，后生成完整的刀路軌跡和加工程序。在 CINQNNATI VMC4000加工中心上完成了該覆蓋件 模具型面的實(shí)際加工，如圖5所示。
加工結(jié)果表明，應(yīng)用該CAPP加工工藝模板可以 快速、合理、規(guī)范地設(shè)置模具型面的工藝參數(shù)和工藝 流程，不僅保證了型面加工的質(zhì)量，而且使工藝規(guī)劃 和數(shù)控編程的時(shí)間縮減大約20%，大大提高了模具 制造效率。
4結(jié)束語
實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于汽車覆蓋件模具種類較 多，而且模具型面的形狀曲率和加工工藝都不近相 同，下一步將對工藝數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充和完善，將相似 型面的加工工藝歸類設(shè)置，將可視化的開發(fā)平臺和數(shù) 控加工軟件相結(jié)合，開發(fā)出功能更加強(qiáng)大的CAPP數(shù) 控加工工藝模板，合理規(guī)劃覆蓋件模具生產(chǎn)中的各個(gè) 加工環(huán)節(jié)，增強(qiáng)數(shù)控工藝及加工代碼編制的實(shí)用性和 可靠性，在很大程度上提高汽車覆蓋件模具的加工質(zhì) 量與效率，有效提升企業(yè)競爭力，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展。