模具高效加工方法與工藝規程



摘要：本文介紹了模具零部件的機加工方法及工藝規程的制定,并以電器盒模具模芯高效數控加工工藝為例,結合自己多年的注射模具加工經驗,精辟地介紹了模具零部件高效銑削加工工序的編制,希望對工程技術人員有一定的幫助和借鑒作用。
關鍵詞：CAD/CAM模具加工工藝
一、引言
在現代模具的成形制造中,由于模具的形面設計日趨復雜,自由曲面所占比例不斷增加,因此對模具加工技術提出了更高要求,即不僅應保證高的制造精度和表面質量,而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入,尤其在機床加工、數控系統、刀具系統、CAD/CAM軟件等相關技術不斷發展的推動下,高速加工技術已越來越多地應用于模具的制造加工。高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響,改變了傳統模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復雜冗長的工藝流程。
但是,在實踐中為了提高模具的加工效率,不能一味地去追求高速加工,有時為了節約生產成本與提高生產效率,必須采用高效加工方法,使一部分加工工序在普通機床上就可高效率完成。這樣就要求設計者編制合理的模具加工工藝,以便提高模具的加工效率,降低模具的制造成本,減少模具的制造周期。
二、模具零部件的機加工方法
用機械加工方法加工模具零部件時要充分考慮零件的材料、結構形狀、尺寸、精度和使用壽命等方面的不同要求,采用合理的加工方法和工藝路線。盡可能通過加工設備來保證模具零部件的加工質量,減少鉗工修配工作量,提高生產效率和降低成本。
常用機械加工方法在模具零部件加工中的應用如表1所示。
表1常用機加工方法可能達到的粗糙度及應用

三、模具高效加工工藝規程與策略制定
1.工藝規程制定
工藝規程必須針對加工對象,結合本企業實際生產條件進行制定,技術上要先進、經濟上要合理。模具零部件加工工藝規程制定的一般步驟及所包含的基本內容如表2所示。
表2加工工藝規程

2.數控加工工藝策略
1）粗加工
模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率,并為半精加工準備工件的幾何輪廓。在粗加工過程中通過利用國外先進的 CAD/CAM軟件可通過以下措施保持切削條件恒定,從而獲得良好的加工質量。
（1）恒定的切削載荷；
通過計算獲得恒定切削層面積和材料去除率,使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡,以提高刀具壽命和加工質量；
（2）避免突然改變刀具進給方向；
（3）避免將刀具埋入工件。如加工模具型腔時,應避免刀具垂直插入工件,而應采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°),*好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時,應盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件；
（4）刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出,避免垂直切入、切出；
（5）采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱,減小刀具受力和加工硬化程度,提高加工質量。
2）半精加工
模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻,這對于工具鋼模具尤為重要,因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化,從而影響切削過程的穩定性及精加工表面質量。
粗加工是基于體積模型(Volume model),精加工則是基于面模型(Su rface model)。而以前開發的 CAD/CAM系統對零件的幾何描述是不連續的,由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息,故粗加工表面的剩余加工余量分布及*大剩余加工余量均是未知的。
因此應對半精加工策略進行優化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優化過程包括：粗加工后輪廓的計算、*大剩余加工余量的計算、*大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于*大允許加工余量的型面分區(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。
現有的模具加工 CAD/CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能,并能根據剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。CIMATRON軟件提供清根加工（CLEANUP）來**粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續工序均勻的加工余量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Localmilling)具有相似的功能,如局部銑削工序的剩余加工余量取值與粗加工相等,該工序只用一把小直徑銑刀來**粗加工未切到的角落,然后再進行半精加工；如果取局部銑削工序的剩余加工余量值作為半精加工的剩余加工余量,則該工序不僅可**粗加工未切到的角落,還可完成半精加工。
3）精加工
模具的精加工策略取決于刀具與工件的接觸點,而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工,應盡可能在一個工序中進行連續加工,而不是對各個曲面分別進行加工,以減少抬刀、下刀的次數。然而由于加工中表面斜率的變化,如果只定義加工的側吃刀量(Stepover),就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻,從而影響加工質量。CIMATRON軟件解決上述問題的方法是在定義側吃刀量的同時,使用CleanBetweenPass(**刀間殘留面積高度)來調整步距。Pro/Engineer軟件解決上述問題的方法是在定義側吃刀量的同時,再定義加工表面殘留面積高度(Scallopmachine)。一般情況下,精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍,以避免進給方向的突然轉變。在模具的精加工中,在每次切入、切出工件時,進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接,避免采用直線轉接,以保持切削過程的平穩性。
四、高效加工實例
在現代化的模具生產中,隨著對產品功能要求的提高,產品內部結構也變得越來越復雜,相應的模具結構也要隨之復雜化。
下面闡述了在電器盒塑料模具制造中所采用的新的設計制造工藝方法路線：首先利用Pro/ENGINEER或CIMATRON等先進的CAD/CAM軟件進行產品的3D圖形設計；然后根據產品的特點設計模具結構,生成模具型腔實體圖和工程圖；再在CIMATRON中根據模具型腔的特點繪制CNC數控加工工藝圖,擬定數控加工工藝路線,輸入加工參數,生成刀具路徑；*后進行三維加工動態仿真,生成加工程序,并輸送到數控機床進行自動加工。
在實際加工時需用內六角螺釘將四個方鐵塊固定于模芯上,然后再將這四個方鐵塊固定在機床工作臺上即可。

圖1電器盒模芯圖
以下就以電器盒模具動、定模芯（如圖1所示,動模芯材料為P20,定模芯材料為2738,經調質處理,硬度為HRC32左右）為例,重點體說明這一加工流程。為減少篇幅,本文假定從生成三維加工工藝模型后開始,只涉及數控銑削加工部分。
表3動模芯數控加工工序

表4定模芯數控加工工序

五、結束語
數控編程是目前 CAD / CAPP/CAM系統中*能明顯發揮效益的環節之一,其在實現設計加工自動化、提高加工精度和加工質量、縮短產品研制周期等方面發揮著重要作用。采用CIMATRON或Pro/ENGINEER等先進軟件進行三維建模,然后根據模具型腔的特點,確定模具型腔、分模面,生成模具型腔實體圖、工程圖、加工工藝圖。根據CAM系統的功能,從CAPP數據庫獲取加工過程的工藝信息,進行零部件加工工藝路線的控制,輸入加工參數,然后再在CAM中編制刀具路徑,進行三維加工動態仿真,生成加工程序并輸送到數控機床完成自動化加工。
這些加工步驟是現代化模具生產的過程和發展趨勢,它使復雜模具型芯的生產簡化為單個機械零件的數控自動化生產,全部模具設計和數控加工編程過程都可以借助CAD/CAM軟件在計算機上完成。它改變了傳統的模具制造手段,有效地縮短了模具制造周期,大大提高了模具的質量、精度和生產效率。
只做參考