充電器型腔的工藝分析及數(shù)控編程加工

李文輝，伍偉杰，覃 嶺

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東順德 528333)

隨著IT技術(shù)在制造行業(yè)的發(fā)展，CAD／CAM、數(shù)控加工等先進(jìn)制造技術(shù)日益完善，并廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代化生產(chǎn)中。制造行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)，都進(jìn)行著深刻的技術(shù)變革。眾多的軟件廠商基于計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)出面向數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造的工程軟件，提供從設(shè)計(jì)到制造的一體化功能，如Cimatron、UG、Pro/E、CAXA等，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的多變性、多樣性要求。Cimatron E軟件是以色列Cimatron公司專為工模具制造者提供的CAD/CAM解決方案，是目前市場(chǎng)上較為成熟的CAD／CAM軟件之一，集成參數(shù)化產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、型腔模具設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)、沖壓模設(shè)計(jì)、數(shù)控編程加工功能。

充電器是典型的工業(yè)產(chǎn)品，其外殼造型及分模已在Cimatron E8.5中首先完成，型腔結(jié)構(gòu)由側(cè)抽、凹槽深窄底面、凹槽圓柱及孔位等組成，其三維實(shí)體圖及相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電器型腔結(jié)構(gòu)實(shí)體圖

1 型腔工藝分析

充電器型腔工件材料牌號(hào)選擇模具鋼P(yáng)20，采用已磨削加工的長(zhǎng)方體坯料，尺寸為100 mm×60 mm×30 mm，六面平行度、垂直度、尺寸精度都已得到保證。

型腔屬于凹槽類特征，而且在型腔的底部是較為深窄的結(jié)構(gòu)，故而數(shù)控編程工藝編排按粗加工、半精加工、精加工的順序進(jìn)行。粗加工用大刀具快速地加工出型腔大致形狀，半精加工用較小刀具去除粗加工遺留的大余量，并保留適當(dāng)余量，精加工根據(jù)結(jié)構(gòu)特征采用不同的刀具及工藝分區(qū)域加工，保證加工效果和加工精度。相對(duì)于IT版，Cimatron E8.5中的加工刀路，根據(jù)不同的加工場(chǎng)合，進(jìn)行了智能的封裝，針對(duì)粗、精加工、不同的加工特征開(kāi)發(fā)有專用的刀路程序，基本的工藝過(guò)程如表1。

表1 充電器型腔數(shù)控加工工藝工藝過(guò)程

2 編程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在Cimatron E8.5中，進(jìn)行編制加工刀路之前，首先需完成編程準(zhǔn)備，包括調(diào)入加工模型、選擇加工坐標(biāo)系（本型腔選擇頂面中心作為加工坐標(biāo)系原點(diǎn)）、創(chuàng)建毛坯、創(chuàng)建刀路軌跡（本型腔選擇3軸加工類型，可根據(jù)實(shí)際需要選擇3軸加工方式或2.5軸加工方式）。

2.1 型腔環(huán)形銑粗加工

Cimatron E版中的對(duì)粗加工刀路進(jìn)行了智能封裝，粗加工刀路縮減為平行切削和環(huán)形切削兩種。在型腔凹槽中進(jìn)行加工時(shí)，選擇平行切削，將產(chǎn)生很多的抬刀動(dòng)作，影響開(kāi)粗效率。而環(huán)形切削，是刀具環(huán)繞型腔形狀進(jìn)行切削，加工刀路仿形型腔形狀，同時(shí)有效減少抬刀動(dòng)作。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“體積銑→粗加工環(huán)形銑”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）內(nèi)部安全高度參數(shù)項(xiàng)選擇為優(yōu)化，避免每次都抬刀到安全平面高度，減少提刀及提高效率；

（2）進(jìn)刀和退刀點(diǎn)參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置進(jìn)刀角度為3°，即采用螺旋進(jìn)刀方式，如采用默認(rèn)值90°，為直接垂直下刀方式，適用于預(yù)加工工藝孔的情況，在此不適合；

（3）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0.5 mm，此為粗加工之后的綜合余量，加工精度設(shè)置為0.1 mm，目的是增大精度誤差，提高刀路計(jì)算速度；

（4）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中選擇固定垂直步進(jìn)為0.8，即背吃刀量為0.8 mm，側(cè)向步長(zhǎng)為刀具直徑的0.75倍；

（5）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為環(huán)形刀，直徑Φ 12 mm，刀具圓角R 0.8 mm；

（6）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，進(jìn)給速度1 500 mm/min；

（7）在零件項(xiàng)中選擇加工對(duì)象，在此選擇充電器型腔的所有曲面，一方面選擇方便，另一方面避免漏選或錯(cuò)選加工曲面，同時(shí)在邊界項(xiàng)中選擇型腔的四周邊限制加工范圍，避免生成型腔四周外側(cè)的刀路，刀路計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，刀具在側(cè)抽外垂直下刀，而后進(jìn)入型腔內(nèi)部，當(dāng)高度低于側(cè)抽的刀路，采用螺旋下刀方式，這也體現(xiàn)了Cimatron E優(yōu)異的刀路自動(dòng)判斷能力(如圖 2 所示)。

圖2 型腔凹槽粗加工的環(huán)形銑刀路

2.2 型腔二次開(kāi)粗

在環(huán)形銑中，由于選用了較大的刀具進(jìn)行開(kāi)粗，在型腔的邊角位殘留余量多，并且型腔的深窄底部處刀具未能進(jìn)入加工。二次開(kāi)粗的目的，是采用較小的刀具將大刀開(kāi)粗時(shí)遺留的余量進(jìn)一步去除，為半精加工和精加工作準(zhǔn)備。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“體積銑→二次開(kāi)粗”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）Cimatron E版的刀路將繼承前面的刀路參數(shù)，二次開(kāi)粗的安全平面及進(jìn)刀方式等參數(shù)與開(kāi)粗參數(shù)相同；

（2）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0.55 mm，此為二次開(kāi)粗加工之后的綜合余量，設(shè)置比開(kāi)粗余量略大的目的，是避免刀具重復(fù)進(jìn)入前一開(kāi)粗刀具已加工過(guò)的區(qū)域，而產(chǎn)生過(guò)多空切刀路與跳刀。加工精度仍設(shè)置為0.1，目的同前；

（3）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中選擇固定垂直步進(jìn)為0.5，即背吃刀量為0.5 mm，側(cè)向步長(zhǎng)為刀具直徑的0.7倍；

（4）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 6 mm；

（5）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，進(jìn)給速度800 mm/min；

（6）在零件項(xiàng)中的加工對(duì)象選擇與環(huán)形銑開(kāi)粗一樣(刀路軌跡如圖3所示)。

圖3 型腔凹槽的二次開(kāi)粗刀路

2.3 型腔半精加工

前述二次開(kāi)粗，已經(jīng)將開(kāi)粗的余量大大減少，但在曲面局部還存在余量不均勻的地方，在此用平底刀作半精加工，以去除不均勻的余量，為精加工作準(zhǔn)備。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“曲面銑→精銑所有”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度等參數(shù)繼承前述刀路參數(shù)；

（2）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0.15 mm，此為半精加工之后的綜合余量，加工精度設(shè)置為0.05，目的是適當(dāng)增大精度誤差，提高刀路計(jì)算速度；

（3）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中選擇曲面加工方式為層切，每層固定垂直步進(jìn)為0.5 mm；

（4）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 8 mm；

（5）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3500 r/min，進(jìn)給速度1 000 mm/min；

（6）在零件項(xiàng)中的加工對(duì)象選擇與環(huán)形銑開(kāi)粗一樣（刀路軌跡如圖4所示）。

圖4 型腔凹槽半精加工的精銑所有刀路

2.4 側(cè)抽側(cè)壁面精加工

側(cè)抽的加工部位，包括側(cè)壁面和側(cè)抽底平面，為避免精加工同時(shí)加工到側(cè)壁面和底平面，刀具接觸部位過(guò)大，影響加工效果，在此首先精加工側(cè)壁面。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“2.5軸→開(kāi)放輪廓銑”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度參數(shù)項(xiàng)選擇為絕對(duì)Z值，每次都抬刀到安全平面高度，避免刀具碰撞其它側(cè)面；

（2）進(jìn)刀和退刀點(diǎn)參數(shù)項(xiàng)中選擇圓弧切向進(jìn)刀，延伸距離為2 mm；

（3）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0，加工精度設(shè)置為0.005，目的是保證輪廓刀路的走刀精度；

（4）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中限制Z值加工深度為側(cè)抽底平面高度，毛坯寬度為0.30 mm，側(cè)向步長(zhǎng)設(shè)置為0.25 mm，目的是分兩次加工側(cè)壁面，獲得好的加工質(zhì)量；

（5）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 6 mm；

（6）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，進(jìn)給速度500 mm/min；

（7）在零件項(xiàng)中選擇加工對(duì)象，在此選擇側(cè)抽側(cè)壁面的兩底邊，刀具與底邊的位置關(guān)系為切向（計(jì)算的刀路如圖5）。

圖5 側(cè)抽側(cè)壁面加工精加工的開(kāi)放輪廓銑刀路

2.5 凹槽兩圓柱側(cè)面精加工

凹槽兩圓柱側(cè)面繼承側(cè)抽側(cè)壁面參數(shù)。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“2.5軸→封閉輪廓銑”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度參數(shù)項(xiàng)選擇為絕對(duì)Z值，每次都抬刀到安全平面高度，避免刀具碰撞其它側(cè)面；

（2）進(jìn)刀和退刀點(diǎn)參數(shù)項(xiàng)中選擇圓弧切向進(jìn)刀，延伸距離為0，避免碰撞型腔側(cè)面；

（3）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0，加工精度設(shè)置為0.005，目的是保證輪廓刀路的走刀精度；

（4）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中限制Z值加工深度為圓柱底邊高度，毛坯寬度為0.30 mm，側(cè)向步長(zhǎng)設(shè)置為0.25 mm，目的是分兩次加工圓柱側(cè)面，獲得好的加工質(zhì)量；

（5）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 6 mm；

（6）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，進(jìn)給速度500 mm/min；

（7）在零件項(xiàng)中選擇加工對(duì)象，在此選擇兩圓柱的底邊，刀具與底邊的位置關(guān)系為切向（計(jì)算的刀路如圖6所示）。

圖6 凹槽兩圓柱側(cè)面精加工的封閉輪廓銑刀路

2.6 凹槽平面及側(cè)抽平面精加工

凹槽平面及側(cè)抽平面雖然高度不一樣，但在精銑水平區(qū)域刀路中可自動(dòng)判斷平面狀態(tài)，自動(dòng)采用匹配的加工刀路。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“曲面銑→精銑水平區(qū)域”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度參數(shù)項(xiàng)等繼承前述刀路；

（2）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0，加工精度設(shè)置為0.005，目的是保證平面刀路的走刀精度；

（3）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中刀具側(cè)向步長(zhǎng)設(shè)置為直徑的0.7倍；

（4）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 6 mm；

（5）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3500 r/min，進(jìn)給速度500 mm/min；

（6）在零件項(xiàng)中選擇加工對(duì)象，在此選擇充電器型腔的所有曲面，精銑水平區(qū)域刀路可從中自動(dòng)甄選出水平平面加工，且不會(huì)過(guò)切其他曲面，這表現(xiàn)出Cimatron E智能化編程的優(yōu)點(diǎn)（計(jì)算的刀路如圖7所示）。

圖7 凹槽平面及側(cè)抽底平面精加工的精銑水平區(qū)域刀路

2.7 凹槽中央孔側(cè)面及底面精加工

分模出來(lái)的型腔中央孔直徑約為7.25 mm，二次開(kāi)粗后側(cè)面及底面均留有余量，在此增加一刀路分兩次來(lái)精加工中央孔側(cè)面及底面。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“2.5軸→封閉輪廓銑”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度參數(shù)項(xiàng)選擇為絕對(duì)Z值，每次都抬刀到安全平面高度，避免刀具碰撞其它側(cè)面；

（2）進(jìn)刀和退刀點(diǎn)參數(shù)項(xiàng)中選擇法向進(jìn)刀量為0.2 mm，延伸距離為0.1 mm，避免碰撞側(cè)面；

（3）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0，加工精度設(shè)置為0.005，目的是保證輪廓刀路的走刀精度；

（4）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中限制Z值加工深度為圓柱底邊高度，毛坯寬度為0.15 mm，側(cè)向步長(zhǎng)設(shè)置為0.10 mm，目的是分兩次加工中央孔底面與側(cè)面，獲得好的加工質(zhì)量；

（5）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為平底刀，直徑Φ 6 mm；

（6）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，進(jìn)給速度500 mm/min；

（7）在零件項(xiàng)中選擇加工對(duì)象，在此選擇中央孔的底邊，刀具與底邊的位置關(guān)系為切向（計(jì)算的刀路如圖8所示）。

圖8 中央孔側(cè)面及底面精加工的封閉輪廓銑刀路

2.8 凹槽曲面精加工

凹槽曲面既有平緩特征的曲面，又有陡峭特征的曲面。在此設(shè)定曲面角度，Cimatron可根據(jù)曲面角度設(shè)置，分別選擇適合曲面特征的走刀方式計(jì)算刀路軌跡。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“曲面銑→根據(jù)角度精銑”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度等參數(shù)繼承前述刀路參數(shù)；

（2）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0 mm，加工精度設(shè)置為0.005，保證精加工的質(zhì)量；

（3）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置限制角度為40°，選擇小于40°的平緩面走刀方式為環(huán)切，水平間距為0.2 mm，選擇大于40°的陡峭面走刀方式為層切，垂直間距為0.25 mm；

（4）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為球刀，直徑Φ 8 mm；

（5）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，進(jìn)給速度1 500 mm/min；

（6）在零件項(xiàng)中的加工對(duì)象選擇凹槽所有曲面，同時(shí)選擇曲面的周邊面作為檢查面，避免過(guò)切（刀路軌跡如圖9所示）。

圖9 凹槽曲面精加工的根據(jù)角度精銑刀路

2.9 凹槽中央孔倒圓角面精加工

中央孔的倒圓角面，為規(guī)則單一性質(zhì)的曲面特征，選用曲面銑無(wú)法產(chǎn)生規(guī)則的刀路，因而選用流線銑加工方式。

點(diǎn)擊加工程序，在彈出程序管理器中選擇“流線銑→3軸零件曲面”。主要的工藝參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明如下：

（1）安全高度等參數(shù)繼承前述刀路參數(shù)；

（2）加工余量參數(shù)項(xiàng)設(shè)置為0 mm，加工精度設(shè)置為0.005；

（3）刀路軌跡參數(shù)項(xiàng)中，設(shè)置步進(jìn)方式根據(jù)殘留高度，殘留高度精度為0.01mm，

（4）刀具和卡頭參數(shù)中選擇刀具為球刀，直徑Φ 2 mm；

（5）機(jī)床參數(shù)項(xiàng)中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，進(jìn)給速度500 mm/min；

（6）在零件項(xiàng)中的加工對(duì)象，選擇中央孔圓角曲面（刀路軌跡如圖10所示）。

圖10 中央孔圓角精加工的3D零件曲面刀路

3 后置處理

初步完成加工刀路程序的編制，使用Cimatron E8.5中的高級(jí)仿真功能，模擬數(shù)控加工的過(guò)程，檢查刀路是否存在過(guò)切等工藝缺陷，進(jìn)而優(yōu)化并達(dá)到完好的加工效果。模擬的方式，主要使用線框模擬以及實(shí)體模擬。線框模擬，可以看到分層的刀路軌跡，確定刀路走刀，并分析刀路之間的加工部位有否錯(cuò)位等；而使用實(shí)體模擬，可以看到完整的零件加工效果，進(jìn)行加工誤差的分析。

確定刀路編制合理以后，使用Cimatron E8.5自帶的后處理程序，將刀路軌跡編譯為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控程序，傳輸?shù)綌?shù)控銑床完成充電器型腔的數(shù)控加工。

對(duì)于型腔凹槽底部的深窄部位，由于刀具無(wú)法進(jìn)入，而導(dǎo)致有殘留余料。此時(shí)使用Cimatron E8.5中的電極設(shè)計(jì)模塊，在深窄部位拆出電極。編程加工出電極后進(jìn)行電火花加工，去除這部分殘留余料。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工自動(dòng)化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面，發(fā)揮著重要作用。如同充電器型腔的編程加工，基于數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)使用工程軟件（如Cimatron E8.5）能達(dá)到完好的自動(dòng)化加工目的，為制造行業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)注入高效的活力、創(chuàng)造高效的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]Cimatron公司.CimatronE中文培訓(xùn)手冊(cè)Tooling[Z].自編培訓(xùn)教材，2008.

[2]駿毅科技.CimatronE7.0零件設(shè)計(jì)實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2006.