結(jié)合Cimatron軟件加工壓鑄模具異形鑲件

趙學(xué)慶　王帥

通過對(duì)壓鑄模具中的異形鑲件歸類，針對(duì)不同類型的鑲件進(jìn)行工藝分析，結(jié)合Cimatron軟件，由簡單到復(fù)雜，為CAM技術(shù)人員編制鑲件加工程序勾畫了一個(gè)通用的工藝思路。通過靈活設(shè)計(jì)工藝端，不僅為高速銑削加工提供了穩(wěn)定的裝夾方式與加工基準(zhǔn)，也為三坐標(biāo)檢測提供了方便的測量條件，是形狀復(fù)雜異形鑲件加工中一種簡捷有效的加工方法。

一、引言

壓鑄模具中的異型鑲件通常為孤立的薄筋、均勻鑄件壁厚設(shè)計(jì)的工藝部分或復(fù)雜易損的成型部位，其形狀多種多樣，為區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)的圓形（PIN）或矩形的鑲件（鑲塊），特稱為異形鑲件。依據(jù)裝配的形式不同，鑲件大體可分為兩種類型：盲腔型鑲件和通腔型鑲件。

盲腔鑲件指的是鑲件在型腔的鑲嵌槽是盲腔，沒有穿透型腔，需要依靠配合段定位并配合穿腔螺栓固定的鑲件。通腔鑲件指的是鑲件穿透型腔，通過配合段定位，依靠型腔與鑲件底座固定端的壓實(shí)來固定的鑲件。

二、異形鑲件加工的工藝特點(diǎn)

可根據(jù)異形鑲件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定鑲件的加工工藝。鑲件成型部位的公差范圍多在0～+0.05mm（單面）之間。平緩開闊的形狀可以使用高速加工的方法直接成型加工；有深筋、窄槽和狹長等難以加工特征的部件，可采用電加工的方式成型加工。

鑲嵌配合部位的公差范圍在0～-0.02mm（單面）之間，是鑲件加工中要求最高的部位。若采用機(jī)加工完成，要考慮到刀具磨損造成鑲件側(cè)壁余量不均而超差。若條件允許，可以采用線切割完成配合部位的加工，這樣可以保證配合段的上下一致性，提高鑲件配合部位加工的準(zhǔn)確率。

底座固定部位的外形公差范圍在0～-0.2mm之間，無光潔度要求，可以采用線切割與機(jī)加工兩種方式完成；底座的高度尺寸公差在0～+0.02mm之間，在裝配中起到限定高度的作用，有較高要求，在機(jī)加工中要特別注意。高長異形鑲件的配合段與底座固定端也常有使用線切割來做電加工的工藝安排。高速加工的效率很高，而電加工的過程長、成本高，因此盡可能的創(chuàng)造條件將可加工的部位高速加工完成，機(jī)加工難以完成的部位再采用電加工完成。這是鑲件加工的基本工藝思路。

在加工過程中，不需要刻意避免電加工。對(duì)鑲件中的深筋、溝槽等特殊部位，電加工的效率明顯高于NC加工，電極的設(shè)計(jì)制作技巧也是提高加工效率的重要手段。

三、編程心思路與加工方法示例

1.盲腔型鑲件

盲腔型鑲件在結(jié)構(gòu)上分成兩部分：成型部位，鑲嵌配合部位。在配合端的底面有螺栓孔，可將鑲件固定在型腔中。

（1）示例1：標(biāo)準(zhǔn)盲腔型鑲件，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)盲腔鑲件的成型部位與鑲嵌配合部位有平面聯(lián)接，兩部位可以分別使用層切削的方式加工，設(shè)置不同的刀具直徑補(bǔ)償值可滿足不同的尺寸精度要求。平面部分的高度尺寸有嚴(yán)格要求，加工時(shí)要保證公差范圍。

使用CimatronE軟件編程，標(biāo)準(zhǔn)盲腔鑲件是典型的符合凸型件特征的部件，在編程過程中使用層切削的方式做垂直區(qū)域的粗加工與半精加工，使用曲面銑削（環(huán)繞銑削或平行銑削）的方式加工曲面，清根銑的方式清理空間的凹形圓角，最后使用精銑水平區(qū)域的方式保證模型中平面部分的高度公差。

（2）示例2：復(fù)雜形狀方形盲腔鑲件，如圖2所示。

鑲件的成型部位溝槽縱橫，形狀復(fù)雜。制作石墨電極，采用電極電加工的方式完成正面精加工。鑲嵌配合部位的尺寸范圍小于正面的成型部位，在加工背面的時(shí)候，同樣要注意配合段的高度公差。

電極的提取方式在CimatronE中有獨(dú)特的快捷方法，會(huì)做專文講解石墨電極的提取方法與使用技巧。

由于使用電極電加工作為成型部位的精加工方式，因此在編程過程中成型部位只需要做到半精加工即可。溝槽不做程序加工，則此件就簡化成為了一個(gè)簡單的方形凸型件。粗加工使用環(huán)繞切削3D的方式，再使用層切削的方式做一個(gè)半精加工即可。

在鑲件熱處理期間，進(jìn)行電極制作。使用三維搖動(dòng)的電火花機(jī)床，電加工粗放電與精放電的時(shí)間約在15小時(shí)左右。

（3）示例3：復(fù)雜形狀圓形盲腔鑲件，如圖3所示。

圓形鑲件的成型段與鑲嵌配合端在分型線處聯(lián)接，加工后分型線輪廓一定要清晰，可以避免壓鑄過程中鋁液滲入配合縫隙造成鑄件產(chǎn)生毛刺。

為保證分型線的輪廓清晰，要將成型部位與分型線相聯(lián)接的曲面沿著拔模角度向下延伸3mm左右，稱為裙面。編程時(shí)沿著裙面加工2mm。由于成型部位的公差在0～+0.05mm，鑲嵌配合段的公差在0～-0.02mm，因此在線切割切除配合段余料后，分型線會(huì)清晰顯現(xiàn)，而且會(huì)上移1mm左右，這正是鑲件分型線在裝配過程中需要的調(diào)整高度。

為了線切割加工鑲件鑲嵌部位而使用方形毛坯，預(yù)留出20mm以上的線切割工藝夾持部分；成型部位采用3D環(huán)繞切削的方式粗加工，熱處理后電極電加工完成；配合段采用慢走絲線切割加工完成是非常穩(wěn)妥的方法。

編程時(shí)對(duì)分型線處的曲面進(jìn)行延伸的方法，在鑲件加工中是簡單、有效且實(shí)用的技巧。以下示例中分型線處的處理方法類同。

（4）示例4：高長的盲腔鑲件，如圖4所示。

此類鑲件數(shù)量在壓鑄模具鑲件中占較大比例。高長度的鑲件外形相對(duì)簡單平滑，長度與徑向尺寸的比例較大，比較適合NC加工完成。

在加工中，不僅要考慮精加工刀具的長度是否滿足加工高度要求，還要考慮因刀具長、工件高而引起的刀具與工件的震顫。震顫會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加速，引起尺寸偏差、光潔度下降，因此，縮短刀具長度，增加工件強(qiáng)度是NC加工此類型鑲件的關(guān)鍵。底端的鑲嵌配合部分依然采用線切割的方式去除。

如圖5所示，為提高鑲件夾持強(qiáng)度，在底部增加了30mm的夾持段，這樣夾持部位增加到50mm，可以有效增強(qiáng)虎鉗夾持的穩(wěn)定性。成型段NC加工結(jié)束后，先水平放置線切割切掉30mm這部分夾持段，再垂直放置切除鑲嵌配合段。切割后的效果如圖6所示。

（5）示例5：扁平盲腔鑲件，如圖7所示。

扁平類型的鑲件中有較多的圓弧形狀凹槽。若采用與高長度類型鑲件類似的加工方法，則較長的刀具產(chǎn)生的尺寸偏差在凹圓弧部位就會(huì)放大，會(huì)給裝配帶來較大的工作量。為避免此種情況，可以選擇工件平躺方式的加工。

鑲嵌配合段也可以在平躺加工中完成，做好裙面輔助面，同樣會(huì)加工出清晰的分型線輪廓。在底端與角部空白處合理設(shè)計(jì)裝夾工藝端，可以有效裝夾平躺式的加工部件。角部工藝端與成型部位的聯(lián)接固定厚度在5mm內(nèi)，NC加工最后階段采用層切削的方式切除。扁平鑲件工藝端設(shè)計(jì)如圖8所示。

由于刀具縮短，刀具與工件的強(qiáng)度顯著提高，因此平躺式加工效果明顯優(yōu)于立式加工效果。

加工方法采用最基本的3D環(huán)繞切削與層切削的方式做粗加工。為提高熱處理后的精加工精度，在熱處理前增加一個(gè)曲面銑削（平行銑削）做半精加工，為熱處理后的精加工留有均勻的余量。鑲件底部的水孔、螺栓孔等要在工藝端做出避空的孔，在熱處理前完成孔加工的各項(xiàng)工作。粗加工熱處理后的狀態(tài)如圖9所示。

精加工的過程如圖10所示。壓板壓住夾持工藝端，鑲件靠實(shí)機(jī)床床面，穩(wěn)定有力。加工后的效果圖如圖11所示。

精加工結(jié)束后，線切割切除底部工藝端，完成加工。成品如圖12所示。（6）示例6：高長扁平盲腔鑲件，如圖13所示。

高長扁平類型鑲件兼具高長類型與扁平類型鑲件的特點(diǎn)，因此平躺式加工依然是此類鑲件的優(yōu)選加工方式。

將成型段的頂部與鑲嵌配合段的底部沿著形狀向外自然或水平延伸1.5倍刀具直徑的距離，可以在機(jī)加工中很好地處理線切割銜接部位的毛坯殘留問題。在延伸工藝端之外再做裝夾工藝端，即可完成兩個(gè)部位正面與背面的加工。對(duì)特長的鑲件，還可以在成型段中部添加支撐段，在精加工的最后階段加工去除支撐段。工藝端設(shè)計(jì)效果如圖14所示。

編程加工的方式與扁平鑲件相同。NC加工后，經(jīng)三坐標(biāo)檢測尺寸合格，再線切割切除工藝端。如有偏差，依然可以再次裝夾加工修復(fù)。加工后的狀態(tài)如圖15所示。

（7）示例7：較大型鑲件的變形控制。

四缸體模具的缸套鑲件，是較大型的壓鑄模具盲腔鑲件，尺寸與技術(shù)要求如圖16與圖17所示。

加工變形量的控制是這類大型鑲件加工的關(guān)鍵。保證鑲嵌配合段的強(qiáng)度是控制變形量的重點(diǎn)。

制定細(xì)致的工藝才能確保加工環(huán)節(jié)的可控。制定規(guī)范的工藝表格應(yīng)成為工藝人員的工作習(xí)慣。四缸體模具鑲件的工藝單如圖18所示。

方型配合段工藝端可以保證找尋基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)會(huì)降低缸套側(cè)壁的加工震顫，約束住鑲件的加工變形量。如圖19所示。

在制定了工藝端的方案之后，缸套鑲件就簡化成為具有明顯凸、凹形狀特征的模型。依據(jù)CimatronE軟件所提共的粗加工、半精加工和精加工的方法，即可順利完成程序的編制工作。加工單如圖20所示，僅供參考。

裝夾的方式可以參考圖21的模式。準(zhǔn)備工作充足，是加工順利進(jìn)行的有效保證。

由于工藝端部位厚度達(dá)到135mm，線切割的時(shí)間接近90小時(shí)。機(jī)加工時(shí)在工藝端上做出穿絲孔，可以規(guī)避切割應(yīng)力導(dǎo)致鑲件變形。在線切割機(jī)床上的加工時(shí)間長，切屑的電腐蝕會(huì)導(dǎo)致鑲件表面產(chǎn)生腐蝕斑點(diǎn)，可涂專用防護(hù)油脂做好防護(hù)。切割后狀態(tài)如圖22所示。

線切割的成本雖然較高，但準(zhǔn)確性、精度要高于機(jī)加工。對(duì)于高成本的模具部件而言，確保成功完成是加工的主要目標(biāo)。三坐標(biāo)檢測的數(shù)據(jù)如圖23及圖24所示，鑲件配合部位與成型部位很好地結(jié)合，滿足了公差尺寸的要求。

由此可見，穩(wěn)妥的工藝安排，簡潔流暢的程序加工，結(jié)合精心細(xì)致的安排調(diào)整，是加工高標(biāo)準(zhǔn)部件成功的必要條件。

通過對(duì)上述幾種盲腔型鑲件的分析可以看出，提高鑲件在加工過程中的強(qiáng)度是獲得高質(zhì)量加工效果的前提，而在加工工藝中設(shè)計(jì)適合的工藝夾持部分是增加鑲件強(qiáng)度的有效方法。

CimatronE軟件為高品質(zhì)部件加工提供的有效CAD工具，可以把模具專業(yè)技術(shù)人員的加工思想有效地融入CAM過程中，是一款應(yīng)手的專業(yè)軟件工具。

2.通腔型鑲件

通腔型鑲件在結(jié)構(gòu)上分為三部分：成型部位，鑲嵌配合部位，底座固定部位。通腔型鑲件比盲腔型鑲件多出了鑲件底座固定部位，適合于模具中窄長類型不便于使用螺栓固定的鑲件設(shè)計(jì)。

（1）示例1：標(biāo)準(zhǔn)通腔鑲件，如圖25所示。

成型部位的加工與盲腔型鑲件相同，采用高速切削的方式加工完成。

鑲嵌配合段部位由于有固定端底座平面的阻擋，不能采用線切割方式加工。但配合段的精度要求同樣嚴(yán)格，也會(huì)遇到刀具加工對(duì)凹槽部位加工不到位的現(xiàn)象?？梢栽O(shè)計(jì)放電電極，使用電加工方式加工配合段，能夠精確控制配合段尺寸公差與底面固定端的高度公差。底座固定部位采用NC加工或者線切割加工。

（2）示例2：高長通腔鑲件，如圖26所示。

高長的通腔型鑲件，底座固定端的形狀多是根據(jù)配合段的形狀順勢設(shè)計(jì)而成，NC加工時(shí)需要特殊工藝安排。

平躺加工是高長類型鑲件的較合理的加工方式。根據(jù)鑲件具體的形狀，靈活運(yùn)用鑲件上尚未加工的毛坯材料作為夾持部分。加工的最后環(huán)節(jié)，是使用線切割切除工藝夾持部分。

圖26所示的鑲件為例，NC精加工需要三次裝夾（底面鉆孔除外）。第一次加工頂端成型面及25mm長度的配合段；第二次裝夾加工直邊側(cè)壁的配合段；第三次裝夾加工曲面一側(cè)的配合段及底座固定端。

為了給第三次裝夾加工做好準(zhǔn)備，要在做毛坯尺寸的時(shí)候考慮到預(yù)留的裝夾工藝端部分。在配合段的一側(cè)直邊上，有短小的固定端，將此部位增高、延長，做成可以足夠支撐強(qiáng)度的工藝端，如圖30所示，可謂“無中生有”。

圖27中圈示出的多余毛坯就是為第三次裝夾做的工藝準(zhǔn)備。同樣，圖中所示的裙面，是沿著成型段拔模斜度向下延伸做成的曲面，長度為3mm。CAM編程時(shí)，成型段與裙面做一個(gè)層切削加工，配合段與垂直向上延伸的輔助面（1mm）可再做一個(gè)層切削加工，兩個(gè)程序加工余量設(shè)置為不同值，可保證分型線的清晰準(zhǔn)確。如此，編程過程雖略顯繁雜，但思路清晰，目的明確，方法簡潔，NC加工中刀路軌跡流暢，正是加工技巧的有效體現(xiàn)。加工軌跡如圖28所示。

正面成型部分粗加工，背面水孔加工到位后，真空爐熱處理（HRC47±1°），余下部分待精磨后NC加工。

第一次裝夾精加工的效果如圖29所示。較長的夾持部位有效保證了工件的穩(wěn)定。

第二次裝夾加工是在鑲嵌配合段的避空部分加工，應(yīng)保證此段配合部位“缺肉”，單面余量一般在-0.2～-0.5之間。夾持工藝端的設(shè)計(jì)與加工效果如圖30與圖31所示。

第三次裝夾夾持工藝端，加工曲面一側(cè)的配合段與底座固定部位。采用CimatronE的清根功能來實(shí)現(xiàn)，可以很好地完成編程加工。銑削的過程與加工效果如圖32與圖33所示。

清角結(jié)束以后，夾持方形的工藝端，線切割切落鑲件，完成鑲件加工。線切割加工后的效果如圖34所示。

高長異形鑲件符合“有去無回”的類型，基準(zhǔn)在加工過程中逐步被銑削去除，因此只能單向成功，不可返修。

四、結(jié)語

通過對(duì)壓鑄模具中盲腔型鑲件與通腔型鑲件的分析，我們可以看出，裝夾工藝端的設(shè)計(jì)在復(fù)雜異形鑲件加工中起到非常重要的作用。靈活設(shè)計(jì)裝夾工藝端，可提高工件裝夾強(qiáng)度與工件穩(wěn)定性。工藝端的設(shè)計(jì)要遵循易于裝夾、易于找尋基準(zhǔn)的原則。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件的CAD/CAM功能，通過明確的加工策略、簡練的加工方法、規(guī)范的編程操作，一定會(huì)將CAM技術(shù)人員的工藝思想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。