覆蓋件模具型面數(shù)控加工CAPP研究及應(yīng)用

秦紅星

(唐山學(xué)院唐山市機(jī)電一體化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063000)

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(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，為了適應(yīng)市場(chǎng)和消費(fèi)者的需求，車型不斷升級(jí)換代，改換汽車外觀是新車型的標(biāo)志之一，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(duì)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(tái)，它不僅能夠規(guī)范加工工藝、縮短設(shè)計(jì)周期、改善工藝?yán)^承性、提高加工質(zhì)量和效率，而且對(duì)增強(qiáng)汽車制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(tái)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(duì)結(jié)構(gòu)相似的模具，通過直接調(diào)用或簡(jiǎn)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(tái)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(duì)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，一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(duì)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。

圖1 模具型面加工工藝流程

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Y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，一般采用φ16 mm或φ20 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1 mm以內(nèi)，精度保證在0.05 mm左右。最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φ6 mm)的球頭刀對(duì)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(tái)，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(duì)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)境下指定工藝模板的生成路徑，然后對(duì)工藝模板進(jìn)行命名，在加工策略對(duì)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)最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)——?dú)埩舾叨葋碓O(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，切削間距盡量選擇最小值，依據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，殘留高度多取0.02 mm［6］。

圖3 切削步距與殘留高度

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)刀速度一般設(shè)置為50～200 mm/min;退刀、空走刀速度盡可能選取設(shè)備允許的最高值［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，能夠很大程度提高型面質(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，最后完成“覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模板”開發(fā)，如圖4所示。

圖4 覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模板

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(duì)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。

表1 加工工藝參數(shù)和加工策略表

模具毛坯選用1 000 mm×800 mm×200 mm的鑄件?；诩庸び嗔枯^大的原因，選取球頭銑刀先對(duì)型面進(jìn)行試加工;采用交叉等高方式進(jìn)行粗加工，余量1.0 mm，再對(duì)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，最后生成完整的刀路軌跡和加工程序。在CINCINNATI VMC-1000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。

圖5 模具型面加工效果圖

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(duì)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(tái)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(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］馮長林，楊旭靜，何潔，等.汽車覆蓋件模具數(shù)控加工工藝模板開發(fā)及應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(3):144－146.

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