五軸策略在相機(jī)殼注塑模具加工上的應(yīng)用研究

孫建明

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 云南 昆明 650203）

0 引言

2019 年模具設(shè)計(jì)與加工賽項(xiàng)由教育部、 科學(xué)技術(shù)部、人力資源和社會保障部、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會、國家發(fā)展和改革委員會等10 余個(gè)國家部門共同舉辦。 賽項(xiàng)要求3 名參賽選手在連續(xù)不間斷的6 小時(shí)內(nèi)密切配合，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)，模具主要零件加工，模具裝配調(diào)試，產(chǎn)品試模成形，考核參賽選手多方面的能力。 本次比賽本人指導(dǎo)的參賽隊(duì)取得云南省第一名的成績，將代表云南省參加國賽。

歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家將模具比喻為“進(jìn)入富裕社會的原動(dòng)力”， 在我國把模具稱為 “工業(yè)之母”。 注塑模具廣泛應(yīng)用于汽車、家電、3C、兒童玩具、航空航天等日常生產(chǎn)生活中。 隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對注塑產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，既要求產(chǎn)品耐用的同時(shí)又要求產(chǎn)品外觀漂亮且質(zhì)量輕。 這就迫使注塑模具設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，多軸CNC 加工中心在注塑模具加工中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

本次以五軸加工策略在萊卡相機(jī)殼注塑模具設(shè)計(jì)及加工的實(shí)際應(yīng)用，研究五軸加工策略生成的刀路軌跡應(yīng)用到三軸加工中心上加工方法， 打破傳統(tǒng)的加工工藝方法及思路，高質(zhì)量，高效率，低耗能完成相機(jī)殼加工。為參賽選手及企業(yè)生產(chǎn)類似產(chǎn)品提供技術(shù)革新借鑒參考作用。

1 產(chǎn)品分析

如圖1 所示，萊卡相機(jī)殼殼體厚度僅1.5mm，殼體形狀復(fù)雜，特征較多，由3 個(gè)主按鈕孔，3 個(gè)側(cè)按鈕孔， 1 個(gè)凹槽，1 個(gè)切口，4 個(gè)半月槽組成， 并且周邊都是斜面。該塑件材料為ABS，塑件表面光潔度要求較高，不允許有飛邊， 不能出現(xiàn)氣泡、劃痕、裂紋等缺陷。故型芯，型腔的結(jié)構(gòu)尺寸比較復(fù)雜。

圖1 產(chǎn)品圖示Fig.1 Product photographs

1.1 分模設(shè)計(jì)

分模設(shè)計(jì)是注塑模具設(shè)計(jì)中最重要及最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 萊卡相機(jī)殼分模有兩種方法，一種是把頂面按鈕分在型芯上，另一種是把頂面按鈕分在型腔上，分在型腔上刀具切削刃長度至少需要26.62mm，Φ4mm 的刀具有效切削刃長度僅為15mm， 后者分模方法不利益數(shù)控機(jī)床加工。故選擇前者分模方法。 側(cè)面按鈕不論分在型芯還是型腔上都不能保證側(cè)壁上的按鈕凸臺清角加工， 因?yàn)椴徽摱嘈≈睆降牡毒叨即嬖赗 角。 故側(cè)面按鈕采用嵌件方式。

1.1.1 創(chuàng)建分型線

分型線的選取決定了分型面的使用， 打開Power-Shape Toolmaker 模塊開關(guān)，選擇型芯/型腔，創(chuàng)建復(fù)合曲線，選取最大外輪廓線，作為分型線。

1.1.2 創(chuàng)建分型面

分型面的創(chuàng)建影響模具加工，塑件質(zhì)量及最終的使用功能。 因此必須創(chuàng)建合理的分型面。 創(chuàng)建分型面之前需要把相機(jī)殼體孔修補(bǔ)縫合，如不修補(bǔ)縫合進(jìn)行分模時(shí)軟件不知道孔特征分在型芯還是型腔上。 選擇孔邊緣線，構(gòu)造復(fù)合曲線，應(yīng)用PowerShape 智能曲面，縫補(bǔ)相應(yīng)的孔。 應(yīng)用之前創(chuàng)建好的分型線，創(chuàng)建分型面。

1.1.3 分割型芯型腔

運(yùn)行PowerShape Toolmaker 自動(dòng)模具鑲嵌塊向?qū)?，對?yīng)選取產(chǎn)品和分模面，設(shè)置收縮率，鑲塊尺寸，分模方向三個(gè)重要參數(shù)，模具型芯型腔設(shè)計(jì)完成，爆炸圖如圖2 所示。

圖2 分模爆炸圖Fig.2 Split mode explosion diagram

1.2 分模后續(xù)處理

對型芯， 型腔進(jìn)行分析，把機(jī)加工加工不到的地方進(jìn)行補(bǔ)面處理。 設(shè)計(jì)型芯，型腔模鎖，模架安裝孔，冷卻水道，注塑孔尺寸及位置。

為了保證型芯， 型腔合模平穩(wěn)順利， 型芯及型腔的模鎖設(shè)計(jì)成5°斜面。

2 數(shù)控加工過程

2.1 加工工藝設(shè)計(jì)

對型芯進(jìn)行分析，型芯由模鎖，半圓臺，凹槽，斜面組成，且斜面深度有26.6mm，這是本文研究的重點(diǎn)，技術(shù)要求型芯表面光滑，無明顯接刀痕。

本次比賽在有限的6 小時(shí)時(shí)間內(nèi)， 要完成塑件產(chǎn)品的分模，模具設(shè)計(jì)，模具分析，模具主要零件加工，裝配。為了在有效的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品的加工， 并且符合模具產(chǎn)品尺寸精度及粗糙度要求。 在粗加工時(shí)應(yīng)采用高速高精高效加工策略，盡量節(jié)約時(shí)間。在精加工時(shí)采用優(yōu)化的高效精加工策略，既節(jié)約時(shí)間又保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量。本次加工在反復(fù)研究對比加工策略， 多次實(shí)際加工比較的基礎(chǔ)上， 對各種不同的加工策略對相機(jī)殼模具加工質(zhì)量及加工效率進(jìn)行分析， 得出各加工策略最優(yōu)使用范圍及方法，為相機(jī)殼模具加工提供了最優(yōu)加工方案。

2.2 重要加工策略方法

2.2.1 旋風(fēng)銑高效粗加工策略

圖3 旋風(fēng)銑刀路軌跡Fig.3 Path path of cyclone milling cutter

圖4 鋁屑形狀及尺寸Fig.4 Shape and size of aluminum

粗加工有3 種加工方法，一是層切方法，該加工方法在一般的傳統(tǒng)加工中用的比較多， 多用在無輪廓光順功能的CAM 編程軟件及轉(zhuǎn)速低剛性差的機(jī)床。 在加工過程中機(jī)床存在加減速現(xiàn)象， 造成機(jī)床在加工拐角處出現(xiàn)震動(dòng)情況，導(dǎo)致加工效率低，產(chǎn)品表面質(zhì)量差，能耗高。二是插銑方式， 插銑方式是刀具從頂部向下一直銑削到工件根部，通過X-Y 平面的簡單平移，即可加工出極其復(fù)雜的表面幾何形狀。 加工過程中， 參數(shù)不穩(wěn)定容易導(dǎo)致刀具崩刃，整把刀具報(bào)廢。 三是旋風(fēng)銑加工方式，該加工方式是采用刀具側(cè)刃切削工件， 切削深度可達(dá)刀具直徑的3 倍， 側(cè)刃吃刀量可達(dá)刀具直徑的0.2 倍， 高速切削時(shí)，切削就像龍卷風(fēng)一樣飛出，因而得名。計(jì)算出來的刀路軌跡采用輪廓光順功能，刀路軌跡類似賽車跑道線一樣，沒有直角拐彎，都是圓弧光順刀路，不存在機(jī)床加減速及機(jī)床震動(dòng)現(xiàn)象。通過計(jì)算生成刀路軌跡，層切加工提刀100 次，加工時(shí)間21 分44 秒。 插銑加工提刀353 次，加工時(shí)間33 分12 秒。 旋風(fēng)銑提刀26 次， 加工時(shí)間6 分29 秒，旋風(fēng)銑刀路軌跡如圖3 所示。 通過對比以上三種相機(jī)殼開粗加工刀路軌跡，得出本次采用旋風(fēng)銑加工工藝策略， 旋風(fēng)銑加工產(chǎn)生的鋁屑如圖4 所示，鋁屑成松針狀，細(xì)長形。 此加工策略可以快速去除材料，有效提高加工效率。

2.2.2 五軸精加工策略在三軸加工中心上應(yīng)用

相機(jī)殼型芯周邊都是呈1.5°斜面， 要加工斜面并且是用FANUC 0i MD 立式三軸數(shù)控加工中心加工。 按照傳統(tǒng)的加工工藝思路，編程工藝技術(shù)人員要么選擇用等高精加工策略，要么選擇用平行精加工策略。 查閱了很多文獻(xiàn)， 發(fā)現(xiàn)用五軸加工策略計(jì)算刀路軌跡生成程序，用在三軸立式加工中心上運(yùn)行加工的加工工藝方案文獻(xiàn)鳳毛麟角。 例如高雯在《科技傳播》期刊上發(fā)表的題為《五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用》論文，該論文研究的是三軸加工中心加工過程存在刀具零點(diǎn)切削缺陷問題可以應(yīng)用五軸加工中心主軸偏擺一定角度后加工，解決零點(diǎn)切削問題。 并沒有研究五軸加工工藝方案策略在三軸數(shù)控加工中心上實(shí)際應(yīng)用方法。

本次研究經(jīng)過對幾種加工工藝方案對比分析， 發(fā)現(xiàn)等高精加工方案和平行精加工方案都存在斜邊底面加工不到位的地方， 如圖5 所示。 只有五軸精加工方案曲面精加工策略與參考線精加工策略兩者結(jié)合優(yōu)化處理產(chǎn)生的刀路軌跡才能把斜面底部順利加工完成，故本次采用五軸精加工方案曲面精加工策略與參考線精加工策略兩者優(yōu)化組合產(chǎn)生的精加工刀路軌跡加工型芯斜面。 具體的操作如下：打開曲面精加工策略對話欄，鼠標(biāo)左鍵選擇待加工的曲面，設(shè)置行距為0.15mm，加工順序?yàn)殡p向，切入切出為無，連接為曲面上，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，進(jìn)給速度1200mm/min，計(jì)算生成刀路軌跡。發(fā)現(xiàn)此刀路軌跡凸臺上面有很多紅色的刀路，比較凌亂，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)紅色刀路軌跡是連接移動(dòng)刀路軌跡， 該刀路軌跡還要再次處理優(yōu)化才是最理想的斜面加工刀路軌跡。 應(yīng)用參考線精加工策略處理優(yōu)化， 打開參考線精加工策略對話欄，把該曲面精加工刀路軌跡當(dāng)做參考線， 下限底部位置設(shè)置為驅(qū)動(dòng)曲線。 計(jì)算產(chǎn)生刀路軌跡，該刀路軌跡完美貼合斜面，作為最終的斜面精加工方案。 等高精加工刀路軌跡如圖5 所示。 斜面優(yōu)化精加工刀路軌跡如圖6 所示。

圖5 等高精加工刀路軌跡Fig.5 High precision machining tool path track

圖6 斜面優(yōu)化精加工刀路軌跡Fig.6 Bevel plane optimization of finishing tool path trajectory

2.2.3 關(guān)鍵工藝參數(shù)

表1 加工工序及關(guān)鍵工藝參數(shù)是相機(jī)模具型芯加工的主要參數(shù)。 型腔加工相比型芯加工簡單，型芯加工要用33 個(gè)加工工序，型腔加工只用10 個(gè)加工工序。合理選擇型芯部分加工工藝，就能把型腔加工完成。

2.3 數(shù)控機(jī)床運(yùn)行加工

2.3.1 設(shè)備選擇

表1 加工工序及關(guān)鍵工藝參數(shù)表Tab.1 Processing process and key process parameters table

本次競賽選用的數(shù)控機(jī)床型號是CY-VMC1060 立式加工中心，配置FANUC 0i MD 數(shù)控系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速6000 r/min，最快進(jìn)給速度6000mm/min，重復(fù)定位精度0.02mm， 機(jī)床重量7000KG，X/Y/Z 行程分別為1000mm/600mm/600mm，刀庫容量20 個(gè)刀杯位，外接DNC。

2.3.2 后置處理

通過CAM 軟件產(chǎn)生的刀路軌跡， 是刀位源文件，而不是數(shù)控程序，必須經(jīng)過后置處理器處理才能轉(zhuǎn)化成對應(yīng)機(jī)床系統(tǒng)能識別的數(shù)控NC 代碼。 通過DNC 傳入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)才能讀取NC 程序進(jìn)行加工。

2.3.3 機(jī)床運(yùn)行加工

嚴(yán)格按照加工工序表，把刀具準(zhǔn)備好，依次把刀具裝入刀庫， 把對應(yīng)刀路軌跡用后處理器處理， 并且應(yīng)用CIMCOEdit 檢查校驗(yàn)程序。 確認(rèn)無誤后，通過DNC 把程序傳入機(jī)床控制系統(tǒng)，運(yùn)行程序加工。 加工過程及裝夾如圖7 所示，加工完成的相機(jī)模具如圖8 所示。

圖7 加工過程及裝夾Fig.7 Processing and clamping

圖8 成品相機(jī)模具Fig.8 Finished camera mould

3 結(jié)束語

應(yīng)用PowerShape 對相機(jī)殼進(jìn)行分析， 并優(yōu)化處理相機(jī)殼模具型芯及型腔。 應(yīng)用PowerMill 旋風(fēng)銑高效加工策略粗加工相機(jī)殼模具， 詳細(xì)論述PowerMill 五軸加工策略精加工相機(jī)殼模具斜面的方法，在5.5 個(gè)小時(shí)內(nèi)加工完成， 經(jīng)HEXAGON GLOBAL SDL 07 10 07 三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，尺寸精度及表面質(zhì)量均到達(dá)要求。 有效提高了相機(jī)殼加工效率及加工精度。 本次的產(chǎn)品分析，模具分析方法， 加工方案及加工策略參數(shù)可為企業(yè)生產(chǎn)注塑模模具提供技術(shù)參考， 為競賽及培訓(xùn)提供借鑒參考作用。