基于萬(wàn)向角度頭的模具零件清角加工優(yōu)化與實(shí)踐

謝克勇，鐘啟成

（廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，廣東 廣州 510440）

0 引 言

模具零件的清角加工通常由電極放電加工或五軸加工中心完成，但是在模具加工技術(shù)飛速發(fā)展、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化的今天，電極放電時(shí)間長(zhǎng)、五軸加工中心的加工費(fèi)用高，制約了模具的快速發(fā)展，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的制造周期。提高清角的加工效率可縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，加工某汽車保險(xiǎn)杠模具零件的型腔時(shí)，使用三軸加工中心和一個(gè)萬(wàn)向角度頭達(dá)到了五軸加工清角的功能，使模具零件在不用多次裝夾且加工精度達(dá)到客戶要求的情況下，加工周期縮短了近10天，為汽車公司新車型上市贏得了先機(jī)。

1 萬(wàn)向角度頭組成

圖1所示為BIG萬(wàn)向角度頭，萬(wàn)向角度頭由BT50萬(wàn)向角度頭、刀頭固定塊、裝拆扳手、粗調(diào)扳手、微調(diào)扳手和冷卻槽擋塊拆裝扳手、對(duì)刀器等組成，刀具可以在前視方向0～90o、水平方向0～360o任意角度內(nèi)固定，內(nèi)部使用齒輪組傳動(dòng)，可由機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)萬(wàn)向角度頭上的刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具傾斜角度加工，使用較短的刀具即可加工深腔的清角位置。一些加工中心的主軸上已經(jīng)配有角度頭的安裝螺釘孔和定位銷孔，可以方便地安裝萬(wàn)向角度頭。

圖1 萬(wàn)向角度頭

2 萬(wàn)向角度頭應(yīng)用場(chǎng)合

傳統(tǒng)清角加工時(shí)，需要使用直徑較小的刀具，而這些刀具通常都較短，不能加工深腔陡峭且圓角半徑小的位置，因此必須使用電極放電清角的方法。萬(wàn)向角度頭可以將刀具傾斜一個(gè)特定的角度進(jìn)行加工，在深腔模具零件的清角加工中可以實(shí)現(xiàn)陡峭且圓角半徑小的清角位置加工，此時(shí)裝刀的長(zhǎng)度比立式加工時(shí)短，增加了刀具的剛性，降低了加工面的粗糙度。因此，在具有大量陡峭斜壁且圓角半徑較小的清角中，使用萬(wàn)向角度頭可以提高清角的效率和提高加工面的精確度。

3 萬(wàn)向角度頭安裝

在安裝萬(wàn)向角度頭時(shí)，首先要在機(jī)床的主軸上安裝刀頭固定塊，使用螺釘和定位銷將刀頭固定塊定位，目的是在加工時(shí)防止整個(gè)萬(wàn)向角度頭轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速能直接傳動(dòng)到加工刀具上，然后將萬(wàn)向角度頭按常用的刀具安裝方法將刀頭裝入主軸套并鎖緊。使用粗調(diào)和微調(diào)扳手將萬(wàn)向角度頭的角度根據(jù)待加工曲面的曲率計(jì)算的角度調(diào)好，通常使用30°、45°、60°和90°等，如圖2所示。

圖2 萬(wàn)向角度頭安裝

4 加工時(shí)對(duì)刀方法

由于萬(wàn)向角度頭在使用時(shí)是將刀具傾斜一定斜度后加工，一般只使用球刀加工，因?yàn)闊o(wú)論在什么角度，球周到球心的距離都等于球的半徑值，因此在對(duì)刀時(shí)只需在刀刃的球周上取任意一點(diǎn)刀尖的坐標(biāo)值都等于立式刀具刀尖的坐標(biāo)值，如圖3所示。由于萬(wàn)向角度頭在加工時(shí)刀具傾斜了一個(gè)角度，在XOY方向?qū)Φ稌r(shí)需要借助一個(gè)方臺(tái)作為輔助基準(zhǔn)，如圖4所示。首先在安裝萬(wàn)向角度頭之前，選取模具零件上一個(gè)大平面用502膠水將一個(gè)樹脂方塊或方形鋼料粘住，然后使用立式刀具將其四周和頂面加工出一個(gè)平面，并將這5個(gè)面相對(duì)于模具零件基準(zhǔn)的坐標(biāo)偏移值記錄，在萬(wàn)向角度頭對(duì)刀時(shí)，將刀具的坐標(biāo)值反推到模具零件的基準(zhǔn)。按照立式刀具的對(duì)刀方法輸入萬(wàn)向角度頭的刀具坐標(biāo)。

圖3 球刀的對(duì)刀

圖4 輔助基準(zhǔn)方臺(tái)

如圖5所示，在立式加工時(shí)首先加工輔助對(duì)刀方塊，記下輔助方塊相對(duì)于模具零件基準(zhǔn)的XOY方向的坐標(biāo)值（圖5中為X3和X4），刀具在位置1碰到輔助對(duì)刀方塊的右面時(shí)，系統(tǒng)顯示主軸中心相對(duì)于模具零件基準(zhǔn)的偏置值為X1，此時(shí)將系統(tǒng)X軸的相對(duì)坐標(biāo)清零，手動(dòng)將主軸向X負(fù)方向移動(dòng)一個(gè)刀具的半徑值，如φ12R6的刀具需要移動(dòng)6 mm，使刀具的中心與X3坐標(biāo)重合，將相對(duì)坐標(biāo)清零，然后將主軸向X正方向移動(dòng)X3，或在偏置坐標(biāo)系中輸入X3值，這樣就相當(dāng)于將刀具在立式加工中刀尖的X方向值與輔助對(duì)刀塊的右面X方向重合后反推回模具零件的基準(zhǔn)零位；Y方向同樣使用以上方法反推。在完成刀具位置1的擺角方向程序后，需要加工與其相反方向的另一區(qū)域時(shí)，可將萬(wàn)向角度頭旋轉(zhuǎn)180°成刀具位置2，此時(shí)刀具的偏移坐標(biāo)等于刀具位置2所在的X6減去刀具半徑值R再加上X4。對(duì)刀流程如圖6所示。

圖5 萬(wàn)向角度頭X方向?qū)Φ?/p>

圖6 萬(wàn)向角度頭在X、Y方向?qū)Φ?/p>

如圖7所示，在Z方向?qū)Φ稌r(shí)，對(duì)刀方法與立式刀具使用輔助基準(zhǔn)的對(duì)刀方法相同，即刀尖碰到輔助對(duì)刀塊之后將刀具提升輔助對(duì)刀塊Z方向的偏置值或直接在偏置坐標(biāo)系中輸入偏置值Z1。在萬(wàn)向角度頭加工完成一個(gè)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)刀頭加工另一個(gè)區(qū)域時(shí)，需要使用上述方法重新碰X、Y、Z三個(gè)方向的坐標(biāo)數(shù)，才能進(jìn)行下一區(qū)域的加工。

圖7 萬(wàn)向角度頭Z方向?qū)Φ?/p>

5 萬(wàn)向角度頭的編程方法及注意事項(xiàng)

5.1 編程方法

與五軸加工中心不同的是，萬(wàn)向角度頭加工時(shí)刀具的對(duì)刀和加工方法與立式刀具原理相同，所以在編程時(shí)只需使用三軸機(jī)床立式刀具的方法即可，比五軸加工的編程方法簡(jiǎn)單。但是在加工時(shí)完成一個(gè)區(qū)域后，需手動(dòng)將刀頭旋轉(zhuǎn)角度，重新對(duì)刀后才能加工下一個(gè)區(qū)域，所以編程時(shí)不能將不同方向的位置程序合在一起后置處理，必須分區(qū)域加工。設(shè)計(jì)程序時(shí)，在相同擺角方向的每個(gè)區(qū)域都設(shè)計(jì)一個(gè)程序，避免刀頭與模具零件碰撞。由于受萬(wàn)向角度頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，在編程時(shí)需要將主軸的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（M04），在加工時(shí)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（M03）。

5.2 刀具最大可裝直徑

由于萬(wàn)向角度頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了萬(wàn)向角度頭使用的最大刀具直徑，萬(wàn)向角度頭的扭力較小，不能使用大直徑的粗加工刀具。此型號(hào)的萬(wàn)向角度頭只能安裝φ12 mm及以下的刀具，最大旋轉(zhuǎn)速度為4 000 r/min。

5.3 加工時(shí)注意事項(xiàng)

由于萬(wàn)向角度頭需要固定在主軸上，刀頭在加工中不能隨意擺動(dòng)角度，且加工時(shí)不能自動(dòng)換刀，需要手動(dòng)換刀，且每次換刀都需要重新設(shè)定X、Y、Z三個(gè)方向的坐標(biāo)值，否則會(huì)造成過(guò)切或刀頭與工件碰撞的情況。在安裝萬(wàn)向角度頭時(shí)，必須確保固定塊的銷釘及固定螺釘都安裝牢固，在刀具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須由慢到快調(diào)速，以防刀具因?yàn)槲窗惭b好而使整個(gè)刀頭高速旋轉(zhuǎn)發(fā)生意外。

6 萬(wàn)向角度頭應(yīng)用

汽車前保險(xiǎn)杠模具通常制作周期為4～5個(gè)月，但客戶要求在3個(gè)月內(nèi)完成，萬(wàn)向角度頭清角加工在清角工作量大、制作周期短的模具零件加工中起到了關(guān)鍵作用。

圖8所示為保險(xiǎn)杠模具型腔板，外形尺寸為2 200 mm×900 mm×730 mm，材料為進(jìn)口738，左右對(duì)稱，型腔板需使用長(zhǎng)刀清角的位置如圖9、圖10所示，圖9中A區(qū)（外觀面）由上至下為R9 mm～R5 mm漸變圓角，Z方向落差489 mm，最陡峭處落差295 mm，X方向相差25 mm，B區(qū)（分型面）為R12.5 mm圓角，Z方向落差432 mm，最陡峭處落差358 mm，X方向相差68 mm。

圖8 保險(xiǎn)杠模具型腔板

圖10中C區(qū)（外觀面）圓角為R3 mm，Z方向落差為460 mm，D區(qū)（分型面）圓角為R13 mm，Z方向落差為385 mm。相同的，在型腔的右邊也有ABCD區(qū)的對(duì)稱區(qū)A＇B＇C＇D＇，即需要采用深腔清角的位置共8個(gè)區(qū)域。各區(qū)域電極尺寸及加工費(fèi)用如表1所示。

表1 電極尺寸及加工費(fèi)用

加工圖9和圖10所示的清角位置，通常采用的加工方法如下。

圖9 長(zhǎng)刀清角位置一

圖10 長(zhǎng)刀清角位置二

（1）使用電極放電加工。用最省電極材料的方法拆電極，共拆得12個(gè)電極，按當(dāng)時(shí)的紫銅材料單價(jià)為80元/kg計(jì)算，共582.62 kg，費(fèi)用46 609.76元；加工電極按50元/h計(jì)算，共48 h，費(fèi)用2 400元；電火花放電加工按140元/h計(jì)算，共需192 h，費(fèi)用為26 880元，此方法總費(fèi)用為46 609.76+2 400+26 880＝75 889.76元，顯然拆電極放電加工花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，無(wú)法保證能按時(shí)完成加工任務(wù)。

（2）使用五軸機(jī)床加工。從理論上分析，五軸機(jī)床能將清角位置加工，但該型腔板的外形尺寸為2 200 mm×900 mm×730 mm，需要購(gòu)買一臺(tái)行程能滿足要求的五軸機(jī)床價(jià)格不菲，由此可見，此方案也不是最優(yōu)方案。

（3）將型腔板用斜墊塊傾斜加工。需要將型腔板傾斜裝夾2次，容易造成找正和對(duì)刀困難，難以保證加工精度，同時(shí)機(jī)床的Z軸行程將受到型腔板的高度限制，容易造成機(jī)床與工件碰撞的危險(xiǎn)。

（4）采用萬(wàn)向角度頭進(jìn)行清角加工。根據(jù)此保險(xiǎn)杠模具零件的特點(diǎn)，在型腔板的清角中使用萬(wàn)向角度頭加工，將萬(wàn)向角度頭的刀具傾斜45°，水平面投影分別傾斜為45°、-45°、135°和-135°四個(gè)方向，這樣能加工最大清角范圍，且刀具伸出最小，可以方便地加工AB、CD、A＇B＇、C＇D＇四個(gè)區(qū)域的清角位置。編程方法按照立式刀具的加工方法，在清角粗加工時(shí)采用φ12R6球刀清角，清根加工刀路如圖11所示，在等高和環(huán)繞之間重疊2 mm，使2種刀路之間接刀痕跡消除，需要將分型面和料位面分開加工，在加工料位面時(shí)，將分型面提高0.5 mm，加工分型面的清角時(shí)，將分型面延長(zhǎng)1 mm，避免刀具在料位面和分型面的交接上產(chǎn)生塌角而導(dǎo)致注射塑件時(shí)產(chǎn)生飛邊，影響塑件外觀和精度，使用萬(wàn)向角度頭清角共需要16 h，加工時(shí)需要4次裝夾萬(wàn)向角度頭，加上4次對(duì)刀的時(shí)間，共1 h，即清角共需要17 h，加工完成后模具零件表面的粗糙度達(dá)到客戶要求。

圖11 清根加工刀路

7 結(jié)束語(yǔ)

使用萬(wàn)向角度頭加工，模具零件只需裝夾一次，即可將型腔的深腔清角位置加工，既保證了模具零件的加工精度，又減少了裝夾的時(shí)間。比使用電極放電加工縮短了8天。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，使用萬(wàn)向角度頭可以縮短保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)周期，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，提高三軸加工中心的加工能力，萬(wàn)向角度頭在汽車保險(xiǎn)杠深腔類模具零件的清角加工中起到了重要的作用。從三軸加工中心性能的二次開發(fā)中獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為日后高效加工深腔模具零件奠定了基礎(chǔ)。