王本日

(上海大眾汽車有限公司,上海201805)

模具的型面加工一直都是整個模具加工的重點,型面的加工質量對沖壓零件的質量有著決定性的影響[1]。由于沖壓零件本身功能的需要和模具沖壓工藝的原因,模具型面一般都是不規(guī)則的,并且分布了許多溝槽。對于沖壓工藝需要的溝槽,由于加工精度沒有特殊的要求,常規(guī)的加工方法一般都能滿足其加工要求。對于較淺的零件功能溝槽,加工難度也不是很高,只要在型面精修圓角時適當減小走刀步距就能保證加工精度。而模具深槽型面一般都是為滿足零件的特殊功能需要而產生的,其加工精度要求都很高,如汽車天窗加強板四周的半封閉溝槽,屬于零件的拼焊部分,槽深20～40mm,寬8～30 mm,槽的大部分區(qū)域窄而深,加工誤差要保證在0.2mm以內,常規(guī)的加工方法很難滿足其加工要求。因此深槽的模具型面加工值得深入探討。

1 模具深槽型面加工難點的分析

深槽型面常規(guī)的加工方法是型面精加工完成后,用直徑遞減的球頭銑刀逐步精修型面圓角,直到面圓角精修到位。圖1為天窗加強板深槽部分的型面截面圖。在用φ16mm的球頭銑刀完成型面精加工后 ,再用 φ12 mm,φ8 mm,φ6 mm進行精修型面圓角。由于型面的深槽部分只有9mm寬,所以φ12 mm球頭銑刀根本不可能修到槽的內部,而用φ8 mm球頭銑刀再修型面圓角時,卻直接修到了槽的底部,刀具切深達十幾毫米,遠遠超過了刀具的允許切深。刀具的切深過大導致其在切削時的振動和損傷都很嚴重,并且對機床也是一種嚴峻的考驗。刀具的劇烈振動會對深槽的側壁型面產生一定過切,加工很難達到型面的設計要求精度。因此對于深槽的型面,需要探索其他新的加工方法,從而保證型面的精加工精度。

圖1 深槽型面截面圖

2 模具深槽型面的加工方法

模具的型面在完成精加工以后,殘留在深槽內的余量(如圖1黃點剖面線部分)可以當作一個需要加工的實體。其與通常的實體加工一致,經過粗加工去除余量,半精加工均勻加工余量,精加工完成型面的精確加工,使模具型面達到設計精度。深槽型面的粗加工可以使用球頭銑刀和平底銑刀兩種銑刀進行,筆者主要探討這兩種銑刀的NC編程方法。

2.1 用球頭銑刀進行溝槽型面的粗加工

使用球頭銑刀對溝槽型面進行粗加工主要有3種方法：清根配合程序復制的方法,修型面圓角配合NCSET的方法和對型面直接進行Z向等步距加工的方法。

2.1.1 清根配合程序復制的方法

該方法的步驟有：①根據槽底面的寬度選取接近槽寬尺寸的球頭銑刀,生成溝槽型面的清根程序,如圖2所示；②根據刀具允許的切深Z向等間距復制清根程序,把復制后的程序連接起來得到整個溝槽型面的粗加工程序,如圖3所示。該方法主要適合溝槽兩側壁接近垂直的型面加工(如圖2所示)。對于圖1所示的單側型面或兩側壁都較傾斜的溝槽型面,加工后側壁還會殘留較多余量,效果不太理想。另外,刀具切削時基本上是滿刀切削,需降低進給速度。

圖2 深槽型面清根程序

圖3 清根配合程序復制加工方法

2.1.2 修型面圓角配合NCSET的方法

編制型面修圓角程序時,CAM軟件里一般都有一個控制每次切削深度的參數,通過將該參數按刀具允許切深的梯度逐步增大,生成多個修圓角的程序,然后將這些程序連接起來,從而得到深槽型面的加工程序(如圖4所示)。而連接多個修圓角程序時,很多程序混雜在一起,很難分辯其先后順序,經常會出錯。

圖4 深槽型面修圓角程序

NCSET是把多個加工方式嵌套在一起的一種軟件功能,常用來進行相似零件的相同加工工藝加工。為進行深槽型面加工而生成的多個修圓角程序,可以先把修圓角的相應參數在NCSET里設好,然后再用NCSET生成程序,得到與上述程序軌跡相同但已經連接好的深槽型面加工程序,從而避免因連接程序順序錯誤而導致的編程失誤。這種加工方法加工后的余量較均勻,一般可省略半精加工的步驟,并且NCSET還可以單獨保存,用于以后相似溝槽型面的加工。

但是修型面圓角配合NCSET生成的NC程序(如圖5所示),每個切削深度的程序只有幾條有效切削刀軌,圖4所示只有兩條有效切削的刀具軌跡,而更多的是圖5所示紅線密集區(qū)域的空刀,加工效率不理想,所以這種方法一般用于如圖6所示稍深溝槽型面的加工。

圖5 深槽型面NCSET修圓角程序

圖6 稍深溝槽型面截面圖

2.1.3 對型面直接進行Z向等步距加工的方法

直接對型面進行Z向等步距加工的方法是CAM軟件針對陡峭型面的加工策略,設置好Slope Angle(型面向量與坐標系Z向的夾角)參數,把深槽型面的陡峭側壁分離出來,然后進行Z方向的等步距加工。這種編制NC程序的方法簡單直接,并且加工后的余量較均勻,但是與清根配合程序復制的方法一樣,刀具多數是滿刀切削,所以進給量也要適當降低。這種方法適合如圖1或圖4至少一面?zhèn)缺诮咏怪钡纳畈坌兔婕庸?。對于圖1一面?zhèn)缺诮咏怪?另一面?zhèn)缺谏詢A斜的深槽型面,需要先加工垂直側壁型面,然后再加工稍斜側壁型面,避免刀具斜向切入深槽時對刀具的損傷。

利用球頭銑刀對深槽型面的粗加工主要有以上3種方法。對于兩側壁都傾斜的深溝型面加工,一般采用第1種方法進行粗加工,然后再用第3種方法進行半精加工來完成。球頭銑刀雖然能夠完成深溝型面的粗加工,但是利用平底銑刀對此類型面進行粗加工會更有效。

2.2 用平底銑刀進行溝槽型面的粗加工

對溝槽型面用平底銑刀粗加工一般使用如圖7所示的刀片,這種刀片的特點是獨特的刀片角度使大部分的切削力指向主軸,并且在小切深時允許大的加工進給。上述球頭銑刀對深溝型面的3種加工方法同樣適用于平底銑刀。但是由于這種銑刀不能垂直進刀,所以用球頭銑刀的3種加工方法進行加工時,需要在進刀位置加入10°左右的斜坡進給量[2]。

除了上述3種溝槽型面加工方法,平底銑刀還可以采用層銑的NC編程方法進行加工。層銑是實體毛坯加工的經典加工方法,其特點是切深小、步距大、進給快。與前3種加工方法相比,這種加工方法效率更高、機床負荷小、刀片耐用度高、更經濟。但是該加工方法的效率與CAM軟件中構造溝槽型面余量實體(如圖1中黃點剖面線部分)的精確度密切相關。實體變大,程序空刀就會相應增多。構造余量的實體越精確,效率就會有相應提高。而當實體偏小時,經常容易撞刀,對刀具和機床的損傷很大。所以余量實體的構造非常關鍵,也是該加工方法的難點,本文主要討論其余量實體的構造。

圖7 平底銑刀片

深溝型面余量實體的構造主要有3種方法。

(1)直接手工創(chuàng)建型面構造余量實體。

主要思路是先創(chuàng)建如圖1所示藍線AB部分型面光刀后的實體表面,然后截取模具如圖1所示黑線AB部分型面,再把端面封閉,就可以得到深溝型面的余量實體。而實際的溝槽型面一般都比較復雜,構造圖1藍線AB型面難度也很大,另外層銑要求加工實體完全封閉,所以圖1黑線AB部分型面也不能有任何縫隙,型面質量要求較高。要構造這樣的加工實體,編程員的工作量很大。該方法只對簡單的溝槽型面比較有效。

(2)利用CAM編程軟件自帶的實體構造功能創(chuàng)建余量實體。

主要有方體、輪廓線引導的柱體、翻砂實體3種方法[3]。其中第2種方法配合手工創(chuàng)建必要型面會有更好的效果,而第3種方法創(chuàng)建的實體更適合復雜溝槽型面的粗加工。但是這3種方法創(chuàng)建的余量實體都比較粗糙,實際加工會有大量的空刀,加工效率不是很理想。

(3)利用層銑加工后計算的實體作為深溝型面加工的真正余量實體。

CAM軟件在計算層銑程序時會自動生成毛坯層銑后的Mesh實體,可以把這個Mesh實體作為真正余量實體進行加工。具體做法是：先用第2種方法生成一個粗略的實體,然后用整個型面精加工的刀具進行層銑,從而得到型面精加工后的Mesh實體。

上述3種創(chuàng)建余量實體的方法中,第3種方法創(chuàng)建的余量實體最精確,而且型面越復雜,這種方法的效率就會越突出。用該方法得到的實體還可用于其他型面復雜圓角的粗加工。而第2種方法主要用來構造粗略實體,第1種方法用于構造精確的或其他特殊的實體。

3 結 語

綜合上述所有深槽型面的粗加工方法,平底銑刀進行層銑的加工方法適合所有形狀溝槽型面的粗加工,是對復雜的深槽型面最有效的粗加工方法。而球頭銑刀適合稍深溝槽型面的粗加工,但更多的是用于深槽型面的半精加工和精加工。球頭銑刀進行深槽型面的半精加工和精加工時,一般采用型面加工Z向等步距配合平面等步距的方法來完成。另外深槽型面的精加工一般在整個型面的精加工之前完成,這樣在整個型面精加工時可適當減少球頭銑刀在深槽型面處的滿刀切削,對提高型面加工精度和延長刀具壽命都有好處。

[1] 盧金火,孫中軍.汽車覆蓋件模具型面加工質量問題的解決方法[J].模具技術,1997(4)：39-43.

[2] Valenite llc.Valenite selectTMManual[R].US：Valenite llc,2004：72-73.

[3] Tebis AG.Tebis V 3.3 Manual[R].Germany：Tebis AG,2008：572.