趙 靜，李昌雪

（1.中山市技師學(xué)院，廣東 中山 528400；2.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

傳統(tǒng)模具零件加工一般采用CNC→電火花→拋光等復(fù)雜的工藝流程，高速CNC加工一般采用提高切削速度和快速多次走刀的方式提高效率。隨著切削速度的提高，加工時(shí)間縮短，并且切削力下降，振動(dòng)變小，尤其是徑向切削力大幅度降低，加工的零件變形小、表面質(zhì)量好、尺寸精度高，適合形狀復(fù)雜的三維曲面加工。

1 塑件分析

打印機(jī)通紙導(dǎo)板如圖1所示，外形尺寸為336.5 mm×106.9 mm，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)度方向的2個(gè)端面有側(cè)凸和側(cè)凹需要側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)成型。打印機(jī)通紙導(dǎo)板中央位置的凹槽安裝有導(dǎo)輪（摩擦輪），在模具上采用插穿的結(jié)構(gòu)成型。表面有若干通紙筋，打印機(jī)工作時(shí)，紙張?jiān)谕埥畋砻婊^，通紙筋的尺寸要求精確、表面粗糙度要求高，否則有卡紙的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)輪（摩擦輪）是紙張運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，導(dǎo)輪與紙張的貼合程度及松緊程度決定了紙張能否順利通過。因此，打印機(jī)通紙導(dǎo)板的品質(zhì)對(duì)打印機(jī)整機(jī)的品質(zhì)影響較大，在模具制造過程中，其工藝的合理性尤為重要。

圖1 打印機(jī)通紙導(dǎo)板

2 型芯結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，型芯尺寸為390 mm×180 mm，長(zhǎng)度方向的兩端與滑塊裝配，平面處的4個(gè)螺紋孔在數(shù)控加工時(shí)可固定夾具。型芯中央頂部的2個(gè)長(zhǎng)方形凸臺(tái)用于型腔板的定位，加工時(shí)可留余量后期修配，其側(cè)面的尺寸要求精確，頂面加工時(shí)建議留負(fù)余量，以免配模時(shí)產(chǎn)生干涉。型芯有大量90°的內(nèi)角結(jié)構(gòu)，大刀具無法加工，編制程序時(shí)，殘留清角加工非常重要。型芯內(nèi)部有大量的型腔板鑲件與之配合，配合面有一定斜度，需采用電極加工，且電極放電加工時(shí)要準(zhǔn)備多個(gè)精加工用電極，以彌補(bǔ)電極損耗。加強(qiáng)筋的位置需要采用電極放電，90°的內(nèi)角結(jié)構(gòu)也需要電極清根。

圖2 型 芯

3 數(shù)控加工程序編制

合理的加工方法有助于提高程序的計(jì)算速度和加工效率，合理的加工參數(shù)設(shè)置有助于提高加工程序的安全性，合理的加工方法和加工參數(shù)能保證型芯加工的精度，因此，應(yīng)合理選擇數(shù)控加工方法和數(shù)控加工參數(shù)。

3.1 曲面粗切挖槽

MasterCAM 2019提供了曲面粗切挖槽策略，曲面粗切挖槽能根據(jù)曲面形狀在Z方向下降產(chǎn)生逐層梯田狀粗切削刀具路徑，適合復(fù)雜形狀的曲面加工。因型芯較大，為了提高加工效率和降低制造成本，選擇尺寸較大且可替換刀片的刀尖圓角端銑刀。如圖3所示，選用了安裝φ10 mm可替換圓刀片的刀尖圓角端銑刀，刀桿直徑為φ50 mm。

圖3 φ50 mm刀尖圓角端銑刀

曲面粗切挖槽時(shí)，因刀具和型芯都較大，粗加工余量單邊留0.8 mm，為了提升刀路的運(yùn)算速度，將整體公差設(shè)定為0.1 mm，曲面粗切挖槽時(shí)，刀具軌跡的進(jìn)退刀直接決定刀具軌跡是否安全，因此，必須勾選“由切削范圍外下刀”和“螺旋進(jìn)刀”。當(dāng)?shù)毒呖梢栽谀Ｐ屯鈧?cè)進(jìn)刀時(shí)，盡可能在模型外側(cè)進(jìn)刀，保證刀具軌跡安全可靠；針對(duì)無法在模型外側(cè)進(jìn)刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則采用螺旋進(jìn)刀。為提升加工效率，Z方向下切步距可設(shè)為0.6 mm，如圖4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)定

3.2 殘料區(qū)粗切

雖然φ50 mm刀尖圓角端銑刀切削時(shí)可選用更大的切削步距及下切深度，但也會(huì)在一些拐角處留下大量的殘余，如圖5所示，必須選用較小的刀具清角。MasterCAM提供了殘留加工方法，首先以已有的刀具軌跡計(jì)算殘留模型（素材模型），然后針對(duì)殘留模型選用更小的刀具，用殘料區(qū)粗切編制刀具路徑。殘料區(qū)粗切通常需要逐步選用更小的刀具（分別使用了φ30R5 mm刀尖圓角端銑刀、φ17R0.8 mm刀尖圓角端銑刀、φ8 mm平底刀和φ6 mm平底刀），經(jīng)過數(shù)次殘料區(qū)粗切才能清除殘留的余量，其刀具路徑和模擬效果如圖6～圖9所示。

圖5 曲面粗切挖槽

圖6 φ30R5 mm刀尖圓角端銑刀殘料區(qū)粗切（第1次）

圖7 φ17R0.8 mm刀尖圓角端銑刀殘料區(qū)粗切（第2次）

圖8 φ8 mm平底刀殘料區(qū)粗切（第3次）

圖9 φ6 mm平底刀殘料區(qū)粗切（第4次）

3.3 曲面高速水平精加工水平面

為避免側(cè)面加工時(shí)刀具直插未加工或留有余量的平面，在加工復(fù)雜型芯時(shí)，粗加工和清角加工結(jié)束后，一般先加工型芯的平面再加工側(cè)面。Mas?terCAM 2019為加工水平面提供了曲面高速水平加工策略，該策略可以自動(dòng)探測(cè)模型中的水平面，進(jìn)刀方式可以采用螺旋進(jìn)刀或斜插進(jìn)刀，進(jìn)刀和退刀還可以采用垂直圓弧的方式，避免了傳統(tǒng)平面加工的直插式進(jìn)刀缺陷，加工刀路更加安全和穩(wěn)定。在深度切削方向還可以分層，有效應(yīng)對(duì)水平面加工余量過多、單層切削時(shí)切削量過大的問題，提升平面的加工尺寸精度和表面粗糙度，如圖10所示。

圖10 φ17 mm刀尖圓角端銑刀精加工水平面

3.4 曲面高速等高精加工側(cè)面

完成型芯的水平面加工后，對(duì)型芯的側(cè)面進(jìn)行半精加工，使側(cè)面的加工余量均勻。精加工時(shí)，型芯的余量均勻，刀具切削過程會(huì)更平穩(wěn)，避免刀具因受力不均而引起振動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)紋，提高加工的尺寸精度和表面粗糙度。與傳統(tǒng)等高加工策略相比，曲面高速等高加工留余量時(shí)側(cè)面和底面可以留不一樣的余量，余量的控制更靈活。進(jìn)、退刀可以選擇水平圓弧或垂直圓弧，刀具切入切出更安全。刀具拐角處能自動(dòng)走圓弧，圓弧的大小可自定義設(shè)置，高速加工時(shí)刀具路徑?jīng)_擊更小，走刀更平穩(wěn)，如圖11所示。

圖11 φ6R0.5 mm刀尖圓角端銑刀精加工側(cè)面

3.5 曲面高速平行精加工曲面

對(duì)于型芯中的平坦平面或曲面，曲面高速水平加工無法實(shí)現(xiàn)，曲面高速等高加工在平坦面上生成的刀路較稀疏、步距較大，無法獲得理想的尺寸精度和表面粗糙度，曲面高速平行加工的策略適用于平坦平面或曲面，其原理是先生成水平步距一致的刀具軌跡，然后投影到要加工的平坦平面或曲面上。曲面高速平行加工的進(jìn)退刀可以設(shè)置為垂直圓弧，切削步距可用具體的步距數(shù)值或殘脊高度控制，設(shè)置更靈活，如圖12所示。

圖12 φ6R3 mm球刀精加工平坦面

3.6 清 根

曲面高速等高精加工側(cè)面時(shí)，無論使用球刀還是刀尖圓角端銑刀，側(cè)面的根部都無法清除干凈，必須對(duì)其清根。當(dāng)模型比較復(fù)雜時(shí)，清角功能生成的刀路較凌亂，可用性不高，一般選用外形銑削功能清根，外形銑削進(jìn)、退刀方式靈活，進(jìn)、退刀位置可設(shè)置重疊值，避免進(jìn)、退刀的位置產(chǎn)生刀痕。不同Z向深度的輪廓可一次性加工，加工輪廓可直接選擇實(shí)體邊線，省略了抓取曲面邊緣線的步驟，外形銑削的輪廓線可選擇封閉曲線或不封閉曲線，清根的刀路軌跡如圖13所示。

圖13 φ8 mm平底刀清根

4 刀具路徑校驗(yàn)

刀具路徑校驗(yàn)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具的裝夾是否有問題、刀具伸長(zhǎng)是否足夠、刀具夾持是否會(huì)與型芯和夾持件有碰撞、程序編制過程中是否用錯(cuò)刀具、所編制的程序是否合理/安全、檢查是否有過切和未加工到的區(qū)域等。使用vericut軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證準(zhǔn)確率更高，經(jīng)過充分校驗(yàn)的程序可下發(fā)到車間生產(chǎn)，校驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 刀具路徑校驗(yàn)

5 新工藝改善效果

與傳統(tǒng)加工工藝相比，高速加工的優(yōu)勢(shì)如表1所示，主要改善效果如下：①提高了加工速度，以10倍傳統(tǒng)切削速度對(duì)型芯進(jìn)行高速切削加工；②提高了生產(chǎn)效率，可以在工件中一次裝夾完成型面的粗、精加工，即所謂的“一次過”技術(shù)；③可獲得高質(zhì)量的加工表面，省去鉗工拋光的工序；④簡(jiǎn)化了加工工序，可直接加工淬火后的工件，不需選用電加工型芯，避免了電加工所導(dǎo)致的表面硬化；⑤提高了加工零件的精度，高速切削將大部分熱量傳遞給切削液，僅有少量的熱量傳遞到刀具和工件，熱量沒有聚集在工作區(qū)，提高了零件加工精度。

表1 傳統(tǒng)切削工藝與高速加工工藝

6 結(jié)束語

利用MasterCAM 2019曲面高速加工功能對(duì)型芯進(jìn)行粗加工、殘料加工（半精加工）、精加工、清角加工，探索曲面形狀復(fù)雜、高度落差大的模型編程方法，完成打印機(jī)通紙導(dǎo)板型芯的加工制造。

針對(duì)打印機(jī)通紙導(dǎo)板型芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理擬定了型芯的加工工藝路線，在粗加工時(shí)充分利用大刀具，采用大切削步距和大切削量去除大量的材料，提高了粗切的效率。半精加工時(shí)利用軟件殘料區(qū)粗切策略，高效地去除大刀具不能加工的殘留區(qū)域。利用曲面高速水平面加工策略，自動(dòng)探測(cè)模型的水平面，提高了編程的效率，降低了編程的工作強(qiáng)度，保證模型底面充分清除。最終經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)加工校驗(yàn)，編制的曲面高速加工程序合理。