模具深槽型面加工方法的探討

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(gè)模具加工的重點(diǎn),型面的加工質(zhì)量對(duì)沖壓零件的質(zhì)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(duì)于沖壓工藝需要的溝槽,由于加工精度沒(méi)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(duì)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(shí)適當(dāng)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(chǎn)生的,其加工精度要求都很高,如汽車天窗加強(qiáng)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(nèi),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(diǎn)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(qiáng)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(jìn)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(nèi)部,而用φ8 mm球頭銑刀再修型面圓角時(shí),卻直接修到了槽的底部,刀具切深達(dá)十幾毫米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了刀具的允許切深。刀具的切深過(guò)大導(dǎo)致其在切削時(shí)的振動(dòng)和損傷都很嚴(yán)重,并且對(duì)機(jī)床也是一種嚴(yán)峻的考驗(yàn)。刀具的劇烈振動(dòng)會(huì)對(duì)深槽的側(cè)壁型面產(chǎn)生一定過(guò)切,加工很難達(dá)到型面的設(shè)計(jì)要求精度。因此對(duì)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(nèi)的余量(如圖1黃點(diǎn)剖面線部分)可以當(dāng)作一個(gè)需要加工的實(shí)體。其與通常的實(shí)體加工一致,經(jīng)過(guò)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(dá)到設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行溝槽型面的粗加工

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

2.1.1 清根配合程序復(fù)制的方法

該方法的步驟有：①根據(jù)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(jù)刀具允許的切深Z向等間距復(fù)制清根程序,把復(fù)制后的程序連接起來(lái)得到整個(gè)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(cè)壁接近垂直的型面加工(如圖2所示)。對(duì)于圖1所示的單側(cè)型面或兩側(cè)壁都較傾斜的溝槽型面,加工后側(cè)壁還會(huì)殘留較多余量,效果不太理想。另外,刀具切削時(shí)基本上是滿刀切削,需降低進(jìn)給速度。

圖2 深槽型面清根程序

圖3 清根配合程序復(fù)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(shí),CAM軟件里一般都有一個(gè)控制每次切削深度的參數(shù),通過(guò)將該參數(shù)按刀具允許切深的梯度逐步增大,生成多個(gè)修圓角的程序,然后將這些程序連接起來(lái),從而得到深槽型面的加工程序(如圖4所示)。而連接多個(gè)修圓角程序時(shí),很多程序混雜在一起,很難分辯其先后順序,經(jīng)常會(huì)出錯(cuò)。

圖4 深槽型面修圓角程序

NCSET是把多個(gè)加工方式嵌套在一起的一種軟件功能,常用來(lái)進(jìn)行相似零件的相同加工工藝加工。為進(jìn)行深槽型面加工而生成的多個(gè)修圓角程序,可以先把修圓角的相應(yīng)參數(shù)在NCSET里設(shè)好,然后再用NCSET生成程序,得到與上述程序軌跡相同但已經(jīng)連接好的深槽型面加工程序,從而避免因連接程序順序錯(cuò)誤而導(dǎo)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(dú)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(gè)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(duì)型面直接進(jìn)行Z向等步距加工的方法

直接對(duì)型面進(jìn)行Z向等步距加工的方法是CAM軟件針對(duì)陡峭型面的加工策略,設(shè)置好Slope Angle(型面向量與坐標(biāo)系Z向的夾角)參數(shù),把深槽型面的陡峭側(cè)壁分離出來(lái),然后進(jìn)行Z方向的等步距加工。這種編制NC程序的方法簡(jiǎn)單直接,并且加工后的余量較均勻,但是與清根配合程序復(fù)制的方法一樣,刀具多數(shù)是滿刀切削,所以進(jìn)給量也要適當(dāng)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?。?duì)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(cè)壁型面,然后再加工稍斜側(cè)壁型面,避免刀具斜向切入深槽時(shí)對(duì)刀具的損傷。

利用球頭銑刀對(duì)深槽型面的粗加工主要有以上3種方法。對(duì)于兩側(cè)壁都傾斜的深溝型面加工,一般采用第1種方法進(jìn)行粗加工,然后再用第3種方法進(jìn)行半精加工來(lái)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(duì)此類型面進(jìn)行粗加工會(huì)更有效。

2.2 用平底銑刀進(jìn)行溝槽型面的粗加工

對(duì)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(diǎn)是獨(dú)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(shí)允許大的加工進(jìn)給。上述球頭銑刀對(duì)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(jìn)刀,所以用球頭銑刀的3種加工方法進(jìn)行加工時(shí),需要在進(jìn)刀位置加入10°左右的斜坡進(jìn)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(jìn)行加工。層銑是實(shí)體毛坯加工的經(jīng)典加工方法,其特點(diǎn)是切深小、步距大、進(jìn)給快。與前3種加工方法相比,這種加工方法效率更高、機(jī)床負(fù)荷小、刀片耐用度高、更經(jīng)濟(jì)。但是該加工方法的效率與CAM軟件中構(gòu)造溝槽型面余量實(shí)體(如圖1中黃點(diǎn)剖面線部分)的精確度密切相關(guān)。實(shí)體變大,程序空刀就會(huì)相應(yīng)增多。構(gòu)造余量的實(shí)體越精確,效率就會(huì)有相應(yīng)提高。而當(dāng)實(shí)體偏小時(shí),經(jīng)常容易撞刀,對(duì)刀具和機(jī)床的損傷很大。所以余量實(shí)體的構(gòu)造非常關(guān)鍵,也是該加工方法的難點(diǎn),本文主要討論其余量實(shí)體的構(gòu)造。

圖7 平底銑刀片

深溝型面余量實(shí)體的構(gòu)造主要有3種方法。

(1)直接手工創(chuàng)建型面構(gòu)造余量實(shí)體。

主要思路是先創(chuàng)建如圖1所示藍(lán)線AB部分型面光刀后的實(shí)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(shí)體。而實(shí)際的溝槽型面一般都比較復(fù)雜,構(gòu)造圖1藍(lán)線AB型面難度也很大,另外層銑要求加工實(shí)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(zhì)量要求較高。要構(gòu)造這樣的加工實(shí)體,編程員的工作量很大。該方法只對(duì)簡(jiǎn)單的溝槽型面比較有效。

(2)利用CAM編程軟件自帶的實(shí)體構(gòu)造功能創(chuàng)建余量實(shí)體。

主要有方體、輪廓線引導(dǎo)的柱體、翻砂實(shí)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(huì)有更好的效果,而第3種方法創(chuàng)建的實(shí)體更適合復(fù)雜溝槽型面的粗加工。但是這3種方法創(chuàng)建的余量實(shí)體都比較粗糙,實(shí)際加工會(huì)有大量的空刀,加工效率不是很理想。

(3)利用層銑加工后計(jì)算的實(shí)體作為深溝型面加工的真正余量實(shí)體。

CAM軟件在計(jì)算層銑程序時(shí)會(huì)自動(dòng)生成毛坯層銑后的Mesh實(shí)體,可以把這個(gè)Mesh實(shí)體作為真正余量實(shí)體進(jìn)行加工。具體做法是：先用第2種方法生成一個(gè)粗略的實(shí)體,然后用整個(gè)型面精加工的刀具進(jìn)行層銑,從而得到型面精加工后的Mesh實(shí)體。

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

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述所有深槽型面的粗加工方法,平底銑刀進(jìn)行層銑的加工方法適合所有形狀溝槽型面的粗加工,是對(duì)復(fù)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(jìn)行深槽型面的半精加工和精加工時(shí),一般采用型面加工Z向等步距配合平面等步距的方法來(lái)完成。另外深槽型面的精加工一般在整個(gè)型面的精加工之前完成,這樣在整個(gè)型面精加工時(shí)可適當(dāng)減少球頭銑刀在深槽型面處的滿刀切削,對(duì)提高型面加工精度和延長(zhǎng)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(zhì)量問(wèn)題的解決方法[J].模具技術(shù),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.