基于Tebis的汽車模具開粗工藝試驗(yàn)分析

天津汽車模具股份有限公司模具技術(shù)研究院 （300308） 衡思迎 張海濤 張忠選

1.理論分析

模具制造行業(yè)越來越多地采用了高速切削的技術(shù)，天津汽車模具外板分公司在成熟掌握了高速切削加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了Tebis加工軟件。Tebis軟件提供了全新的刀路策略、推崇殘留加工、支持元素內(nèi)的安全加工，能夠很好地平衡機(jī)械加工效率和質(zhì)量。

高速切削和基于毛坯的加工策略是采用牛鼻子刀開粗工藝的條件。采用基于毛坯的刀具軌跡策略，是提高模具加工效率、提高刀具的使用壽命、保持機(jī)床精度和提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。高速切削可以達(dá)到模具加工的精度要求，但是汽車外覆蓋件模具的復(fù)雜程度及精度要求需要更多地注意臨界區(qū)域的加工策略。Tebis正是基于毛坯提供的加工策略。在應(yīng)用中，可通過貼點(diǎn)照相掃描的方式獲取精確度較高的鑄件毛坯。對(duì)比牛鼻子刀、球刀開粗加工的優(yōu)缺點(diǎn)，證明牛鼻子刀開粗可以有效提高模具加工效率。

模具粗加工的主要目標(biāo)是去除多余的材料，為半精加工提供均勻的殘留余量。外板分公司原有的型面開粗工藝是分兩次用球刀仿形，效率低下。相對(duì)于球刀與工件的點(diǎn)接觸，牛鼻子刀與工件制件是面接觸，其進(jìn)給、轉(zhuǎn)速以及移行等參數(shù)都可以設(shè)得很大。根據(jù)刀具排屑量公式

計(jì)算出常用牛鼻子刀、球刀的相應(yīng)參數(shù)如表1所示。其中D63R10和D25R2是牛鼻子刀，B40是球刀。從表中參數(shù)Q可以看出，牛鼻子刀的排屑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球刀的排屑量，說明牛鼻子刀能在更少的時(shí)間內(nèi)去除更多的材料，很適合于模具的開粗加工工藝。

2.第一次試切

（1）工件選擇 選擇背門外板件作為試切工件，該工件具有典型性，凹角較深，型面平坦，且有漸變的立面，如圖1所示。

（2）加工工藝 一次開粗采用φ63mm的牛鼻子刀（D63R10）Z向?qū)忧校缓笥弥睆?5m m的牛鼻子刀（D25R2）進(jìn)行殘留加工，不單獨(dú)清角。這套工藝旨在驗(yàn)證牛鼻子刀的切削效率及其在應(yīng)用中的不足，以便在后續(xù)的試切試驗(yàn)中進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。牛鼻子刀切削參數(shù)如表1所示。

（3）試切分析 如圖2所示，根據(jù)基于Tebis編制的程序進(jìn)行仿真分析理論殘留模型，除了凹角處，其他的殘留量都在1mm以內(nèi)。圖3所示是D25R2的牛鼻子刀進(jìn)行了二次開粗的刀具軌跡，從圖3中可以看出，凹角仍然沒有加工到位。如果對(duì)凹角進(jìn)行清根處理，理論上可以切除絕大部分凹角殘留量，可滿足半精加工前的要求。

圖1 背門外板件

表1 刀具參數(shù)（鑄鐵）

圖4所示是一次開粗的實(shí)際效果，一次開粗刀路進(jìn)行移行轉(zhuǎn)移的地方留下了非常大的殘留量，特別是在大平面處最大大約留下了5m m的臺(tái)階量。理論上二次開粗采用D25R2的牛鼻子刀可以去除一次開粗留下的臺(tái)階殘留，以及大部分的凹角殘留，但是實(shí)際上的加工效果并不理想。經(jīng)過分析以下幾條原因都造成了殘留臺(tái)階的形成：①由于機(jī)床的預(yù)讀減速，導(dǎo)致實(shí)際的切削進(jìn)給比給定的理論值小很多，程序沒有達(dá)到真正的高速切削。②由于牛鼻子刀的特性，導(dǎo)致不可避免地多次抬刀。③牛鼻子刀的切深參數(shù)較小，還可以再設(shè)大。

圖2 背門外板件一次開粗理論效果

圖3 背門外板件二次開粗刀具軌跡

圖4 背門外板件一次開粗實(shí)際效果

3.第二次試切

（1）工件選擇 選擇翼子板為試切工件，該件較為典型，有平面、立面、漸變立面及凹角，且該件為對(duì)稱件，便于和原來的工藝進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）加工工藝 根據(jù)第一次的試切效果及分析改進(jìn)工藝，一次開粗仍用牛鼻子刀D63R10進(jìn)行Z向?qū)忧校鄬?duì)第一次試切增大切深量并減小進(jìn)給；采用φ40mm球刀單路清根，目的是去除φ63mm和φ40mm之間的凹角殘留量；二次開粗采用B40球刀仿形，進(jìn)給及轉(zhuǎn)速相比清根適當(dāng)加大，目的是去除平面臺(tái)階殘留量，使半精加工之前的余量均勻。

（3）試切分析 由第一次試切的經(jīng)驗(yàn)可知，一次開粗移行轉(zhuǎn)移的地方留下了非常大的殘留量，特別是在大的平面處留有臺(tái)階。新工藝用球刀進(jìn)行清根，二次開粗不但可以加工掉凹角的殘留量，還可去除大平面處的臺(tái)階殘留。

圖5所示是球刀二次開粗的軌跡，從圖中可以看出二次開粗加工掉了平面部分的臺(tái)階，也加工掉了φ63～φ40mm的殘留量。理論上可以給半精加工留下均勻的余量殘留。

圖5 翼子板二次開粗刀具軌跡

在實(shí)際加工中，球刀清根去除了凹角的殘留量，球刀二次開粗將一次開粗留下的殘留臺(tái)階也去除了。對(duì)比拉延筋可以看出，留給半精加工的余量已經(jīng)很均勻了。因?yàn)榕１亲拥对谝淮伍_粗之后，已經(jīng)將大部分的余量切除了，所有球刀在二次開粗時(shí)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給等參數(shù)可以加大，整個(gè)工藝的加工時(shí)間明顯減少。

圖6 翼子板二次開粗實(shí)際效果圖

4.結(jié)語(yǔ)

（1）Tebis進(jìn)給參數(shù) 進(jìn)行完兩次試切之后總結(jié)了初步的加工工藝，即在第二次試切的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)給參數(shù)的調(diào)整。如圖7所示，Tebis中需要設(shè)置多個(gè)進(jìn)給參數(shù)。在多次試切試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同的工件及刀具材料設(shè)置合理的進(jìn)給，能夠大大提高機(jī)加工效率，同時(shí)減少刀具的磨損，減輕主軸負(fù)載，表面加工殘留均勻，能夠滿足加工的需要。圖中所示vf表示的基數(shù)進(jìn)給值。

圖7 Tebis參數(shù)設(shè)置

vz是行距間轉(zhuǎn)折時(shí)的進(jìn)給值，各種機(jī)床在轉(zhuǎn)角時(shí)都會(huì)減速，因此依照設(shè)備情況需要進(jìn)行適當(dāng)減速，粗加工時(shí)也需適當(dāng)降低。

vt是下切時(shí)的進(jìn)給值，根據(jù)材料和刀具是否適合垂直切削，尤其是在粗加工時(shí)必須進(jìn)行減速設(shè)置，以降低刀具切入時(shí)的沖擊力來延長(zhǎng)刀具壽命的目的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般可設(shè)為vf的50%～80%。

vr是斜向進(jìn)給值，對(duì)刀具影響較大。如果用不適合垂直切削的刀具跑斜向，必須進(jìn)行適當(dāng)減速，用球刀加工時(shí)可以忽略這個(gè)參數(shù)設(shè)置。工件材料對(duì)這個(gè)參數(shù)也有影響。

vv是滿刀切削進(jìn)給值，滿刀進(jìn)給是正常切削速度的80%，這樣做的目的是保護(hù)刀具磨損，同時(shí)也是減少機(jī)床主軸負(fù)載。

ve是拐角進(jìn)給值，適當(dāng)提高Path Smooth值并降低ve值至50%左右，可以延長(zhǎng)刀片的使用壽命。

（2）工時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行了多次的試切試驗(yàn)，并采用對(duì)稱件與原始工藝進(jìn)行比較。原始工藝采用球刀清根再用球刀仿形。表2為對(duì)比件的工時(shí)數(shù)據(jù)，所選制件均是左右件對(duì)稱制件，其中左件采用舊工藝，右件采用新工藝，數(shù)據(jù)源是機(jī)械車間統(tǒng)計(jì)的實(shí)際加工時(shí)間。

表2 翼子板對(duì)稱件的加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

對(duì)表中樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析如下：①單件模具加工最少節(jié)約時(shí)間31.1%，最多節(jié)約時(shí)間76.2%，平均每件節(jié)約49.0%。②單套模具加工最少節(jié)約時(shí)間36.8%，最多節(jié)約時(shí)間53.9%，平均每套節(jié)約時(shí)間48.4%。

從以上分析可以看出，基于Tebis和牛鼻子刀的開粗工藝，可以將加工效率提高50%左右，效果非常明顯。