覆蓋件模具型面數(shù)控加工CAPP研究及應用
近年來，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車制造企業(yè) 之間的競爭也曰益激烈，為了適應市場和消費者的需 求，車型不斷升級換代，改換汽車外觀是新車型的標 志之_，因此汽車的覆蓋件模具必須重新設(shè)計制造。 覆蓋件模具具有結(jié)構(gòu)復雜、尺寸大、曲面多、型面光 順度高等特點，因此其加工制造難度較大、成本較 高，不容易控制加工質(zhì)量和周期。模具的加工質(zhì)量和 精度對覆蓋件模具特殊的加工工藝也提出了更高的要 求。而且加工工藝編制者在經(jīng)驗上存在一定差異，使 得工藝編制不夠合理、嚴謹和規(guī)范，模具加工質(zhì)量和 效率無法保障1。隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的普及，模具制造領(lǐng)域越 來越依賴于計算機技術(shù)的發(fā)展和應用，計算機輔助工 藝規(guī)劃技術(shù)（即CAPP)應運而生。CAPP技術(shù)為覆 蓋件模具的加工制造提供了一個自動化的集成平臺， 它不僅能夠規(guī)范加工工藝、縮短設(shè)計周期、改善工藝 繼承性、提高加工質(zhì)量和效率，而且對增強汽車制造 企業(yè)的競爭力起著至關(guān)重要的作用1-2。以汽車覆蓋件拉延模具型面為例，對其加工工藝 進行剖析，創(chuàng)建了以PowerMILL 2012大型精工加工 軟件為平臺的覆蓋件模具型面精工加工工藝模板，它 不僅能夠高效加工特定模具，而且對結(jié)構(gòu)相似的模具，通過直接調(diào)用或簡單修改工藝參數(shù)即可生成符合 實際生產(chǎn)的加工工藝和程序代碼。實踐證明：該方法 能夠規(guī)范模具型面加工工藝，提高模具的加工質(zhì)量和 效率。1模具型面加工工藝汽車覆蓋件拉延模具型面結(jié)構(gòu)復雜、 曲面多、 尺 寸大、精度要求高，因此覆蓋件模具的加工工藝與普 通模具的加工工藝相比，兩者之間有較大的差異3。覆蓋件模具型面加工工藝流程如圖1所示。首先 將備好的模具坯料在加工中心工作臺面上定位、夾 緊；選取直徑較大的粗銑刀，以“十”字或“井” 字型方式對模具型面進行試加工，確保毛坯各部位切 削余量均勻；毛坯粗加工時，在型面較淺位置用等距 環(huán)切軌跡加工，在陡平面處用等高方式切削，快速去 除模具毛坯余量；下一步進行粗清角加工，_般采用 筆式清角方式，去除毛坯未加工到的角落部位，確保 余量均勻；半精加工工序去除多余的毛坯，使型面更 加均勻光滑，為精加工做準備；半精清角工序主要是 去除半精加工未切削到的殘留量；精加工是模具型面 加工處理的關(guān)鍵步驟，將決定型面的質(zhì)量和精度；對 于某些型面中曲率半徑較小的余量，精清角加工工序 也是必需的。1.1型面試加工覆蓋件模具型面粗加工時，經(jīng)常采用分層切削的 方式進行，其效率低且成本較高。因此，可以在粗加 工之前引入一個劃分局部曲面加工的試加工工序。如 圖2所示，即在X軸或}"軸方向上以200 mm為單位 將加工型面區(qū)域劃分成 塊，然后在Z軸方向上 抬刀20 mm，并試切20 mm寬的刀路，如果局 部型面未被加工到，刀 具以5 mm為單位下降，再進行試切，直到每個 試切點都有加工余量。 圖2試加工型面分區(qū)1.2型面粗加工粗加工的目的是快速去除模具毛坯余量，所以常 用的加工刀具的直徑較大，選取的切削深度也較大， 并降低主軸轉(zhuǎn)速來進行粗加工。切削步距的大小由銑 刀直徑來決定，常用的銑刀直徑一般在6?50 mm之 間，因此切削步距一般設(shè)置為0.5?20 mm。切削進 給速度要根據(jù)加工中心的加工能力、刀具材料和毛坯 材質(zhì)等情況，合理選取較大值，以達到快速除料的 目的。工件毛坯外表粗糙，故應在模具型面以外的區(qū)域 設(shè)置合理的起刀點，避免刀具誤切或撞刀。切削加工 方式盡量選用順銑模式，使刀具保持良好的切削狀 態(tài)。走刀方式確定后，由編制的程序給定刀具起刀點 位置。1.3型面精加工精加工的切削用量較小、精度較高，刀具尺寸由 型面曲率大小來定，_般采用％16 mm或％20 mm球 頭立銑刀雙向走刀，起刀點不受限制。加工步距由型 面精度要求來選擇，一般取0.8 mm，加工余量保持 在1mm以內(nèi)，精度保證在0.05 mm左右。最后用小 直徑球頭銑刀清根去除多余材料。1.4型面清角加工模具的型面一般采用球頭刀進行精加工，在加工 區(qū)域會留下一定的加工余量，尤其是一些較淺型面的 加工，導致模具型面加工精度降低。于是，精加工后 宜采用更小直徑（如％6 mm)的球頭刀對剩余區(qū)域 進行清根加工，以達到模具型面的加工精度要求。在實際加工中，覆蓋件拉延模具型面的復雜程 度、曲率半徑等均有所不同，除以上工藝流程外，還 可能涉及其他工序，如局部清角加工、分層清角加 工、側(cè)面插銑加工和側(cè)面半精加工等。2模具型面CAPP開發(fā)在覆蓋件模具型面加工工藝研究的基礎(chǔ)上，采用 PowerMILL 2012加工軟件的工藝模板開發(fā)平臺，根據(jù) 拉延模具型面特點和加工工藝，制定工藝流程，針對 不同的加工部分，選擇不同的加工策略，設(shè)置合理的 加工參數(shù)，創(chuàng)建加工程序，完成模具型面CAPP工藝 模板的設(shè)計。2.1創(chuàng)建工藝模板在PowerMILL 2012環(huán)境下指定工藝模板的生成 路徑，然后對工藝模板進行命名，在加工策略對話框 中，即可生成‘‘覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模 板”標簽。2.2設(shè)置加工參數(shù) 2.2.1刀具設(shè)置加工刀具設(shè)置參數(shù)包括：刀體類型（如圓錐形 刀具和圓柱形刀具）和刀底類型（如球形刀、圓角 刀和平底刀），具體刀具幾何體參數(shù)設(shè)置主要有：刀 具直徑、刀具長度、刀具錐角及圓角半徑等4。2.2.2 走刀方式在加工過程中，不論是一個程序還是幾個程序才 能加工完成的型面，刀具的起點和終點需為同一個位 置。進刀點應選擇在其受力良好的位置，使切削受力 均衡。退刀時應******限度縮短非切削加工時間，提高 精工機床利用效率，可以選擇沿加工路徑切線、沿加 工路徑法線、沿Z軸、沿加工路徑相切等方式進行 進退刀走刀5。2. 2.3切削步距在模板中，用反映加工精度的工藝參數(shù)一殘留 高度來設(shè)置切削間距。如圖3所示，其中h是殘留高度、d是刀具直徑、b是切削步距。在保證加工效率 和加工精度的前提下，切削間距盡量選擇最小值，依 據(jù)實際加工經(jīng)驗，殘留高度多取0.02 mm6。 2.2.4進給速度在工藝模板中，分別設(shè)定了切削速度、進刀速 度、退刀速度、空刀速度和跨越速度等5種進給速 度。切削進給速度根據(jù)工件表面的余量值來設(shè)定，如 果余量較大，切削進給速度應適當降低；跨越進給速 度通常設(shè)置成切削進給速度的60%左右；進刀速度 —般設(shè)置為50~200 mm/min;退刀、空走刀速度盡 可能選取設(shè)備允許的最高值7。2.2.5主軸轉(zhuǎn)速實際生產(chǎn)中，主軸轉(zhuǎn)速依據(jù)機床能力、刀具形狀 和材質(zhì)、工件材料以及加工余量等方面綜合設(shè)定。覆 蓋件模具常用鑄鐵或鋼材質(zhì)，加工型面余量較大時， 主軸轉(zhuǎn)速一般選用1 000 ~ 4 500 r/min;而如果加工型面余量較小時，主軸轉(zhuǎn)速可以設(shè)置到8 000 ~ 12 000 r/min,能夠很大程度提咼型面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。基于以上加工工藝參數(shù)設(shè)置，生成模具型面加工 工藝流程的加工策略[8-10]。將工藝參數(shù)和加工策略 保存在“覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模板”路徑 下，最后完成“覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模 板”開發(fā)，如圖4所示。3模具型面CAPP應用將該CAPP工藝模板應用在某汽車大型覆蓋件模 具型面的加工上，對其進行了實踐驗證。依該模板設(shè)定的模具型面加工策略設(shè)置工藝參數(shù) 進行切削加工，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。加工工藝參數(shù)和加工策略表加工工藝參數(shù) 加工工 藝流程 加工方式 刀具 主軸轉(zhuǎn)速/ (r • min "1) 進給速率/ (mm • min"1) 切削步 距 /mm 加工余 量/mm 加工精 度 /mm 型面試加工 參考線段投影加工 %50球刀 1 000 1 500 — 由毛坯余量而定 0. 1 粗加工 交叉等高精加工 %50球刀 1 500 1 800 8 1. 0 0. 1 粗清角 自動清角精加工 %50球刀 1 800 2 000 — 1. 0 0. 1 半精加工 三維偏置精加工 %50球刀 2 000 2 000 3 0. 3 0. 05 半精清角 自動清角精加工 %25球刀 2 500 2 500 — 0. 25 0. 03 精加工 三維偏置精加工 %25球刀 4 500 4 200 0.6 0 0. 02 精清角一 自動清角精加工 %20球刀 2 500 3 500 — 0 0. 01 精清角二 自動清角精加工 %10球刀 2 500 3 500 — 0 0. 01 精清角三 自動清角精加工 %6球刀 2 500 3 000 — 0 0. 01 模具毛還選用1 000 mm X 800 mm X 200 mm的鑄 件。基于加工余量較大的原因，選取球頭銑刀先對型 面進行試加工；采用交叉等高方式進行粗加工，余量 1.0mm,再對未加工到的部位粗清角；依次完成型 面的半精加工、半精清角加工、精加工、精清角加工 等步驟，最后生成完整的刀路軌跡和加工程序。在 CINQNNATI VMC4000加工中心上完成了該覆蓋件 模具型面的實際加工，如圖5所示。加工結(jié)果表明，應用該CAPP加工工藝模板可以 快速、合理、規(guī)范地設(shè)置模具型面的工藝參數(shù)和工藝 流程，不僅保證了型面加工的質(zhì)量，而且使工藝規(guī)劃 和精工編程的時間縮減大約20%，大大提高了模具 制造效率。4結(jié)束語實際生產(chǎn)應用中，由于汽車覆蓋件模具種類較 多，而且模具型面的形狀曲率和加工工藝都不近相 同，下一步將對工藝數(shù)據(jù)庫進行補充和完善，將相似 型面的加工工藝歸類設(shè)置，將可視化的開發(fā)平臺和數(shù) 控加工軟件相結(jié)合，開發(fā)出功能更加強大的CAPP數(shù) 控加工工藝模板，合理規(guī)劃覆蓋件模具生產(chǎn)中的各個 加工環(huán)節(jié)，增強精工工藝及加工代碼編制的實用性和 可靠性，在很大程度上提高汽車覆蓋件模具的加工質(zhì) 量與效率，有效提升企業(yè)競爭力，促進汽車產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展。