模具型芯的数控加工工艺分析 - 全文

　　模具的型芯和型腔往往具有各种自由曲面，非常适合在数控机床上进行加工。数控加工的工艺与普通加工工艺有较大区别。本文结合儿童产品装饰物的模具型芯的数控加工工艺设计，分析和总结了模具数控加工的工艺特点，为模具的数控工艺设计提供了借鉴。

　　数控加工工艺是指采用数控机床加工零件时，所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。由于数控加工具有加工效率高、质量稳定、对工人技术要求相对较低、一次装夹可以完成复杂曲面的加工等特点，所以，数控加工在模具制造行业的应用越来越广泛，地位也越来越重要。数控工艺设计的好坏将直接影响数控加工尺寸的尺寸精度和表面质量、加工时间的长短、材料和人工的耗费，甚至直接影响加工的安全性。下面通过实例对典型模具成型零件的数控加工工艺进行分析。

　　一、产品分析

　　本文举例的产品为一款儿童产品的装饰物，材料为ABS。由该产品图(图1)可以看出，产品的结构比较简单，表面平整，侧面有半圆孔，顶部有多个圆孔。由于该产品是装饰品，不属于精密的结构件，故产品的外观质量要求较高，尺寸公差要求不严格。

　　二、成型零件结构与分析

　　在获得产品的实体造型或者工程图后，其模具可以使用Pro/ENGINEER、NX或者MasterCAM中的CAD功能进行设计，设计出来的模具型芯如图2所示。

　　该模具型芯具有以下特点：

　　(1)型芯毛坯尺寸为200×170×65mm，加工后尺寸为160.8×126.6×35.8mm，材料为S136钢。

　　(2)型芯胶位高度为35.8mm，椭圆面与三角形面相交的位置圆角偏小，只有R1mm。这些位置用铣刀直接加工的话难度较大，可以利用放电加工达到要求。

　　由于产品的尺寸公差要求不高，所以可以对该型芯直接使用数控机床进行精加工。

　　三、工艺分析

　　数控加工工艺与传统的加工工艺是有一定区别的。由于数控机床大多都不具备工艺处理能力，加工过程的每一细节都必须预先确定，加工按照编好的程序自动完成，因此, 必须在编程前对加工工艺做详细的分析，并设计好相应的加工工序。

　　1.工艺基准选择

　　数控加工多采用工序集中原则进行加工，因此，在选择工艺基准时，应尽可能选择合适的基准要素，减少装夹次数，提高加工效率和加工精度;同时，选择定位基准时，需参照图纸的要求，使工艺基准与设计基准重合，减少因基准不重合带来的误差。

　　本例中，工件毛坯是经过磨削加工的长方体坯料，平行度、垂直度和尺寸精度都已得到保证，因此，可以选用长宽两方向相对面作为水平方向(XY方向)的基准;选用底面作为高度方向(Z方向)的基准。同时在机床上找一对刀基准，以保证换刀后仍然可以准确地找到编程的高度基准，即工件坐标系的Z0点。这些基准面在数控加工过程中不再加工，作为加工基准可以保证基准的准确性和前后的统一性。

　　2.装夹方式的选择

　　铣削加工时，工件的装夹方式一般有采用压板加螺栓装夹、使用机用平口钳装夹和使用专用夹具装夹等形式。模具型芯属于单件订单生产，一般不使用专用夹具;本模具型芯的尺寸为200×170×65mm，属于小型工件，因此，选择用机用平口钳进行装夹。

　　采用机用平口钳装夹时，要考虑到型芯的高度为35.8mm，因此，装夹后毛坯顶面离平口钳钳口的高度应大于35.8mm，底面可用等高垫铁垫起。

　　3.加工顺序安排

　　在数控机床上加工的零件，一般按照工序集中的原则划分工序，即每道工序应包括尽可能多的加工内容。工序划分方法有按所用的刀具划分、按安装次数划分、按粗精加工划分或按加工部位划分等。本例为模具型芯，属于单件生产，故在安排加工顺序时以工序集中为原则，以减少换刀次数，提高加工效率。

　　加工顺序安排得是否合理，直接影响着加工质量，加工效率和加工成本。在选择加工顺序时，要根据毛坯情况和零件结构，结合零件的定位基准和装夹方法，重点需考虑保证工件在加工过程中的刚性不受破坏，减少变形，保证加工质量。

　　本模具型芯的毛坯料为长方体，制品分型面加工切削量较大，必须先进行粗加工，然后再经过半精加工和精加工完成。加工完分型面后，再按顺序精加工顶面、碰穿面和胶位。

　　4.刀具选用

　　刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一。加工刀具不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量。由于数控机床的主轴转速及范围远远高于普通机床，而且主轴输出功率较大，因此与传统加工方法相比，对数控加工刀具提出了更高的要求，要求其具有精度高、强度大、刚性好和耐用度高等特点，而且要求尺寸稳定，安装调整方便。数控刀具是提高加工效率的先决条件之一，它的选用取决于被加工零件的几何形状、材料状态、夹具和机床选用刀具的刚性。

　　本模具型芯的材料为S136钢，硬度大概为220HB左右;毛坯装夹采用平口钳，提供了足够的刚性。因此，本型芯的加工选用硬质合金铣刀，刀具参数如下：

　　(1)直径30mm，半径为5mm的圆鼻刀;

　　(2)直径16mm，半径0.5mm的圆鼻刀;

　　(3)半径为5mm的球头刀;

　　(4)直径为8mm的平底立铣刀。

　　四、基于MaterCAM的数控加工工艺过程

　　MaterCAM软件是基于PC平台的CAD/CAM系统，由于它对硬件要求不高，并且操作灵活、易学易用，广泛应用于机械加工、模具制造、汽车工业和航天工业等领域，具有二维几何图形设计、三维曲面设计、刀具路径模拟和加工实体模拟等功能。本例利用MasterCAM 9.1进行刀具路径编制。其加工顺序如表1所示。

　　上述加工步骤经过实际加工的验证，证明加工效果良好，尺寸精度和表面加工质量符合图纸的要求。

　　五、分析与小结

　　(1)数控机床在加工具有复杂曲面的模具成型零件中具有明显的优势，只要工艺设计合理，可以完成80%以上的加工量。

　　(2)模具的数控加工一般为单件小批生产，故通常使用通用夹具进行装夹，并且多为一次装夹完成多个工序的加工，因此，在工艺设计时，应采用工序集中原则，让工序尽量集中，同时，尽量减少换刀次数，以减少待机时间，提高机床利用率。

　　(3)模具成型零件一般可以通过粗加工→半精加工→精加工三个工序完成。在工艺设计时，必须注意定位基准的选择，尽量保证定位基准与设计基准的重合，减少因基准不统一带来的误差。同时，定位基准的选择应该使工件坐标系的设置变得简单。

　　(4)选择刀具时，应根据机床、工件材料和设计要求等诸多因素进行综合考虑。刀具参数的设置要根据刀具厂商提高的参数为基准，同时根据加工条件进行相应的修改，以尽量发挥刀具的潜能。保证刀具与工件不发生干涉的前提下，尽量缩短装刀长度，以减少刀具振动，延长刀具寿命，提高加工精度。