基于Tebis的汽車模具開粗工藝試驗分析

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

1.理論分析

模具制造行業越來越多地采用了高速切削的技術，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的基礎上，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、支持元素內的安全加工，能夠很好地平衡機械加工效率和質量。

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、保持機床精度和提高產品質量的有效途徑。高速切削可以達到模具加工的精度要求，但是汽車外覆蓋件模具的復雜程度及精度要求需要更多地注意臨界區域的加工策略。Tebis正是基于毛坯提供的加工策略。在應用中，可通過貼點照相掃描的方式獲取精確度較高的鑄件毛坯。對比牛鼻子刀、球刀開粗加工的優缺點，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。相對于球刀與工件的點接觸，牛鼻子刀與工件制件是面接觸，其進給、轉速以及移行等參數都可以設得很大。根據刀具排屑量公式

計算出常用牛鼻子刀、球刀的相應參數如表1所示。其中D63R10和D25R2是牛鼻子刀，B40是球刀。從表中參數Q可以看出，牛鼻子刀的排屑量遠遠大于球刀的排屑量，說明牛鼻子刀能在更少的時間內去除更多的材料，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向層切，然后用直徑25m m的牛鼻子刀（D25R2）進行殘留加工，不單獨清角。這套工藝旨在驗證牛鼻子刀的切削效率及其在應用中的不足，以便在后續的試切試驗中進行優化改進。牛鼻子刀切削參數如表1所示。

（3）試切分析 如圖2所示，根據基于Tebis編制的程序進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。圖3所示是D25R2的牛鼻子刀進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。如果對凹角進行清根處理，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（鑄鐵）

圖4所示是一次開粗的實際效果，一次開粗刀路進行移行轉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階殘留，以及大部分的凹角殘留，但是實際上的加工效果并不理想。經過分析以下幾條原因都造成了殘留臺階的形成：①由于機床的預讀減速，導致實際的切削進給比給定的理論值小很多，程序沒有達到真正的高速切削。②由于牛鼻子刀的特性，導致不可避免地多次抬刀。③牛鼻子刀的切深參數較小，還可以再設大。

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，且該件為對稱件，便于和原來的工藝進行對比分析。

（2）加工工藝 根據第一次的試切效果及分析改進工藝，一次開粗仍用牛鼻子刀D63R10進行Z向層切，相對第一次試切增大切深量并減小進給；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，進給及轉速相比清根適當加大，目的是去除平面臺階殘留量，使半精加工之前的余量均勻。

（3）試切分析 由第一次試切的經驗可知，一次開粗移行轉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階。新工藝用球刀進行清根，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階也去除了。對比拉延筋可以看出，留給半精加工的余量已經很均勻了。因為牛鼻子刀在一次開粗之后，已經將大部分的余量切除了，所有球刀在二次開粗時的轉速、進給等參數可以加大，整個工藝的加工時間明顯減少。

圖6 翼子板二次開粗實際效果圖

4.結語

（1）Tebis進給參數 進行完兩次試切之后總結了初步的加工工藝，即在第二次試切的基礎上進行進給參數的調整。如圖7所示，Tebis中需要設置多個進給參數。在多次試切試驗中發現，根據不同的工件及刀具材料設置合理的進給，能夠大大提高機加工效率，同時減少刀具的磨損，減輕主軸負載，表面加工殘留均勻，能夠滿足加工的需要。圖中所示vf表示的基數進給值。

圖7 Tebis參數設置

vz是行距間轉折時的進給值，各種機床在轉角時都會減速，因此依照設備情況需要進行適當減速，粗加工時也需適當降低。

vt是下切時的進給值，根據材料和刀具是否適合垂直切削，尤其是在粗加工時必須進行減速設置，以降低刀具切入時的沖擊力來延長刀具壽命的目的，根據經驗一般可設為vf的50%～80%。

vr是斜向進給值，對刀具影響較大。如果用不適合垂直切削的刀具跑斜向，必須進行適當減速，用球刀加工時可以忽略這個參數設置。工件材料對這個參數也有影響。

vv是滿刀切削進給值，滿刀進給是正常切削速度的80%，這樣做的目的是保護刀具磨損，同時也是減少機床主軸負載。

ve是拐角進給值，適當提高Path Smooth值并降低ve值至50%左右，可以延長刀片的使用壽命。

（2）工時數據統計 根據調整后的參數繼續進行了多次的試切試驗，并采用對稱件與原始工藝進行比較。原始工藝采用球刀清根再用球刀仿形。表2為對比件的工時數據，所選制件均是左右件對稱制件，其中左件采用舊工藝，右件采用新工藝，數據源是機械車間統計的實際加工時間。

表2 翼子板對稱件的加工時間統計

對表中樣本數據進行處理分析如下：①單件模具加工最少節約時間31.1%，最多節約時間76.2%，平均每件節約49.0%。②單套模具加工最少節約時間36.8%，最多節約時間53.9%，平均每套節約時間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。