模具型腔數控銑削技術的數控編程應用

摘要：本文以模具的型腔為例，重點通過UG cam軟件的介紹，優化數控加工工藝，旨在提高模具的加工效率和加工質量，減少人的手工計算，并通過減少加工中出錯的概率，避免生產中不必要的損失。

關鍵詞：模具型腔；UG CAM軟件；加工工藝

引言：隨著時代的發展，數控加工中心已經被廣泛應用于模具行業，其中以UG，Mastercam， Cimatrion所代表的軟件編程也越發為大家所熟悉。但目前即使是最先進的數控編程軟件，也需要技術人員制定工藝，選擇合適的刀具和切削參數等。因此數控機床加工的效率和質量很大程度上是取決在工藝編程人員的水平的高低。同時模具的幾何形狀也是千變萬化的，但其構成特征的種類卻是有限的。通過分析和對比，我們在實踐過程中總是可以用相對應的銑削方法來達到我們所要求的目標，而計算機編程比手工編程更加準確和高效，避免了加工過程中人為的錯誤，也因為這樣，使計算機編程更加普及。

一、背景介紹：

（一）模具制造的基本要求和特點：

為了保證產品的質量，我們通常的做法有兩種：第一種是設計模具時的合理性，第二種是采用先進的模具制造技術。（本文主要是對后者進行介紹）

1、關于模具制造的要求：（相對比一般機械加工）

制造精度高：為了能生產出合格的產品和發揮模具的效能，在制造模具時必須具有高精度。在通常情況下，模具的精度比它所制造的產品高出2-4個精度等級。

使用壽命長：模具由于是比較昂貴的工藝設備，其制造成本約占產品總成本的20-30%，因此其壽命的長短直接影響生產成本乃至于該公司的效益。

制造周期短：隨著產品更新速度的不斷縮短，在此影響下，生產產品的制造商也越發想盡快地拿出產品交付客戶。在此大背景下，對于模具制造的周期不斷地被壓縮，在保證質量的前提下，如何縮短模具的制造周期已經成為每個模具生產商家刻不容緩的問題。

模具制造收益持續走低：由于模具行業的競爭越發激烈，模具越來越不賺錢已經成為普遍的共識。根據實際情況，提出模具結構，模具材料，降本增效已越來越受重視了。

2、關于模具制造的特點：（相對比一般機械加工）

制造質量高：模具制造不僅要求加工的精度高，而且還要求加工表面的質量好。一般說來，有效的工作面制造公差都在0.02mm以內，表面粗糙度不得大于Ra 0.8且不得有任何的磕碰傷

形狀復雜：以鑄件為例，模具的型腔一般都是三維復雜曲面

材料硬度高：模具材料一般采用淬火工具鋼或是硬質合金鋼

單件生產：模具制造一般是單件的，設計和制造周期相對較長

（二）數控編程的應用

依據上述模具加工的特點和要求，數控機床得到了廣泛模具商家的應用。尤其以鏜、銑類加工中心為代表。目前普遍的加工中心通常把鏜、銑、鉸、攻螺紋等工序集中在一臺機床上，粗精加工兼容。由于采取一次定位和一次裝夾，加工質量和效率顯著提高。而且隨著時代的發展，目前車銑中心，磨削中心，齒輪加工中心和各種復合加工中心相繼誕生。在進入21世紀后，隨著電腦的大規模普及應用，CNC聯系加工編程軟件也越發密切。CAD/CAM 技術所體現的效果也越發明顯了，其表現的效果是減輕了模具的開發周期和工藝編程人員的勞動強度。

（三）結合UG cam軟件編程對模具加工進行優化

相對比過去的手工編程，機器編程就是用專用的語言和符號來描述零件圖紙上的幾何形狀及刀具相對零件運動的軌跡、順序和其他的工藝參數。最后通過軟件的后處理程序提供加工代碼給數控機床達到我們所以加工產品的目的。

（四）UG4.0軟件所提供的加工功能分布表：

1、二維平面銑削（Planar mill）

2、等高輪廓銑（Z-Level profile）和外形輪廓銑（Cavity mill）

3、曲面輪廓銑刀（fix-contour）

（五）UG4.0軟件加工步驟：

根據通常的經驗，在UG環境下進行數控加工，一般步驟為：輸入cad模型、輸入刀具類型、輸入刀具參數、給定切削加工參數、給定進給量和主軸轉速等。為了保證加工的精度，將加工的過程分為粗、半精加工、精加工三步。分別選擇合適的刀具。粗精加工得綜合考慮加工的背刀量、切削余量、主軸轉速和進給，為的是節約加工時間和提高勞動效率。

二、UG的編程

以我單位目前的模具型腔為例，結合UG軟件編程演示如下

（一）首先模型導入：

導入后的模型由于是加工完成后的狀態，所以第一步我們得建立毛坯。結果如下圖所示：

（二）數控加工的刀具的選擇：

根據數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般首選通用刀具、通用連接刀柄，其次選用專用刀具加工。刀柄要連接刀具并裝在機床動力頭上。而加工刀具所用的材料應適合加工材料和加工精度的要求，一般可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、金剛石刀具和其他的刀具比如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等等。

在型腔銑削中刀具的選擇和加工的特性相對應。零件周邊輪廓的銑削時，通常采用整體式的銑刀；零件平面輪廓銑削時，應選擇硬質合金鑲嵌刀片銑刀；加工凸臺，凹槽時選用立銑刀為宜；而針對帶有立體型面或者曲面外形輪廓的銑削通常采用牛鼻刀（R角刀）或者球刀。

（三）數控加工銑削參數的選擇：

合理選擇切削的原則是：粗加工時，一般是以加工效率為主，但也得綜合考慮加工的成本和經濟性；精加工時，首先保證的產品的加工質量，兼顧加工的經濟性。

主要切削參數如下：

1、切削深度ap

2、切削寬度ae： 一般ae與刀具的直徑d成正比，與切削深度成反比，經濟型數控加工中，一般ae的取值范圍為ae=（0.6-0.9）d 。切削深度直接影響刀具的壽命，不合適的參數選擇，容易產生崩刀和加工機床主軸的損傷。

3、切削速度Ve、主軸轉速和進給量的設定：以上三者需根據加工材料的屬性及刀具的選擇和加工機床的切削參數綜合設定。

采用的公式如下：

（主軸轉速一般根據切削速度Ve來確定： （d：刀具或工件直徑；進給量公式： （其中f是每齒進給量mm/r、z是銑刀刃數、S是機床轉速）

4、順銑和逆銑

（四）舉例說明

舉例來說，下圖為我單位一套模具型腔，現根據模具加工的特點，編制如下的數控加工程序：

（一）UG軟件的應用

針對UG該款軟件的特點，我們可以在粗加工和精加工中以不同地走刀方式來控制我們所要加工零件的精度。

1、開粗

在粗加工中主要的目的是快速、高效地切除余料，對刀位軌跡的要求盡可能大些，對于下刀的深度也是越多越好，通常采用逆銑的方式，這樣刀具可以承受更大的切向力，在UG中我們通常選用cavity mill外形輪廓來進行加工的開粗。針對開粗的特點，我們在走刀方式中，一般選用螺旋走刀方式，這樣走刀的特點是加工后的余量比較均勻，但相對來講，對于刀具的磨損也比較大。有時我們也會在開粗前對毛坯的上表面都進行光刀，目的是保證對刀時的準確性和加工余量的均勻（通常選取平行走刀的方式）。在采用Zig-Zig平行走刀方式時，刀軌可以的路徑是最短的，節省時間。

通常我們在模具的第一次開粗后，會再次選擇模具的開粗。其原因主要是由于第一次開粗時所選用的刀具直徑還是比較大的（余量切削量大，大刀具可以有更好的剛性），但往往切削后的余量分布不均勻，導致在半精加工或精加工的過程中，對精加工刀具產生影響（在切削中容易崩刀和刀具的過度磨損）。在針對UG這款軟件中的應用時，由于我們已經對第一次粗加工進行了設定，所以我們也沒必要再走一次粗加工的刀路，只需要對余量比較大的部位進行二次開粗。在刀具的選擇上我們可以以第一次開粗的刀具作為參考刀具使用，這樣也就避免了，加工時間的浪費。

2、半精加工

導流槽由于是模具加工中的重中之重，對于零件的成型過程也有重要的影響，如稍有誤差，則最直接的會導致模具的飛邊。因此必須對其局部進行精加工。由于開粗后的余量分布不均勻，我們在對局部范圍進行半精加工時，通常采取分層加工即加工循環的次數，同時針對槽的底部的R角，我們也采用不同規格的球刀。同時在加工的方法中，我們通常配合螺旋式進刀的方式，對側壁進行曲面區域銑削。

3、精加工

對側壁和曲面的銑削，我們得配合使用Z-level和曲面的區域銑削相結合，通過傾斜角度的設定，相互彌補，通常，我們會采取60°為一個界限，60°以上的區域我們通常采取Z-level清壁銑削，而60°以下的區域我們通常采用曲面的區域銑削。（下圖中畫圈處為傾斜角）

Z-level 等高輪廓銑 曲面銑削

4、對于在模具中的一些微小細節的處理：（略）

（1）清角處理：通常采用小直徑的球刀或平底刀（如￠1或￠2），并配以高速，目的是達到一定的粗糙度，避免在模具后期鉗工的二次拋光。

（2）鉆孔：由于目前很多的加工中心自帶刀庫，所以我們現在也就無需拆除零件，只需要程序中添加鉆孔程序就可以在一次加工中完成。

（3）刻字和其他等等，我們只需要做些細小的處理就可以完成整套模具的加工

（二）心得體會：

由于目前加工中心的日漸普及，零件的加工精度也在不斷地提升。與傳統的加工形成鮮明的對照，首先它避免了多次裝夾和對刀所帶來的人為誤差，其次在加工中心中由于采用高速切削，模具表面的光潔度也顯著提升，這無疑給模具的脫膜效果和產品的表面質量帶來提升，再次是對于曲面的加工，在以往的加工中曲面造型只能靠樣本進行仿形加工，有了加工中心后可以按照數模直接轉換，避免了人力資源的浪費節省了不必要的其余輔助程序，大大提高加工效率。

通過日常加工經驗的積累，往往刀具直徑越小的銑刀，往往意味著強度越差，加工的深度也越淺。同時往往伴隨著材料的變化，機床的轉速、進給量和切削深度也是不同的。經過經驗的獲得，我們制作了下表，以供大家參考。

銑刀加工工藝參數表

備注：S=主軸轉速、F=切削進給、粗=粗銑、精=精銑

四、結論

在推行模具的數控自動化加工中，我們對NC程序的工藝合理性、安全可靠性、經濟高效性提出了嚴格的要求。針對UG這款大家比較熟悉的編程軟件，我們做了如上加工技巧的演示。目的是力求達到數控編程與加工工藝的相結合，在保證模具質量的前提下，盡可能達到自動化的效果。在目前日益競爭的環境下，降低勞動成本，提高機床的利用率，提高模具的加工精度是眾多企業追求的目標。在2014年我公司從美國進口了四臺哈斯加工中心（全部帶上刀庫），在提升設備的同時也對我們工程技術人員提出了更高的要求，相信通過我們的努力，現在的變換會對企業的效益產生更重大的作用。

參考文獻：

[1] 王立民 賈鳳瑞 金屬加工，《UG等高銑在結構面加工中的應用》ISSN：1674-1641 ，2012-8

[2] 王秀平 金屬加工，《鏜削加工用刀具的設計與應》，ISSN：1674-1641， 2012-8

[3] 王華僑 金屬加工，《數控刀具在模具工業中的應用解決方案》，ISSN：1674-1641， 2012-8

[4] 梁炳文 《機械加工工藝與竅門精選》，機械工業出版社 ISBN：7-111-05438-5，1997-8