覆蓋件模具型面數控加工CAPP研究及應用

秦紅星

(唐山學院唐山市機電一體化重點實驗室，河北唐山 063000)

近年來，我國汽車工業快速發展，汽車制造企業之間的競爭也日益激烈，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一，因此汽車的覆蓋件模具必須重新設計制造。覆蓋件模具具有結構復雜、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，不容易控制加工質量和周期。模具的加工質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驗上存在一定差異，使得工藝編制不夠合理、嚴謹和規范，模具加工質量和效率無法保障［1］。

隨著計算機和網絡技術的普及，模具制造領域越來越依賴于計算機技術的發展和應用，計算機輔助工藝規劃技術 (即CAPP)應運而生。CAPP技術為覆蓋件模具的加工制造提供了一個自動化的集成平臺，它不僅能夠規范加工工藝、縮短設計周期、改善工藝繼承性、提高加工質量和效率，而且對增強汽車制造企業的競爭力起著至關重要的作用［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，創建了以PowerMILL 2012大型數控加工軟件為平臺的覆蓋件模具型面數控加工工藝模板，它不僅能夠高效加工特定模具，而且對結構相似的模具，通過直接調用或簡單修改工藝參數即可生成符合實際生產的加工工藝和程序代碼。實踐證明:該方法能夠規范模具型面加工工藝，提高模具的加工質量和效率。

1 模具型面加工工藝

汽車覆蓋件拉延模具型面結構復雜、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，一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鍵步驟，將決定型面的質量和精度;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。

圖1 模具型面加工工藝流程

1.1 型面試加工

覆蓋件模具型面粗加工時，經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Y軸方向上以200 mm為單位將加工型面區域劃分成塊，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

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置為0.5～20 mm。切削進給速度要根據加工中心的加工能力、刀具材料和毛坯材質等情況，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域設置合理的起刀點，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。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，一般采用φ16 mm或φ20 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1 mm以內，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φ6 mm)的球頭刀對剩余區域進行清根加工，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、側面插銑加工和側面半精加工等。

2 模具型面CAPP開發

在覆蓋件模具型面加工工藝研究的基礎上，采用PowerMILL 2012加工軟件的工藝模板開發平臺，根據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，設置合理的加工參數，創建加工程序，完成模具型面CAPP工藝模板的設計。

2.1 創建工藝模板

在PowerMILL 2012環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 設置加工參數

2.2.1 刀具設置

加工刀具設置參數包括: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設置主要有: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。退刀時應最大限度縮短非切削加工時間，提高數控機床利用效率，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——殘留高度來設置切削間距。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，依據實際加工經驗，殘留高度多取0.02 mm［6］。

圖3 切削步距與殘留高度

2.2.4 進給速度

在工藝模板中，分別設定了切削速度、進刀速度、退刀速度、空刀速度和跨越速度等5種進給速度。切削進給速度根據工件表面的余量值來設定，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置成切削進給速度的60%左右;進刀速度一般設置為50～200 mm/min;退刀、空走刀速度盡可能選取設備允許的最高值［7］。

2.2.5 主軸轉速

實際生產中，主軸轉速依據機床能力、刀具形狀和材質、工件材料以及加工余量等方面綜合設定。覆蓋件模具常用鑄鐵或鋼材質，加工型面余量較大時，主軸轉速一般選用1 000～4 500 r/min;而如果加工型面余量較小時，主軸轉速可以設置到8 000～12 000 r/min，能夠很大程度提高型面質量和生產效率。

基于以上加工工藝參數設置，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，如圖4所示。

圖4 覆蓋件模具型面加工工藝CAPP模板

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。

依該模板設定的模具型面加工策略設置工藝參數進行切削加工，具體參數設置如表1所示。

表1 加工工藝參數和加工策略表

模具毛坯選用1 000 mm×800 mm×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1.0 mm，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CINCINNATI VMC-1000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。

圖5 模具型面加工效果圖

加工結果表明，應用該CAPP加工工藝模板可以快速、合理、規范地設置模具型面的工藝參數和工藝流程，不僅保證了型面加工的質量，而且使工藝規劃和數控編程的時間縮減大約20%，大大提高了模具制造效率。

4 結束語

實際生產應用中，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，下一步將對工藝數據庫進行補充和完善，將相似型面的加工工藝歸類設置，將可視化的開發平臺和數控加工軟件相結合，開發出功能更加強大的CAPP數控加工工藝模板，合理規劃覆蓋件模具生產中的各個加工環節，增強數控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量與效率，有效提升企業競爭力，促進汽車產業的發展。

［1］馮長林，楊旭靜，何潔，等.汽車覆蓋件模具數控加工工藝模板開發及應用［J］.制造技術與機床，2008(3):144－146.

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［3］楊福增.曲面型腔高速切削加工關鍵技術研究［J］.長江大學學報(自科版)，2005(4):170－171.

［4］王玉，高崇輝，徐和國.模具型腔數控加工計算機輔助刀具選擇研究［J］.計算機集成制造系統——CIMS，2004(2):226－229.

［5］程志剛，王巧生，王成勇.模具高速加工中的走刀路徑策略［J］.模具制造，2006(8):61－64.

［6］黃曉峰.影響模具曲面加工精度的工藝分析及對策［J］.機械制造，2005(4):49 －51.

［7］ LEE Rong-Shean，CHEN Yuh-Min，CHENG Hsin-Yu，et al.A Framework of a Concurrent Process Planning System for Mold Manufacturing［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，1998(11):171 －190.

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［10］高崇暉，周雄輝，王玉，等.面向模具制造的CAPP系統研究與開發［J］.模具技術，2003(5):50－53.