研究報告nx情況下模具型面數(shù)控粗加工刀具軌跡編程計(jì)謀

一、模具粗加工的策略：模具加工作為機(jī)械加工制造的典型，其制造水平的上下反映著一個國家的綜合技術(shù)實(shí)力。各種類型的模具與注射模、壓縮模、沖壓模、級進(jìn)模、壓鑄模等成型工藝技術(shù)的應(yīng)用，都直接取決于模具制造精度、效率。模具常用銑削加工的策略是粗加工、辦精加工、精加工、拋光及外表強(qiáng)化等的。下面對模具數(shù)控加工中常用的策略進(jìn)行簡單說明。〔1〕基于毛坯的加工采用基于毛坯的加工策略包含基于原始毛坯的等高分層加工和基于中間工序的殘留毛坯加工兩種方式，其數(shù)控加工金屬切削的原理相同。目的都是實(shí)現(xiàn)刀具在加工過程中的余量均勻，刀具每次加工時所承受的切削力、切削深度、切削寬度相當(dāng)，從而保持加工的平穩(wěn)性，提高加工的效率。采用基于毛坯的刀具軌跡策略，對于提高模具的加工效率、提高刀具的使用壽命、保持機(jī)床精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑?，F(xiàn)有市面的CAM軟件，UGNX和Cimatron、PowerMill等都提供了較好的基于毛坯加工編程的策略。〔2〕型面比擬復(fù)雜的加工模具型腔和型芯的加工，其特征一般表現(xiàn)在型面比擬復(fù)雜，大局部都是空間的三維曲面，因此曲面的銑削加工時，曲面的光順性、外表光潔度等精度要求直接影響著產(chǎn)品的成型質(zhì)量。常用的數(shù)控加工中心，多為三軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床。在模具銑削時，最常見的刀具軌跡策略是采用X、Z或Y、Z兩軸聯(lián)動，通過等歩距或變歩距行切的方式進(jìn)行加工。這種方式對于模具的粗加工和精度要求不高的模具精加工〔后續(xù)采用拋光工序〕是可行的，但是對于模具的半精加工和精加工，這種方式不太理想，如果采用45度行切實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸聯(lián)動加工的策略，對于提高模具的半精加工和精加工的外表質(zhì)量、光潔度有著非常明顯的改善作用，這也是現(xiàn)代模具數(shù)控加工中心精加工的一種典型策略?！?〕深腔加工時的策略〔鉆削的影響優(yōu)勢與劣勢〕對于大深度的模具型腔加工，如何提高粗加工的效率一直是機(jī)械加工的一個難題。典型常用的加工策略有鉆削排量、鉆銑排量、挖槽等高分層加工等幾種方式。其中鉆削排量的效率高，但是，鉆削排量時，孔與孔之間形成的鋒利區(qū)是后續(xù)加工的難點(diǎn)，這些鋒利區(qū)無論采用銑削還是其它的方式，對于后續(xù)的精加工不利，尤其是鋸齒狀的側(cè)面輪廓銑削時，由于余量非常不均勻，對刀具和機(jī)床沖擊較大，嚴(yán)重影響了后續(xù)加工的順利進(jìn)行。相對單純的鉆削排量，采用鉆銑刀進(jìn)行鉆銑排量時可有效防止鉆削排量的缺點(diǎn)，但是由于鉆銑刀的底刃相對于鉆頭的底刃來說，軸向的下刀及加工效率相對鉆削排量要低得多，采用鉆削排量+鉆銑排量結(jié)合的方式是一種比擬好的方式，主要余量局部采用鉆削排量，鋒利區(qū)采用鉆銑排量的方式。等高分層的加工策略是比擬穩(wěn)妥的一種方式，但是對于銑刀的加工參數(shù)和刀具本錢的控制策略相比照擬復(fù)雜，尤其是中小型模具加工時，其附加值不高，刀具的本錢在模具的粗加工時是企業(yè)必須考慮的一個重點(diǎn)要素，因此，必須在切削工藝參數(shù)和刀具的選擇上作出合理科學(xué)的決策，如采用鉆銑排量+等高分層切削也是一個比擬好的選擇?！?〕不同材料的加工不同成型工藝方式的模具，其所采用的模具材料各不相同，市面上模具型腔型芯材料以黑色金屬為主，占90%的比例，鋁合金、鋅和金、不銹鋼材料的模具比例相對較小。黑色金屬材料分兩種典型的類型，經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的中等硬度、綜合性能比擬高的的熱處理狀態(tài)和高硬度淬火的熱處理狀態(tài)。對于調(diào)質(zhì)狀態(tài)的模具加工，其加工性能相對較好，對刀具和機(jī)床的要求也相對較低。對高硬度淬火狀態(tài)的黑色金屬模具材料進(jìn)行切削時，選擇適宜的刀具、適宜的機(jī)床、適宜的刀具軌跡策略、適宜的工藝流程方案、適宜的冷卻方式、創(chuàng)造有利的排屑方式等等對于提高模具粗加工的效率是非常有意義的。而對于粘性材料如鋁合金、不銹鋼的加工，主要從刀具的選型、冷卻潤滑效果、切削工藝參數(shù)上進(jìn)行合理的搭配即可，其難度相對于高硬度淬火狀態(tài)的模具加工要小得多。〔5〕變速切削策略〔恒功率、扭矩、OMAT功能〕高速切削作為現(xiàn)代數(shù)控加工的趨勢，其應(yīng)用場合越來越廣。但是對于一般的中小型企業(yè)，尤其是小型企業(yè)由于其使用本錢高，，采用高速切削的策略應(yīng)用不是很普遍，傳統(tǒng)的數(shù)控加工策略模式所占的比重還是主流，因此如何有效的提高傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的銑削加工效率還是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行銑削時，采用恒功率、恒扭矩的方式進(jìn)行模具的粗加工策略是非常重要的，既可以有效的提高加工效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，可有效的降低刀具本錢、保持機(jī)床的精度和壽命。在數(shù)控編程方面，Cimatron和UGNX均提供了較好的變速切削的策略，即針對不同的切削深度和寬度，使切削加工時的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，而Vericut軟件也可以通過程序優(yōu)化的方式來保證加工的平穩(wěn)性。使用好這些軟件的前提是必須有一定的加工經(jīng)驗(yàn)和較為豐富的數(shù)控編程經(jīng)驗(yàn)，其對人的依賴性較大。而采用硬件的方式，如通過數(shù)控機(jī)床的主軸監(jiān)控或使用OMAT優(yōu)化控制器來監(jiān)測主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，通過有效的自適應(yīng)控制方法來優(yōu)化銑削加工時的轉(zhuǎn)速S和進(jìn)給速度F是非常有意義的，且OMAT是基于人工神經(jīng)模糊控制策略的，因此其經(jīng)驗(yàn)的積累可以不斷的在加工過程中得到優(yōu)化，使用自適應(yīng)控制策略的時間越長，模具粗加工的效率越高、刀具的本錢越來越低。二、銑削刀具、刀柄、加工參數(shù)的合理搭配1、主軸刀柄的選擇對于模具型面的粗加工來說，由于銑削時的切削力、扭矩比擬大，因此加工時對主軸刀柄的剛性、主軸電機(jī)的扭矩和功率、伺服電機(jī)的進(jìn)給推力有一定的要求。因此在粗加工階段，盡量選擇主軸電機(jī)功率大、刀柄剛性高的數(shù)控機(jī)床上來加工，如采用BT50的刀柄主軸或HSK100A的高速電主軸機(jī)床來加工。2、刀具的選擇一般數(shù)控機(jī)床加工模具時，如果考慮刀具的本錢，采用焊接硬質(zhì)合金刀具來進(jìn)行模具的粗加工時是可行的，但如何采用合理的切削參數(shù)，對于提高刀具的壽命是非常有意義的。對于模具的粗加工，采用等高分層的高速加工策略，采用鑲齒刀片的刀具或整體硬質(zhì)合金刀具來進(jìn)行加工也是非常有效的一種途徑。3、不同切削刀具對應(yīng)的切削深度、寬度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的搭配無論是采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工，還是高速切削的方式進(jìn)行模具的粗加工，如下的幾條原那么都是非常有意義的?！?〕對稱和非對稱切削的應(yīng)用：對刀具而言，采用非對稱切削的方式，刀具在切削加工過程中，所承受的切削力小，主軸的扭矩也小。刀具在加工過程中，尤其是螺旋立銑刀，加工過程中一定要防止銑刀雙側(cè)受力。這樣切削比擬平穩(wěn)，切削力小，切屑容易排出，對刀具的傷害比擬小。銑刀銑削時，如果銑刀雙側(cè)受力時〔滿齒寬切削〕，由于切削力比擬大、機(jī)床的振動、切屑的影響、主軸的跳動等對刀具、機(jī)床的要求較高，刀具磨損較快。原那么上，要防止?jié)M齒寬切削，采用45~80%的銑削寬度是可行的?！?〕深度優(yōu)先和寬度優(yōu)先的選擇：對于普通數(shù)控機(jī)床采用焊接硬質(zhì)合金的螺旋立銑刀進(jìn)行模具型腔型芯的加工時，在銑削深度和銑削寬度的選擇上，滿足相等金屬切屑去除率的前提下，優(yōu)先采用較深的銑削深度，采用相對較小的切削寬度是比擬合理的。這是由于螺旋立銑刀在加工時，刀具的磨損集中在切削的部位，如果采用小深度、大寬度的方式，對刀具的壽命影響較大。采用大深度、相對窄的寬度進(jìn)行銑削時，相同的刀具，其刀具耐用度較高。如采用20mm直徑的銑刀進(jìn)行粗加工時，采用切削深度10mm、切削寬度為8mm比采用切削深度5mm、切削寬度為12mm的加工參數(shù)相比，前者的刀具耐用度提高一倍，加工效率相對高20%左右，同時可以有效的降低刀具的本錢。對于高速切削機(jī)床的模具粗加工時，由于多采用鑲齒的刀片進(jìn)行型腔的加工，采用寬度優(yōu)先、相對較小的深度來加工是比擬合理的。這是由于高速機(jī)床加工時，要防止切削力過大對電主軸的損傷，另一方面，由于高速切削時要求采用較小的切削深度，可以有效的減小刀具的振動的同時來保證加工時的一致穩(wěn)定性，減少對刀具和主軸的沖擊。〔3〕每齒切削量：無論是傳統(tǒng)的數(shù)控銑削還是高速切削，主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度之間的關(guān)系，要結(jié)合被加工模具材料的特點(diǎn)來考慮。對金屬切削而言，不同的工件材料，由于其材料的結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能的不同，材料的加工性能不同。如對于鋁合金而言，要選擇比擬鋒利的刀具如高速鋼或硬質(zhì)合金，粗加工時，每齒切削量在0.08mm~之間是比擬合理的。這是由于鋁合金材料，其強(qiáng)度低、熔點(diǎn)低，在切削加工過程中，由于材料比擬軟，很容易粘刀。如果刀具不鋒利，每齒切削量比擬小時，刀具與工件之間是在摩擦，而不是在切削。對于鋼件模具型腔型芯的加工，刀具要選擇強(qiáng)度比擬高的硬質(zhì)合金、立方氮化硼材料比擬好，每齒的切削量控制在0.03~之間是合理科學(xué)的。如果每齒切削量過小，刀具與工件發(fā)生摩擦，不是在切削；如果每齒切削量過大時，切削力大，刀具的磨損嚴(yán)重。如果采用整體硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具進(jìn)行加工，在切削的穩(wěn)定性控制方面要保證好，由于陶瓷材料和硬質(zhì)合金抗沖擊性比擬差，很容易崩刃，因此盡可能防止加工過程中的振動和沖擊。三、模具數(shù)控銑削加工編程如表1所示的某磚瓦橡皮模具成型時所用的瓦皮墊。現(xiàn)對該瓦皮墊成型的步驟進(jìn)行簡單介紹，重點(diǎn)說明如何通過對該產(chǎn)品進(jìn)行逆向工程、模具設(shè)計(jì)、模具數(shù)控加工的根本流程進(jìn)行了簡要介紹。該產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)所用的軟件平臺為Imageware、采用UGNX進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，最后采用UGNX和Mastercam分別進(jìn)行數(shù)控銑削加工編程。圖1產(chǎn)品三維點(diǎn)云掃描圖2Imageware平臺下產(chǎn)品三維逆向造型圖3UGNX平臺下瓦皮凸模型面詳細(xì)設(shè)計(jì)圖4UGNX平臺下瓦皮凹模型面詳細(xì)設(shè)計(jì)〔1〕瓦皮產(chǎn)品與模具型面設(shè)計(jì)如圖1-圖4所示，首先利用Atos掃描儀或FARO柔性關(guān)機(jī)臂坐標(biāo)測量機(jī)等掃描設(shè)備對瓦皮產(chǎn)品進(jìn)行三維點(diǎn)云掃描后，將點(diǎn)云導(dǎo)入逆向工程軟件Imageware平臺下，進(jìn)行點(diǎn)云的處理，包括點(diǎn)云過濾、曲率分析、生成三維空間曲線后，利用Imageware中的逆向曲面造型功能完成產(chǎn)品的主要型面的反求造型設(shè)計(jì)。將逆向工程后期的產(chǎn)品曲面模型導(dǎo)入UGNX平臺，利用UGNX軟件強(qiáng)大的三維模具專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，快速高效的完成瓦皮凸模型面和凹模型面的詳細(xì)設(shè)計(jì)。圖5挖槽粗加工排量圖6淺平面銑削排量圖7等高輪廓半精加工圖8曲面平行銑削半精加工圖9平行銑削精加工圖10平行換向銑削精加工〔2〕基于Mastercam的模具型面銑削編程如圖5-圖10所示，在Mastercam環(huán)境下，對于該瓦皮模具型面銑削加工編程，常用的型腔粗加工排量方式有挖槽加工、淺平面銑削等方式，其中淺平面銑削加工是對挖槽加工的補(bǔ)充。半精加工有等高輪廓和曲面平行銑削兩種方式，從圖7和圖8的軌跡可以看出，等高輪廓加工方式存在余量不均勻且不利于裝夾的特點(diǎn)，因此對于該類型型腔半精加工采用曲面平行銑削方式比擬好。對于精加工方式，采用平行銑削和平行換向銑削兩種方式均可，但是鑒于模具型腔的外表光潔度要求，采用圖10的軌跡方式進(jìn)行加工，對于后續(xù)的拋光工序順利進(jìn)行比圖9的軌跡方式要好。圖11等高粗加工軌跡圖12殘留加工刀具軌跡圖13型面刀具軌跡加工仿真圖14型面平行銑削精加工軌跡圖15加工現(xiàn)場圖16凹模實(shí)物〔3〕UGNX基于毛坯和殘留的編程優(yōu)勢如圖11-圖14所示，在UGNX環(huán)境下，對該模具型面進(jìn)行數(shù)控銑削加工編程的流程依次為等高粗加工、殘留加工、曲面流線半精加工和精加工。從中可以看出，由于提供了外表剩余銑削加工的編程功能，對于提高編程的效率和加工效率是極其有利的。因此實(shí)際加工編程時采用了UGNX的編程功能和加工策略取得了較好的效果，其加工效率較傳統(tǒng)的模具粗加工的效率提高了50%以上；圖15和圖16分別是加工現(xiàn)場的效果圖和加工完成的模具實(shí)物圖。圖17、凸模的毛坯及其粗精加工刀具軌跡圖18、壓邊圈的毛坯及其粗精加工刀具軌跡采用相同的策略，如圖17和圖18所示對某沖孔落料成型模具的凸模和壓邊圈進(jìn)行數(shù)控銑削加工編程時，采用基于毛坯的方式銑削加工編程的策略。在測量毛坯實(shí)物的特征尺寸根底上，在UGNX環(huán)境下將毛坯設(shè)計(jì)完成后，首先采用立銑刀進(jìn)行基于毛坯的等高分層加工的方式，然后利用球頭銑刀進(jìn)行半精加工和精加工，其加工效率比采用單純的球頭銑刀進(jìn)行粗精加工的方式提高一倍以上。采用立銑刀進(jìn)行加工時，關(guān)鍵是要對毛坯進(jìn)行測量，將毛坯的實(shí)際尺寸作為編程的毛坯模型，然后利用UGNX的基于毛坯的等高分層的策略進(jìn)行刀具軌跡的編制和程序的輸出。采用基于毛坯的刀具軌跡編制策略的優(yōu)勢在于可以有效的減少空刀，同時利用等高分層的策略結(jié)合毛坯識別的功能，可以保持刀具切削時軌跡的平穩(wěn)性、流暢性和高效