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与一般模具相比，汽车覆盖件模具具有体积大、成型面复杂、自由曲面多、加工精度要求高等特点。为了提高生产效率，将模具成型面精加工原以ϕ20mm球头铣刀为主的精加工模式改为用ϕ30mm球头铣刀进行精加工。在已加工的多副汽车覆盖件模具中，模具成型面不断出现质量问题，体现在模具成型面起伏处有波纹，即便重新加工，仍然难以消除，这就使得模具成型面质量受到很大影响，增加了模具研修工作量，延长了模具制造周期。 数控加工技术作为一项先进的制造技术，涉及多方面的内容，包括CAM软件的应用水平、数控设备的选型、数控编程策略等。其中数控编程策略对数控加工效率的综合发挥起着关键作用，程序员根据生产实际（即机床设备精度、数控刀具状况、模具成型面曲率变化程度等）编制程序的具体思路，直接决定数控程序的质量。由于编制的加工程序均采用基于修剪边界的方式自动生成，保证了数控程序的刀具轨迹流畅。 数控编程策略即数控加工工序的设置，对于模具成型面数控加工主要分为清根加工和成型面区域加工2种。 清根加工即沿零件表面之间的凹角生成刀轨，一般用于零件加工区的边缘凹处，以清除前面加工未切削到的材料。未切削到的材料通常是由于前面加工中刀具直径大而残留下来的，必须用小刀具清除。清根分单笔和多笔2种。单笔清根只在凹角处清根一次，而多笔清根则参考刀具偏置走刀，是指通过指定一参考刀具直径定义要加工的区域总宽度，从而在清根中心的任一侧产生多次切削走刀。 成型面区域加工通常是按照程序员给定的加工步距，以平行往复行切、圈铣、螺旋以及三维偏置等走刀方式在加工数模的指定区域内生成刀具路径。 加工后的凸模 波纹现象的产生是数控加工过程不稳定的反应。以某汽车前门外板凸模中的波纹为例，对其产生波纹的原因进行分析。 局部波纹 加工曲面的曲率变化是影响数控加工稳定性的主要因素，经分析，加工数模发现产生波纹处的曲率半径为R15mm，刚好是精加工ϕ30mm球刀的临界状态。 凸模实体数模 从数模中可以看到，数控加工相邻区域均为平坦型面，曲率半径大（为ϕ1124~ϕ3228mm）。在接近凹槽部位时，曲率半径产生突变，变为精加工刀具加工的临界半径R15mm，使刀具的负荷猛然增加，致使加工不稳定，刀具突然受力震荡产生波纹。由于是精加工，并且处于临界加工状态，理论上该波纹处已经加工到位，即便重新使用机床加工，成型面的加工刀痕也无法消除。 半径突变处的刀具路径仿真 虽然在粗加工之前有ϕ30mm球刀预清根，先对凹槽处进行加工，但是需注意的是此次清根还留有1mm加工余量。 粗清根示意图 清根后的铸件加工状态仍留有加工余量，这就使得在精加工阶段，刀具从平稳处加工到清根处，负荷迅速增加。还需注意的是清根刀具路径产生的条件就是与加工数模的2个表面在不同点接触，如果数模表面曲率半径大于刀具半径，则无法产生双切线接触点，也就无法形成清根切削路径。 清根产生原理示意图 所以在之后刀具的清根中，曲率半径为R15mm处并无刀具路径产生，由此则产生波纹。 刀具清根路径 CAM对数控加工的速度和质量的影响是决定性的。机床设备的良好状态为机械加工提供了基本条件，但要达到满意的加工速度和质量，必须编制出高质量的加工程序。因此模具成型面加工的缺陷与编程、刀具选择、走刀方式有着直接的联系。对编制的程序研究发现，在成型面加工之前都对其凹槽部位先进行相同加工余量的清根，即对有凹槽部位首先进行了加工的预处理。这样在成型面加工时，即便遇到加工成型面的曲率突变，但由于凹槽部位已经提前加工到位，刀具的负荷就不会产生急剧变化，保证了加工的稳定性，使得成型面的加工质量得到了保证。 通过分析，决定在成型面精加工之前增加ϕ30mm球刀单笔清根精加工或者ϕ20mm球刀多笔清根精加工，用来减少凹槽的加工余量。由于清根加工为沿数模的凹槽部位，随着成型面的生成，可避免刀具负荷不断变化的不稳定加工状态，使得成型面加工质量得到保证。综合实际加工的效率，为了减少操作者换刀，采用ϕ30mm球刀单笔清根精加工。从理论上讲，考虑到临界半径的加工情况，ϕ20mm球刀多笔清根精加工要比ϕ30mm球刀单笔清根精加工效果更好。 汽车覆盖件模具由于其加工成型面多为空间的自由曲面，曲率呈现不规则的变化，对于成型面产生突变的部位，在进行数控加工时刀具会经常由于成型面的曲率突变而受到冲击，刀具负荷的变化使得加工处于不稳定状态，影响加工的成型面质量。此种曲率突变的现象多发生在内板件上，影响数控加工的稳定性。目前改善CAM加工稳定性主要有2种途径，一是编程的预处理，一是切削速率的优化。 对需要加工的数模提前进行分析，在成型面精加工之前，用与精加工同种规格的刀具或者比精加工小一规格的刀具进行一次清根加工。这种加工方式在外板件模具加工时可以有效解决模具成型面的加工质量问题，但在加工内板件即发动机罩内板、行李箱里板、车门内板等模具时，由于产品具有复杂多变的曲面，若按照常规做预清根处理，仍会由于加工量大，影响机床及刀具的使用寿命。此种情况下有的公司为了提高数控加工效率，应用高速加工的理念，基于CAM中残留模型的加工概念，采用小切深、高进给的方式进行分层清根操作，既保护了刀具、延长了刀具使用寿命又提高了加工效率。 切削速率对加工质量、加工效率以及刀具的磨损度影响最直接。传统加工的进给率是根据刀具路径中主要切削部分的切削条件而设置为某个恒定值，在路径急剧拐角处靠机床控制器的预读功能进行小范围的加减速。在切削深腔、凹槽时容易损坏刀具，同时由于刀具受到频繁的冲击，对机床的使用寿命也会有一定的影响。 PowerMILL软件中的DelcamOptiFEED模块可根据切削零件的具体位置情况进行不同的进给设置。当进行深度切削时，自动调小进给；当在浅区域或者空间走刀时，自动调大进给，从而得到稳定的材料切削率。此种技术的实施使刀具切削时具有稳定的切削载荷，同时也为以后的自动化加工提供了条件。 数控仿真软件Vericut具备切削速率优化的功能，可根据程序规定的各切削量确定最佳进给，并输出一个新的刀具文件，但是其并不会改变原来的刀具路径，新的加工信息自动加入到新的后置文件中，避免了以切削运动进行的空刀运动，提高数控加工效率。但Vericut的优化都需要基于对原刀具路径的切削仿真后才能产生优化的程序，增加了工作量，对于汽车模具单件生产加工模式，数控加工程序繁多，其程序的优化功能在汽车模具加工中应用尚需考虑。 切削速率的优化使得刀具在切削状态中负荷稳定，有助于提高数控加工的稳定性和获得更好的成型面加工质量。 ▍ ▍内容来源：《模具工业》2013年第3期 |
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