铅笔刨外壳的模具设计和数控加工

吴光明，王天乙

（1，东莞市高技能公共实训中心，广东东莞，523016；2，青海模具制造科技有限公司，青海西宁，810000）

1 产品分析

塑料铅笔刨的3D图如图1所示。由主壳体、面壳、底板和电池板四部分组成。为方便清洁铅笔刨碎屑，前面的外壳设计成能单独装拆，外壳的两边设计了两条长条形卡槽凸筋，和主壳体上的凹槽对应。外壳和主壳体配合的直边没有设计拔模斜度。装配时，用手压外壳两边的凹圆弧槽即可。

铅笔刨外壳塑件3D图如图2所示，产品形状结构不算复杂，表面质量要求高，曲面过渡圆滑，曲面之间的圆角半径小，壁厚要求均匀2.5mm，表面要求蚀纹处理，材料为ABS，收缩率为5‰。

2 模具结构分析

塑件的外观曲面虽然比较复杂，但分型面是平面，外壳的外表面要求高，为便于模具出模，将光滑的外表面设计成前模，有长条卡槽的内部曲面部分设计成后模。设计了半圆枕位面成型外壳的半圆缺口，保证缺口的成型质量。外壳表面的两凹圆弧槽虽然看似复杂，模具设计时并不需要过多考虑。为保证塑件的美观，模具的顶出机构设计在外壳内表面上，装配后可隐藏。

图2 外壳3D图

根据塑件的结构特点，对模具进行分模设计，分模图如图3所示。

塑料卡件的零件尺寸不大，从注塑、加工及经济角度综合考虑，一模设计出两个不同产品，浇口位置设计在两塑件的中间，设计侧浇口进料。采用标准模架，零件要求较高，模具型芯材料选用高性能的模具钢。

图3 铅笔刨外壳模具的分模图

3 前模结构及工艺分析

图4为设计好的前模加工3D图。将前模图形坐标原点放在XY方向的中心处，分型面后部的小平面的Z方向尺寸为0.0mm。

3.1 前模型腔的加工工艺分析

前模的分型面是一平面，前模成型外壳的外表面，型腔曲面为凹面，曲面复杂，曲面间圆角过渡圆滑，光洁度要求高。型腔深度较大，曲面间的圆弧半径较小，最小圆弧半径是R1.507mm，难于清角加工，设计铜电极进行电火花清角。成型外壳的凹圆弧槽时，在前模型腔形成了凸圆弧台，圆弧台和型腔曲面尖角相交，无法直接加工成型，也需设计铜电极进行电火花清角。

粗加工后，为降低生产成本，只设计加工一个精加工电极。为尽量减少前模型腔的电加工余量，粗加工前模型腔时，要采取合适的数控工艺，以提高电加工的加工效率。

枕位面的内凹圆弧半径较大，可直接加工出来。

设计加工前模型腔时，首先利用铣、平面磨等通用设备先加工出120×110×80的标准毛坯，要求保证上下面的平行度及四周面之间的相互垂直度,之后，以产生分型面曲线为依据。选择相互垂直的三个面作为加工和定位的基准面。在零件的底面钻四个孔并攻牙M8，用螺钉固定在布满孔阵的装夹固定板上，再将装夹固定板用压板固定在数控机床的工作台上进行加工。

数控加工时，以粗加工和半精加工为主，辅以局部曲面精加工。粗加工时，一般先选取镶合金刀粒的大刀，采用曲面挖槽刀路进行粗加工（留0.35mm的余量），然后选取合金刀，采用等高外形刀路进行半精加工（留0.2mm的余量），精加工一般选取镶合金刀粒的球头刀，采用平行铣削来进行（留0.1mm的余量）。

模具同时有分型面和枕位面，加工时，分型面、枕位面加工到位，不留余量。型腔部位留余量0.2~0.5mm，以便电火花加工。加工前模型腔曲面的刀具，多采用镶合金刀粒的圆鼻刀。刀具直径大、刚性好、经济耐用。多适用粗加工场合。精加工时也尽多采用。由于前模材料较硬，加工前要仔细检查，减少差错，不能轻易烧焊。

图4 前模3D图

3.2 前模铜电极的设计与工艺分析

前模曲面是内凹的型腔曲面，曲面之间过渡圆滑，最小圆弧半径是R1.507mm，必须设计铜电极进行清角加工。前模型腔两凸圆弧台和前模型腔尖角相交，也无法清角加工，要采用电火花加工清角。

模具是设计成一套模具出两件产品的，前模加工时，已经对前模型腔进行了粗加工，留下的加工余量不大。只须设计加工一个铜电极——精加工电极（放电间隙-0.1mm）。图5所示为设计好的前模铜电极的3D图。

由于数控加工时，刀路是沿着Z方向的最大投影外形进行加工的，无须绘制铜电极曲面以下的部位。因为前模铜电极的图形是从前模3D图复制而来的，图形坐标原点和前模的3D图的坐标原点是重合的。铜电极曲面顶部的Z方向尺寸为30.7mm。设计铜电极时，须考虑到电火花加工的装夹与定位，须设计加工校表面和分中面。绘制一矩形外形作为XY方向的分中面，其Z方向尺寸为Z-11.0mm。铜电极的最大外形Z方向的尺寸为0.0mm。为避免电加工时，铜电极曲面伤及分型面，加工时，要将铜电极的最大外形向下延伸到Z-5.0mm。加工出来的平面可作为校表面，Z方向尺寸为Z-5.0mm。铜电极零件的XY方向的坐标和前模的XY方向坐标是重合的。电火花加工时只需调整Z方向的尺寸。

用精加工平行铣削刀路精加工铜电极外表时，为获得好的表面粗糙度，须设计精加工区域边界，变化加工角度进行。前模铜电极的加工模拟效果如图6所示。

图5 前模铜电极的3D图

图6 前模铜电极实体加工模拟效果图

4 后模结构及工艺分析

前面已经完成了外壳的分模处理，图7为后模拆分爆炸图。后模由后模型芯、后模框及枕位组成。模具的分型面是一平面，和前模相对应。图形坐标原点放在前模XY方向的中心处，分型面和前模分型面相对应部位的Z方向尺寸为0.0mm。

图7 后模拆分爆炸图

4.1 后模型芯的加工工艺分析

图8所示为设计好的后模型芯加工3D图。后模型芯底部加工有四个M8的螺钉孔，因型芯不好装夹，安装在后模框上加工。

图8 后模型芯3D图

后模成型外壳的内表面，光洁度要求没有前模高，模具的顶出机构设计在后模型芯处。加工时主要有以下的难点：

1）零件体积不大，但模具钢材质硬，加工余量大，加工时间长，刀具损耗多，要采用合理的加工参数；

2）后模型芯的毛坯是标准的立方体，顶部的加工余量大，底部四壁没有拔模斜度，无须加工；

3）为保证枕位面处后模型芯的强度，枕位面采用了镶嵌结构，整体进行加工；枕位面和后模型芯相交处无法直接加工出来，须设计加工铜电极进行电火花清角加工；

4）后模曲面为凸面，曲面虽然复杂，曲面间圆角过渡圆滑，圆弧半径虽然较小，但清角加工还是便利，加工后进行人工抛光处理。

4.2 后模型芯框的数控加工

图9 后模型芯框3D图

图9设计好的后模型芯框的3D图。后模框的结构较为复杂，两边的长条卡槽须设计后模滑块行位进行抽芯。加工时要注意以下几点：

1）后模型芯框的深度不算大，但后模材质较硬，加工时，选用的刀具和数控工艺须合理；

2）后模枕位是和后模型芯设计成一整体的，加工后模型芯框时，须将枕位面修补好；

3）后模型芯框四壁没有设计拔模斜度，曲面间圆角过渡圆滑，圆弧半径最小为R3.05，虽然较小，但清角加工还是便利，可采取合适的数控工艺直接加工，避免设计加工铜电极；

4）后模壁和分型面相交处的后模修饰裙边的圆角半径为R1.507，加工条件较好，可采用合适刀具，直接进行加工；

5）首先，利用铣、平面磨等通用设备先加工出标准毛坯，要求保证上下面的平行度及四周面之间的相互垂直度。选择相互垂直的三个面作为加工和定位的基准面。为便于辨认基准，要打上字码。在零件的底面钻六个孔并攻牙，用螺钉固定在布满孔阵的装夹固定板上，再将装夹固定板用压板固定在数控机床的工作台上进行加工。

图10 后模铜电极曲面分解图

4.3 后模型腔铜电极的设计与加工

外壳枕位和后模型芯相交部位的结构复杂，尺寸很小，很多地方的面与面成尖角相交。在后模粗加工时一点儿都没有加工到，必须设计铜电极进行清角加工。

后模铜电极和后模枕位和后模型芯相交部位曲面是一样的，参照图10的铜电极分解图，铜电极的图形可从后模3D图直接复制而来。铜电极图形坐标原点和后模的3D图的坐标原点是不重合。绘制图中作为XY方向的分中面的加工边界曲线。由于粗加工后模时，此部位留下的加工余量很大。因此，须设计加工粗、精两个铜电极。图11为设计好的后模铜电极的3D图。

图11 后模铜电极的3D图

图12 后模铜电极位置尺寸图

图13 后模铜电极实体加工模拟效果图

设计铜电极图形时，无须绘制铜电极曲面以下的部位。图形坐标原点和后模坐标原点重合，铜电极曲面底部的Z方向尺寸为0.0mm。绘制图11中分中曲线作为XY方向的分中面，其Z方向尺寸为Z-18.0mm，精加工完毕后此平面可作为校表面。铜电极零件的坐标中心和前模的坐标中心位置Y方向距离为-35.0mm，X方向重合，电火花加工时只需调整Z方向的尺寸。铜电极的位置尺寸图如图12所示。后模铜电极的加工模拟效果如图13所示。