覆盖件模具型面数控加工CAPP研究及应用

秦红星

(唐山学院唐山市机电一体化重点实验室，河北唐山 063000)

近年来，我国汽车工业快速发展，汽车制造企业之间的竞争也日益激烈，为了适应市场和消费者的需求，车型不断升级换代，改换汽车外观是新车型的标志之一，因此汽车的覆盖件模具必须重新设计制造。覆盖件模具具有结构复杂、尺寸大、曲面多、型面光顺度高等特点，因此其加工制造难度较大、成本较高，不容易控制加工质量和周期。模具的加工质量和精度对覆盖件模具特殊的加工工艺也提出了更高的要求。而且加工工艺编制者在经验上存在一定差异，使得工艺编制不够合理、严谨和规范，模具加工质量和效率无法保障［1］。

随着计算机和网络技术的普及，模具制造领域越来越依赖于计算机技术的发展和应用，计算机辅助工艺规划技术 (即CAPP)应运而生。CAPP技术为覆盖件模具的加工制造提供了一个自动化的集成平台，它不仅能够规范加工工艺、缩短设计周期、改善工艺继承性、提高加工质量和效率，而且对增强汽车制造企业的竞争力起着至关重要的作用［1－2］。

以汽车覆盖件拉延模具型面为例，对其加工工艺进行剖析，创建了以PowerMILL 2012大型数控加工软件为平台的覆盖件模具型面数控加工工艺模板，它不仅能够高效加工特定模具，而且对结构相似的模具，通过直接调用或简单修改工艺参数即可生成符合实际生产的加工工艺和程序代码。实践证明:该方法能够规范模具型面加工工艺，提高模具的加工质量和效率。

1 模具型面加工工艺

汽车覆盖件拉延模具型面结构复杂、曲面多、尺寸大、精度要求高，因此覆盖件模具的加工工艺与普通模具的加工工艺相比，两者之间有较大的差异［3］。

覆盖件模具型面加工工艺流程如图1所示。首先将备好的模具坯料在加工中心工作台面上定位、夹紧;选取直径较大的粗铣刀，以“十”字或“井”字型方式对模具型面进行试加工，确保毛坯各部位切削余量均匀;毛坯粗加工时，在型面较浅位置用等距环切轨迹加工，在陡平面处用等高方式切削，快速去除模具毛坯余量;下一步进行粗清角加工，一般采用笔式清角方式，去除毛坯未加工到的角落部位，确保余量均匀;半精加工工序去除多余的毛坯，使型面更加均匀光滑，为精加工做准备;半精清角工序主要是去除半精加工未切削到的残留量;精加工是模具型面加工处理的关键步骤，将决定型面的质量和精度;对于某些型面中曲率半径较小的余量，精清角加工工序也是必需的。

图1 模具型面加工工艺流程

1.1 型面试加工

覆盖件模具型面粗加工时，经常采用分层切削的方式进行，其效率低且成本较高。因此，可以在粗加工之前引入一个划分局部曲面加工的试加工工序。如图2所示，即在X轴或Y轴方向上以200 mm为单位将加工型面区域划分成块，然后在Z轴方向上抬刀20 mm，并试切20 mm宽的刀路，如果局部型面未被加工到，刀具以5 mm为单位下降，再进行试切，直到每个试切点都有加工余量。

图2 试加工型面分区

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径较大，选取的切削深度也较大，并降低主轴转速来进行粗加工。切削步距的大小由铣刀直径来决定，常用的铣刀直径一般在6～50 mm之间，因此切削步距一般设置为0.5～20 mm。切削进给速度要根据加工中心的加工能力、刀具材料和毛坯材质等情况，合理选取较大值，以达到快速除料的目的。

工件毛坯外表粗糙，故应在模具型面以外的区域设置合理的起刀点，避免刀具误切或撞刀。切削加工方式尽量选用顺铣模式，使刀具保持良好的切削状态。走刀方式确定后，由编制的程序给定刀具起刀点位置。

1.3 型面精加工

精加工的切削用量较小、精度较高，刀具尺寸由型面曲率大小来定，一般采用φ16 mm或φ20 mm球头立铣刀双向走刀，起刀点不受限制。加工步距由型面精度要求来选择，一般取0.8 mm，加工余量保持在1 mm以内，精度保证在0.05 mm左右。最后用小直径球头铣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头刀进行精加工，在加工区域会留下一定的加工余量，尤其是一些较浅型面的加工，导致模具型面加工精度降低。于是，精加工后宜采用更小直径 (如φ6 mm)的球头刀对剩余区域进行清根加工，以达到模具型面的加工精度要求。

在实际加工中，覆盖件拉延模具型面的复杂程度、曲率半径等均有所不同，除以上工艺流程外，还可能涉及其他工序，如局部清角加工、分层清角加工、侧面插铣加工和侧面半精加工等。

2 模具型面CAPP开发

在覆盖件模具型面加工工艺研究的基础上，采用PowerMILL 2012加工软件的工艺模板开发平台，根据拉延模具型面特点和加工工艺，制定工艺流程，针对不同的加工部分，选择不同的加工策略，设置合理的加工参数，创建加工程序，完成模具型面CAPP工艺模板的设计。

2.1 创建工艺模板

在PowerMILL 2012环境下指定工艺模板的生成路径，然后对工艺模板进行命名，在加工策略对话框中，即可生成“覆盖件模具型面加工工艺CAPP模板”标签。

2.2 设置加工参数

2.2.1 刀具设置

加工刀具设置参数包括:刀体类型 (如圆锥形刀具和圆柱形刀具)和刀底类型 (如球形刀、圆角刀和平底刀)，具体刀具几何体参数设置主要有:刀具直径、刀具长度、刀具锥角及圆角半径等［4］。

2.2.2 走刀方式

在加工过程中，不论是一个程序还是几个程序才能加工完成的型面，刀具的起点和终点需为同一个位置。进刀点应选择在其受力良好的位置，使切削受力均衡。退刀时应最大限度缩短非切削加工时间，提高数控机床利用效率，可以选择沿加工路径切线、沿加工路径法线、沿Z轴、沿加工路径相切等方式进行进退刀走刀［5］。

2.2.3 切削步距

在模板中，用反映加工精度的工艺参数——残留高度来设置切削间距。如图3所示，其中h是残留高度、d是刀具直径、b是切削步距。在保证加工效率和加工精度的前提下，切削间距尽量选择最小值，依据实际加工经验，残留高度多取0.02 mm［6］。

图3 切削步距与残留高度

2.2.4 进给速度

在工艺模板中，分别设定了切削速度、进刀速度、退刀速度、空刀速度和跨越速度等5种进给速度。切削进给速度根据工件表面的余量值来设定，如果余量较大，切削进给速度应适当降低;跨越进给速度通常设置成切削进给速度的60%左右;进刀速度一般设置为50～200 mm/min;退刀、空走刀速度尽可能选取设备允许的最高值［7］。

2.2.5 主轴转速

实际生产中，主轴转速依据机床能力、刀具形状和材质、工件材料以及加工余量等方面综合设定。覆盖件模具常用铸铁或钢材质，加工型面余量较大时，主轴转速一般选用1 000～4 500 r/min;而如果加工型面余量较小时，主轴转速可以设置到8 000～12 000 r/min，能够很大程度提高型面质量和生产效率。

基于以上加工工艺参数设置，生成模具型面加工工艺流程的加工策略［8－10］。将工艺参数和加工策略保存在“覆盖件模具型面加工工艺CAPP模板”路径下，最后完成“覆盖件模具型面加工工艺CAPP模板”开发，如图4所示。

图4 覆盖件模具型面加工工艺CAPP模板

3 模具型面CAPP应用

将该CAPP工艺模板应用在某汽车大型覆盖件模具型面的加工上，对其进行了实践验证。

依该模板设定的模具型面加工策略设置工艺参数进行切削加工，具体参数设置如表1所示。

表1 加工工艺参数和加工策略表

模具毛坯选用1 000 mm×800 mm×200 mm的铸件。基于加工余量较大的原因，选取球头铣刀先对型面进行试加工;采用交叉等高方式进行粗加工，余量1.0 mm，再对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、精清角加工等步骤，最后生成完整的刀路轨迹和加工程序。在CINCINNATI VMC-1000加工中心上完成了该覆盖件模具型面的实际加工，如图5所示。

图5 模具型面加工效果图

加工结果表明，应用该CAPP加工工艺模板可以快速、合理、规范地设置模具型面的工艺参数和工艺流程，不仅保证了型面加工的质量，而且使工艺规划和数控编程的时间缩减大约20%，大大提高了模具制造效率。

4 结束语

实际生产应用中，由于汽车覆盖件模具种类较多，而且模具型面的形状曲率和加工工艺都不近相同，下一步将对工艺数据库进行补充和完善，将相似型面的加工工艺归类设置，将可视化的开发平台和数控加工软件相结合，开发出功能更加强大的CAPP数控加工工艺模板，合理规划覆盖件模具生产中的各个加工环节，增强数控工艺及加工代码编制的实用性和可靠性，在很大程度上提高汽车覆盖件模具的加工质量与效率，有效提升企业竞争力，促进汽车产业的发展。

［1］冯长林，杨旭静，何洁，等.汽车覆盖件模具数控加工工艺模板开发及应用［J］.制造技术与机床，2008(3):144－146.

［2］卢金火.汽车模具的型面数控加工［J］.模具技术，1998(6):75－81.

［3］杨福增.曲面型腔高速切削加工关键技术研究［J］.长江大学学报(自科版)，2005(4):170－171.

［4］王玉，高崇辉，徐和国.模具型腔数控加工计算机辅助刀具选择研究［J］.计算机集成制造系统——CIMS，2004(2):226－229.

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

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［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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