结合Cimatron软件加工压铸模具异形镶件

赵学庆　王帅

通过对压铸模具中的异形镶件归类，针对不同类型的镶件进行工艺分析，结合Cimatron软件，由简单到复杂，为CAM技术人员编制镶件加工程序勾画了一个通用的工艺思路。通过灵活设计工艺端，不仅为高速铣削加工提供了稳定的装夹方式与加工基准，也为三坐标检测提供了方便的测量条件，是形状复杂异形镶件加工中一种简捷有效的加工方法。

一、引言

压铸模具中的异型镶件通常为孤立的薄筋、均匀铸件壁厚设计的工艺部分或复杂易损的成型部位，其形状多种多样，为区别标准的圆形（PIN）或矩形的镶件（镶块），特称为异形镶件。依据装配的形式不同，镶件大体可分为两种类型：盲腔型镶件和通腔型镶件。

盲腔镶件指的是镶件在型腔的镶嵌槽是盲腔，没有穿透型腔，需要依靠配合段定位并配合穿腔螺栓固定的镶件。通腔镶件指的是镶件穿透型腔，通过配合段定位，依靠型腔与镶件底座固定端的压实来固定的镶件。

二、异形镶件加工的工艺特点

可根据异形镶件的结构特点决定镶件的加工工艺。镶件成型部位的公差范围多在0～+0.05mm（单面）之间。平缓开阔的形状可以使用高速加工的方法直接成型加工；有深筋、窄槽和狭长等难以加工特征的部件，可采用电加工的方式成型加工。

镶嵌配合部位的公差范围在0～-0.02mm（单面）之间，是镶件加工中要求最高的部位。若采用机加工完成，要考虑到刀具磨损造成镶件侧壁余量不均而超差。若条件允许，可以采用线切割完成配合部位的加工，这样可以保证配合段的上下一致性，提高镶件配合部位加工的准确率。

底座固定部位的外形公差范围在0～-0.2mm之间，无光洁度要求，可以采用线切割与机加工两种方式完成；底座的高度尺寸公差在0～+0.02mm之间，在装配中起到限定高度的作用，有较高要求，在机加工中要特别注意。高长异形镶件的配合段与底座固定端也常有使用线切割来做电加工的工艺安排。高速加工的效率很高，而电加工的过程长、成本高，因此尽可能的创造条件将可加工的部位高速加工完成，机加工难以完成的部位再采用电加工完成。这是镶件加工的基本工艺思路。

在加工过程中，不需要刻意避免电加工。对镶件中的深筋、沟槽等特殊部位，电加工的效率明显高于NC加工，电极的设计制作技巧也是提高加工效率的重要手段。

三、编程心思路与加工方法示例

1.盲腔型镶件

盲腔型镶件在结构上分成两部分：成型部位，镶嵌配合部位。在配合端的底面有螺栓孔，可将镶件固定在型腔中。

（1）示例1：标准盲腔型镶件，如图1所示。

标准盲腔镶件的成型部位与镶嵌配合部位有平面联接，两部位可以分别使用层切削的方式加工，设置不同的刀具直径补偿值可满足不同的尺寸精度要求。平面部分的高度尺寸有严格要求，加工时要保证公差范围。

使用CimatronE软件编程，标准盲腔镶件是典型的符合凸型件特征的部件，在编程过程中使用层切削的方式做垂直区域的粗加工与半精加工，使用曲面铣削（环绕铣削或平行铣削）的方式加工曲面，清根铣的方式清理空间的凹形圆角，最后使用精铣水平区域的方式保证模型中平面部分的高度公差。

（2）示例2：复杂形状方形盲腔镶件，如图2所示。

镶件的成型部位沟槽纵横，形状复杂。制作石墨电极，采用电极电加工的方式完成正面精加工。镶嵌配合部位的尺寸范围小于正面的成型部位，在加工背面的时候，同样要注意配合段的高度公差。

電极的提取方式在CimatronE中有独特的快捷方法，会做专文讲解石墨电极的提取方法与使用技巧。

由于使用电极电加工作为成型部位的精加工方式，因此在编程过程中成型部位只需要做到半精加工即可。沟槽不做程序加工，则此件就简化成为了一个简单的方形凸型件。粗加工使用环绕切削3D的方式，再使用层切削的方式做一个半精加工即可。

在镶件热处理期间，进行电极制作。使用三维摇动的电火花机床，电加工粗放电与精放电的时间约在15小时左右。

（3）示例3：复杂形状圆形盲腔镶件，如图3所示。

圆形镶件的成型段与镶嵌配合端在分型线处联接，加工后分型线轮廓一定要清晰，可以避免压铸过程中铝液渗入配合缝隙造成铸件产生毛刺。

为保证分型线的轮廓清晰，要将成型部位与分型线相联接的曲面沿着拔模角度向下延伸3mm左右，称为裙面。编程时沿着裙面加工2mm。由于成型部位的公差在0～+0.05mm，镶嵌配合段的公差在0～-0.02mm，因此在线切割切除配合段余料后，分型线会清晰显现，而且会上移1mm左右，这正是镶件分型线在装配过程中需要的调整高度。

为了线切割加工镶件镶嵌部位而使用方形毛坯，预留出20mm以上的线切割工艺夹持部分；成型部位采用3D环绕切削的方式粗加工，热处理后电极电加工完成；配合段采用慢走丝线切割加工完成是非常稳妥的方法。

编程时对分型线处的曲面进行延伸的方法，在镶件加工中是简单、有效且实用的技巧。以下示例中分型线处的处理方法类同。

（4）示例4：高长的盲腔镶件，如图4所示。

此类镶件数量在压铸模具镶件中占较大比例。高长度的镶件外形相对简单平滑，长度与径向尺寸的比例较大，比较适合NC加工完成。

在加工中，不仅要考虑精加工刀具的长度是否满足加工高度要求，还要考虑因刀具长、工件高而引起的刀具与工件的震颤。震颤会导致刀具磨损加速，引起尺寸偏差、光洁度下降，因此，缩短刀具长度，增加工件强度是NC加工此类型镶件的关键。底端的镶嵌配合部分依然采用线切割的方式去除。

如图5所示，为提高镶件夹持强度，在底部增加了30mm的夹持段，这样夹持部位增加到50mm，可以有效增强虎钳夹持的稳定性。成型段NC加工结束后，先水平放置线切割切掉30mm这部分夹持段，再垂直放置切除镶嵌配合段。切割后的效果如图6所示。

（5）示例5：扁平盲腔镶件，如图7所示。

扁平类型的镶件中有较多的圆弧形状凹槽。若采用与高长度类型镶件类似的加工方法，则较长的刀具产生的尺寸偏差在凹圆弧部位就会放大，会给装配带来较大的工作量。为避免此种情况，可以选择工件平躺方式的加工。

镶嵌配合段也可以在平躺加工中完成，做好裙面辅助面，同样会加工出清晰的分型线轮廓。在底端与角部空白处合理设计装夹工艺端，可以有效装夹平躺式的加工部件。角部工艺端与成型部位的联接固定厚度在5mm内，NC加工最后阶段采用层切削的方式切除。扁平镶件工艺端设计如图8所示。

由于刀具缩短，刀具与工件的强度显著提高，因此平躺式加工效果明显优于立式加工效果。

加工方法采用最基本的3D环绕切削与层切削的方式做粗加工。为提高热处理后的精加工精度，在热处理前增加一个曲面铣削（平行铣削）做半精加工，为热处理后的精加工留有均匀的余量。镶件底部的水孔、螺栓孔等要在工艺端做出避空的孔，在热处理前完成孔加工的各项工作。粗加工热处理后的状态如图9所示。

精加工的过程如图10所示。压板压住夹持工艺端，镶件靠实机床床面，稳定有力。加工后的效果图如图11所示。

精加工结束后，线切割切除底部工艺端，完成加工。成品如图12所示。（6）示例6：高长扁平盲腔镶件，如图13所示。

高长扁平类型镶件兼具高长类型与扁平类型镶件的特点，因此平躺式加工依然是此类镶件的优选加工方式。

将成型段的顶部与镶嵌配合段的底部沿着形状向外自然或水平延伸1.5倍刀具直径的距离，可以在机加工中很好地处理线切割衔接部位的毛坯残留问题。在延伸工艺端之外再做装夹工艺端，即可完成两个部位正面与背面的加工。对特长的镶件，还可以在成型段中部添加支撑段，在精加工的最后阶段加工去除支撑段。工艺端设计效果如图14所示。

编程加工的方式与扁平镶件相同。NC加工后，经三坐标检测尺寸合格，再线切割切除工艺端。如有偏差，依然可以再次装夹加工修复。加工后的状态如图15所示。

（7）示例7：较大型镶件的变形控制。

四缸体模具的缸套镶件，是较大型的压铸模具盲腔镶件，尺寸与技术要求如图16与图17所示。

加工变形量的控制是这类大型镶件加工的关键。保证镶嵌配合段的强度是控制变形量的重点。

制定细致的工艺才能确保加工环节的可控。制定规范的工艺表格应成为工艺人员的工作习惯。四缸体模具镶件的工艺单如图18所示。

方型配合段工艺端可以保证找寻基准的准确性，同时会降低缸套侧壁的加工震颤，约束住镶件的加工变形量。如图19所示。

在制定了工艺端的方案之后，缸套镶件就简化成为具有明显凸、凹形状特征的模型。依据CimatronE软件所提共的粗加工、半精加工和精加工的方法，即可顺利完成程序的编制工作。加工单如图20所示，仅供参考。

装夹的方式可以参考图21的模式。准备工作充足，是加工顺利进行的有效保证。

由于工艺端部位厚度达到135mm，线切割的时间接近90小时。机加工时在工艺端上做出穿丝孔，可以规避切割应力导致镶件变形。在线切割机床上的加工时间长，切屑的电腐蚀会导致镶件表面产生腐蚀斑点，可涂专用防护油脂做好防护。切割后状态如图22所示。

线切割的成本虽然较高，但准确性、精度要高于机加工。对于高成本的模具部件而言，确保成功完成是加工的主要目标。三坐标检测的数据如图23及图24所示，镶件配合部位与成型部位很好地结合，满足了公差尺寸的要求。

由此可见，稳妥的工艺安排，简洁流畅的程序加工，结合精心细致的安排调整，是加工高标准部件成功的必要条件。

通过对上述几种盲腔型镶件的分析可以看出，提高镶件在加工过程中的强度是获得高质量加工效果的前提，而在加工工艺中设计适合的工艺夹持部分是增加镶件强度的有效方法。

CimatronE软件为高品质部件加工提供的有效CAD工具，可以把模具专业技术人员的加工思想有效地融入CAM过程中，是一款应手的专业软件工具。

2.通腔型镶件

通腔型镶件在结构上分为三部分：成型部位，镶嵌配合部位，底座固定部位。通腔型镶件比盲腔型镶件多出了镶件底座固定部位，适合于模具中窄长类型不便于使用螺栓固定的镶件设计。

（1）示例1：标准通腔镶件，如图25所示。

成型部位的加工与盲腔型镶件相同，采用高速切削的方式加工完成。

鑲嵌配合段部位由于有固定端底座平面的阻挡，不能采用线切割方式加工。但配合段的精度要求同样严格，也会遇到刀具加工对凹槽部位加工不到位的现象。可以设计放电电极，使用电加工方式加工配合段，能够精确控制配合段尺寸公差与底面固定端的高度公差。底座固定部位采用NC加工或者线切割加工。

（2）示例2：高长通腔镶件，如图26所示。

高长的通腔型镶件，底座固定端的形状多是根据配合段的形状顺势设计而成，NC加工时需要特殊工艺安排。

平躺加工是高长类型镶件的较合理的加工方式。根据镶件具体的形状，灵活运用镶件上尚未加工的毛坯材料作为夹持部分。加工的最后环节，是使用线切割切除工艺夹持部分。

图26所示的镶件为例，NC精加工需要三次装夹（底面钻孔除外）。第一次加工顶端成型面及25mm长度的配合段；第二次装夹加工直边侧壁的配合段；第三次装夹加工曲面一侧的配合段及底座固定端。

为了给第三次装夹加工做好准备，要在做毛坯尺寸的时候考虑到预留的装夹工艺端部分。在配合段的一侧直边上，有短小的固定端，将此部位增高、延长，做成可以足够支撑强度的工艺端，如图30所示，可谓“无中生有”。

图27中圈示出的多余毛坯就是为第三次装夹做的工艺准备。同样，图中所示的裙面，是沿着成型段拔模斜度向下延伸做成的曲面，长度为3mm。CAM编程时，成型段与裙面做一个层切削加工，配合段与垂直向上延伸的辅助面（1mm）可再做一个层切削加工，两个程序加工余量设置为不同值，可保证分型线的清晰准确。如此，编程过程虽略显繁杂，但思路清晰，目的明确，方法简洁，NC加工中刀路轨迹流畅，正是加工技巧的有效体现。加工轨迹如图28所示。

正面成型部分粗加工，背面水孔加工到位后，真空炉热处理（HRC47±1°），余下部分待精磨后NC加工。

第一次装夹精加工的效果如图29所示。较长的夹持部位有效保证了工件的稳定。

第二次装夹加工是在镶嵌配合段的避空部分加工，应保证此段配合部位“缺肉”，单面余量一般在-0.2～-0.5之间。夹持工艺端的设计与加工效果如图30与图31所示。

第三次装夹夹持工艺端，加工曲面一侧的配合段与底座固定部位。采用CimatronE的清根功能来实现，可以很好地完成编程加工。铣削的过程与加工效果如图32与图33所示。

清角结束以后，夹持方形的工艺端，线切割切落镶件，完成镶件加工。线切割加工后的效果如图34所示。

高长异形镶件符合“有去无回”的类型，基准在加工过程中逐步被铣削去除，因此只能单向成功，不可返修。

四、结语

通过对压铸模具中盲腔型镶件与通腔型镶件的分析，我们可以看出，装夹工艺端的设计在复杂异形镶件加工中起到非常重要的作用。灵活设计装夹工艺端，可提高工件装夹强度与工件稳定性。工艺端的设计要遵循易于装夹、易于找寻基准的原则。在此基础上，结合软件的CAD/CAM功能，通过明确的加工策略、简练的加工方法、规范的编程操作，一定会将CAM技术人员的工艺思想转化为现实。