近年来,我国汽车工业快速发展,汽车制造企业 之间的竞争也曰益激烈,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_,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,_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。
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}"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,_般采用%16 mm或%20 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1mm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%6 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一残留 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 mm6。
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 —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,能够很大程度提咼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。
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。
加工工艺参数和加工策略表
加工工艺参数
加工工 艺流程 |
加工方式 |
刀具 |
主轴转速/
(r • min "1) |
进给速率/
(mm • min"1) |
切削步
距 /mm |
加工余
量/mm |
加工精
度 /mm |
型面试加工 |
参考线段投影加工 |
%50球刀 |
1 000 |
1 500 |
— |
由毛坯余量而定 |
0. 1 |
粗加工 |
交叉等高精加工 |
%50球刀 |
1 500 |
1 800 |
8 |
1. 0 |
0. 1 |
粗清角 |
自动清角精加工 |
%50球刀 |
1 800 |
2 000 |
— |
1. 0 |
0. 1 |
半精加工 |
三维偏置精加工 |
%50球刀 |
2 000 |
2 000 |
3 |
0. 3 |
0. 05 |
半精清角 |
自动清角精加工 |
%25球刀 |
2 500 |
2 500 |
— |
0. 25 |
0. 03 |
精加工 |
三维偏置精加工 |
%25球刀 |
4 500 |
4 200 |
0.6 |
0 |
0. 02 |
精清角一 |
自动清角精加工 |
%20球刀 |
2 500 |
3 500 |
— |
0 |
0. 01 |
精清角二 |
自动清角精加工 |
%10球刀 |
2 500 |
3 500 |
— |
0 |
0. 01 |
精清角三 |
自动清角精加工 |
%6球刀 |
2 500 |
3 000 |
— |
0 |
0. 01 |
模具毛还选用1 000 mm X 800 mm X 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 1.0mm,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 CINQNNATI VMC4000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。
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。
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