模具的型芯和型腔往往具有各種自由曲面，非常適合在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工。數(shù)控加工的工藝與普通加工工藝有較大區(qū)別。本文結(jié)合兒童產(chǎn)品裝飾物的模具型芯的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)，分析和總結(jié)了模具數(shù)控加工的工藝特點(diǎn)，為模具的數(shù)控工藝設(shè)計(jì)提供了借鑒。
數(shù)控加工工藝是指采用數(shù)控機(jī)床加工零件時，所運(yùn)用各種方法和技術(shù)手段的總和，應(yīng)用于整個數(shù)控加工工藝過程。由于數(shù)控加工具有加工效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、對工人技術(shù)要求相對較低、一次裝夾可以完成復(fù)雜曲面的加工等特點(diǎn)，所以，數(shù)控加工在模具制造行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，地位也越來越重要。數(shù)控工藝設(shè)計(jì)的好壞將直接影響數(shù)控加工尺寸的尺寸精度和表面質(zhì)量、加工時間的長短、材料和人工的耗費(fèi)，甚至直接影響加工的安全性。下面通過實(shí)例對典型模具成型零件的數(shù)控加工工藝進(jìn)行分析。
一、產(chǎn)品分析
本文舉例的產(chǎn)品為一款兒童產(chǎn)品的裝飾物，材料為ABS。由該產(chǎn)品圖(圖1)可以看出，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡單，表面平整，側(cè)面有半圓孔，頂部有多個圓孔。由于該產(chǎn)品是裝飾品，不屬于精密的結(jié)構(gòu)件，故產(chǎn)品的外觀質(zhì)量要求較高，尺寸公差要求不嚴(yán)格。
二、成型零件結(jié)構(gòu)與分析
在獲得產(chǎn)品的實(shí)體造型或者工程圖后，其模具可以使用Pro/ENGINEER、NX或者M(jìn)asterCAM中的CAD功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來的模具型芯如圖2所示。
該模具型芯具有以下特點(diǎn)：
(1)型芯毛坯尺寸為200×170×65mm，加工后尺寸為160.8×126.6×35.8mm，材料為S136鋼。
(2)型芯膠位高度為35.8mm，橢圓面與三角形面相交的位置圓角偏小，只有R1mm。這些位置用銑刀直接加工的話難度較大，可以利用放電加工達(dá)到要求。
由于產(chǎn)品的尺寸公差要求不高，所以可以對該型芯直接使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工。
三、工藝分析
數(shù)控加工工藝與傳統(tǒng)的加工工藝是有一定區(qū)別的。由于數(shù)控機(jī)床大多都不具備工藝處理能力，加工過程的每一細(xì)節(jié)都必須預(yù)先確定，加工按照編好的程序自動完成，因此, 必須在編程前對加工工藝做詳細(xì)的分析，并設(shè)計(jì)好相應(yīng)的加工工序。
1.工藝基準(zhǔn)選擇
數(shù)控加工多采用工序集中原則進(jìn)行加工，因此，在選擇工藝基準(zhǔn)時，應(yīng)盡可能選擇合適的基準(zhǔn)要素，減少裝夾次數(shù)，提高加工效率和加工精度;同時，選擇定位基準(zhǔn)時，需參照圖紙的要求，使工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，減少因基準(zhǔn)不重合帶來的誤差。
本例中，工件毛坯是經(jīng)過磨削加工的長方體坯料，平行度、垂直度和尺寸精度都已得到保證，因此，可以選用長寬兩方向相對面作為水平方向(XY方向)的基準(zhǔn);選用底面作為高度方向(Z方向)的基準(zhǔn)。同時在機(jī)床上找一對刀基準(zhǔn)，以保證換刀后仍然可以準(zhǔn)確地找到編程的高度基準(zhǔn)，即工件坐標(biāo)系的Z0點(diǎn)。這些基準(zhǔn)面在數(shù)控加工過程中不再加工，作為加工基準(zhǔn)可以保證基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和前后的統(tǒng)一性。
2.裝夾方式的選擇
銑削加工時，工件的裝夾方式一般有采用壓板加螺栓裝夾、使用機(jī)用平口鉗裝夾和使用專用夾具裝夾等形式。模具型芯屬于單件訂單生產(chǎn)，一般不使用專用夾具;本模具型芯的尺寸為200×170×65mm，屬于小型工件，因此，選擇用機(jī)用平口鉗進(jìn)行裝夾。
采用機(jī)用平口鉗裝夾時，要考慮到型芯的高度為35.8mm，因此，裝夾后毛坯頂面離平口鉗鉗口的高度應(yīng)大于35.8mm，底面可用等高墊鐵墊起。
3.加工順序安排
在數(shù)控機(jī)床上加工的零件，一般按照工序集中的原則劃分工序，即每道工序應(yīng)包括盡可能多的加工內(nèi)容。工序劃分方法有按所用的刀具劃分、按安裝次數(shù)劃分、按粗精加工劃分或按加工部位劃分等。本例為模具型芯，屬于單件生產(chǎn)，故在安排加工順序時以工序集中為原則，以減少換刀次數(shù)，提高加工效率。
加工順序安排得是否合理，直接影響著加工質(zhì)量，加工效率和加工成本。在選擇加工順序時，要根據(jù)毛坯情況和零件結(jié)構(gòu)，結(jié)合零件的定位基準(zhǔn)和裝夾方法，重點(diǎn)需考慮保證工件在加工過程中的剛性不受破壞，減少變形，保證加工質(zhì)量。
本模具型芯的毛坯料為長方體，制品分型面加工切削量較大，必須先進(jìn)行粗加工，然后再經(jīng)過半精加工和精加工完成。加工完分型面后，再按順序精加工頂面、碰穿面和膠位。
4.刀具選用
刀具的選擇是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容之一。加工刀具不僅影響機(jī)床的加工效率，而且直接影響零件的加工質(zhì)量。由于數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速及范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)床，而且主軸輸出功率較大，因此與傳統(tǒng)加工方法相比，對數(shù)控加工刀具提出了更高的要求，要求其具有精度高、強(qiáng)度大、剛性好和耐用度高等特點(diǎn)，而且要求尺寸穩(wěn)定，安裝調(diào)整方便。數(shù)控刀具是提高加工效率的先決條件之一，它的選用取決于被加工零件的幾何形狀、材料狀態(tài)、夾具和機(jī)床選用刀具的剛性。
本模具型芯的材料為S136鋼，硬度大概為220HB左右;毛坯裝夾采用平口鉗，提供了足夠的剛性。因此，本型芯的加工選用硬質(zhì)合金銑刀，刀具參數(shù)如下：
(1)直徑30mm，半徑為5mm的圓鼻刀;
(2)直徑16mm，半徑0.5mm的圓鼻刀;
(3)半徑為5mm的球頭刀;
(4)直徑為8mm的平底立銑刀。
四、基于MaterCAM的數(shù)控加工工藝過程
MaterCAM軟件是基于PC平臺的CAD/CAM系統(tǒng)，由于它對硬件要求不高，并且操作靈活、易學(xué)易用，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、模具制造、汽車工業(yè)和航天工業(yè)等領(lǐng)域，具有二維幾何圖形設(shè)計(jì)、三維曲面設(shè)計(jì)、刀具路徑模擬和加工實(shí)體模擬等功能。本例利用MasterCAM 9.1進(jìn)行刀具路徑編制。其加工順序如表1所示。
上述加工步驟經(jīng)過實(shí)際加工的驗(yàn)證，證明加工效果良好，尺寸精度和表面加工質(zhì)量符合圖紙的要求。
五、分析與小結(jié)
(1)數(shù)控機(jī)床在加工具有復(fù)雜曲面的模具成型零件中具有明顯的優(yōu)勢，只要工藝設(shè)計(jì)合理，可以完成80%以上的加工量。
(2)模具的數(shù)控加工一般為單件小批生產(chǎn)，故通常使用通用夾具進(jìn)行裝夾，并且多為一次裝夾完成多個工序的加工，因此，在工藝設(shè)計(jì)時，應(yīng)采用工序集中原則，讓工序盡量集中，同時，盡量減少換刀次數(shù)，以減少待機(jī)時間，提高機(jī)床利用率。
(3)模具成型零件一般可以通過粗加工→半精加工→精加工三個工序完成。在工藝設(shè)計(jì)時，必須注意定位基準(zhǔn)的選擇，盡量保證定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的重合，減少因基準(zhǔn)不統(tǒng)一帶來的誤差。同時，定位基準(zhǔn)的選擇應(yīng)該使工件坐標(biāo)系的設(shè)置變得簡單。
(4)選擇刀具時，應(yīng)根據(jù)機(jī)床、工件材料和設(shè)計(jì)要求等諸多因素進(jìn)行綜合考慮。刀具參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)刀具廠商提高的參數(shù)為基準(zhǔn)，同時根據(jù)加工條件進(jìn)行相應(yīng)的修改，以盡量發(fā)揮刀具的潛能。保證刀具與工件不發(fā)生干涉的前提下，盡量縮短裝刀長度，以減少刀具振動，延長刀具壽命，提高加工精度。