基于PowerMill 5軸策略的汽車儲物箱動模板加工工藝探討

古瑞興

中山市技師學院（廣東中山 528400）

1 汽車儲物箱結構分析

汽車儲物箱是客戶使用頻率極高的汽車功能零件，其結構復雜，主要結構有：與儀表臺裝配的鉸鏈，與儀表臺鎖扣鎖合的鎖具，限制儲物箱打開范圍的拉板，與面板超聲波振動熔接的加強筋群，以及儲物箱內箱體，如圖1所示。儲物箱的品質好壞，直接影響到用戶體驗，因此必須要保證儲物箱的品質良好。儲物箱的品質主要由其注射模決定，汽車儲物箱的模具3D圖如圖2所示。

圖1 汽車儲物箱

汽車儲物箱模具分定模側和動模側，定模側主體采用整體式結構，動模側采用鑲拼式結構，動模型芯、滑塊都采用鑲塊拼接，動模板是獨立結構，由模架廠采購。

圖2 模具3D圖

2 動模板加工工藝分析

加工工藝的擬定要合理，加工工序的順序要符合加工的工藝要求。擬定的加工工藝應盡可能減少加工工序，有利于工件的裝夾，工件的加工效率提高，以降低制造成本。最主要的是要能保證塑件尺寸精度，保證其成型質量，為市場提供可靠的塑件和良好的用戶體驗。

2.1 模架材料特性

模架材料多采用S50C黃牌鋼，是模具行業最常用的鋼材之一，采用由電平爐或純氧轉爐煉鋼法制造的全靜鋼，具有進行組織均勻的特點。該鋼含碳量≥0.4，耐磨性優良，延展性減少，淬火易變形和開裂，故淬火極為重要，且回火后必須急冷，以避免發生回火脆性。通過施行球化處理，可以改善這類碳鋼的切屑性能。該鋼通常回火到硬度19～22HRC以后使用，以增加其切削性能。在模具行業，黃牌鋼多用來制造模具的模板、拉板、支板、支撐柱、楔緊塊、定位塊等。黃牌鋼與其它的模具鋼材相比，硬度不高，經球化后，具有較佳的切削性能，切屑不易粘刀，不易形成積削瘤。

2.2 動模板加工工藝分析

如圖3所示，動模板的正面有：動模芯藏料框、3個方向的滑塊鑲拼滑動結構、滑塊壓板安裝槽、耐磨板安裝槽、分型面平衡塊安裝槽、頂針孔及各類螺紋孔。動模板背面主要有冷卻水道和彈簧沉孔。動模板側面主要有冷卻水路的工藝孔以及水嘴螺紋孔。動模板外形尺寸比較大：940×850×360mm，因此機床的導軌誤差、定位誤差、重復定位誤差、反向差值等都會對動模板的制造精度產生嚴重的影響。

動模板的正面結構復雜，其中一個滑塊安裝面是斜面，加工完后正面的形狀及其不規則，采用普通機床難以加工，需要采用5軸加工中心加工，加工中心加工完后，動模板正面難以裝夾。因此要先加工背面的冷卻水道和彈簧孔、頂針孔以及側面的冷卻水道。側面的冷卻水道深度接近1,000mm，普通的搖臂鉆一則行程不夠；二則過于深的孔，難以排屑，無法適應加工。因此要采用深孔鉆加工，深孔鉆加工孔精度高，可以達到IT7級，中心線偏離小，效率高，中間不要退刀，一次到位，長徑比大，可達到1：250。頂針孔一般采用普通銑床加工，待這些特征加工完后，再安排加工中心加工工序。

3 數控加工工藝編制

3.1 動模板的定位與裝夾

塑料制品產能高，許多塑件的成型周期都只有幾秒到幾十秒，一分鐘就可以制造數個塑件了。很多情況下，同一類塑件都只開發1副模具，除非產品的訂單量特別大，才有必要開發多副模具。模具加工的夾具一般都采用通用夾具，專用夾具會增加制造成本，同時會延長加工工期。動模板尺寸很大，無法用虎鉗裝夾，也無法用磁臺吸著加工，因此采用通用性和靈活性極強的壓板裝夾，如圖4所示。動模板正面整個區域基本上都要切削到，因此壓板會干涉加工，為避免夾具的干涉與碰撞，必須要分兩次裝夾，首次裝夾時，壓板壓在動模板長邊的中間位置，先把動模板虎口位置加工好，如圖4a所示，待虎口位置加工完后，再把壓板移到虎口位置裝夾，如圖4b所示。移動壓板時，要對角拆裝，亦即先拆掉首次裝夾時對角的兩個壓板，然后移到虎口位置裝夾好后，再拆首次裝夾時剩下的一對壓板，然后把它也移到虎口位置裝夾好。這樣的裝夾可保證工件不會移位，避免因為二次裝夾而帶來的拖表找正及碰數分鐘等輔助勞動，可有效提高工作效率。

圖4 動模板的裝夾

3.2 核心程序編制

5軸加工中心適用于加工一般3軸數控機床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲面 ，如航空發動機和汽輪機的葉片，艦艇用的螺旋推進器，以及許多具有特殊曲面和復雜型腔、斜孔的殼體和模具；或者是由整體材料鏤銑而成的精密儀器、儀表，醫療、運動器械，以及家用、辦公用的電器和兒童玩具等產品的零件。

動模板用來安裝緊固型芯、斜壓板、滑塊等零件，其腔體比較深，底部還有比較細小的R角，一般刀具用3軸數控機床無法加工此類深腔。動模板有一側還有一個傾斜的平面，側抽滑塊就在這個平面內滑動，這個斜面的加工精度及表面光潔度，決定著滑塊能否正常工作以及其使用壽命。若使用3軸數控機床需要多次裝夾才能完成加工，不但浪費了裝夾時間，尺寸精度也不好保證。綜上所述，該動模板適合于用5軸加工中心加工。

3.2.1 3軸粗加工

無論是PowerMill軟件，還是業界所熟知的UG等主流軟件，其粗加工策略里面并沒有真正意義的5軸加工策略，一般都是采用3+2軸加工。3+2軸加工屬于一種定位加工，簡單的說就是先將工件或者刀具旋轉到合適的角度，再進行3軸加工。這種功能可使需多次單獨3軸加工才能完成的零件僅通過一次裝夾即可完成全部加工。它可直接加工零件的底部特征及較刀具最大長度深的零件的側壁，在編程中表現為對用戶坐標系進行定位。使用這種方法加工時，必須對刀具路徑進行合適的切入切出、連接及延伸處理，以避免過切產生。

粗加工的主要目的是快速地去除材料，為后續的精加工做準備，因此粗加工一般采用較大的切削刀具和切削用量。動模板用到的粗加工刀具為直徑φ80mm，刀尖圓角R5mm的刀尖圓角端銑刀。粗加工后，留下的余量要均勻，因此，粗加工時，也要用小刀清角，以免大刀具加工時加工不到的一些拐角的余量過多，給后續的精加工帶來不良影響，粗加工模擬效果如圖5所示。

3.2.2 斜滑塊位置加工

斜滑塊位置需要安裝傾斜的滑塊，滑塊滑動面是一個平面，與模架的主平面成一定的角度，模架材料是黃牌，材料硬度不高，耐磨性能一般，為了增加使用壽命，在滑塊的滑動面還安裝有耐磨板，因此，滑塊滑動面有2個方形槽，用以安裝耐磨板。滑塊滑動時還需要滑動T型槽，在模具設計中，滑塊T型槽普遍采用鑲拼結構，因此動模板還有安裝滑塊壓板的位置。綜上所述，斜滑塊位置適合采用5軸加工中心的定軸加工，也就是3+2軸加工，定軸加工后模型的模擬結果如圖6所示。

圖5 粗加工模擬結果

圖6 斜滑塊位置加工模擬結果

3.2.3 5軸清角粗加工

使用直徑φ80mm，刀尖圓角為R5mm的刀尖圓角端銑刀，經過3軸粗加工后，拐角位置有很多的殘料，必須要進行清角加工。動模板的腔體比較深，用小刀清角時，必須要裝夾得比較長，這樣會導致刀具剛性不好，容易彈刀、斷刀。有些位置的R角非常細小，甚至無法采購到足夠長的刀具。因此，采取5軸清角是較好的解決方案。5軸清角時，主軸頭安裝MST熱縮刀頭來裝夾刀具，MST熱縮式刀柄的原理是利用刀柄（特殊不銹鋼）和刀具（硬質合金）的熱膨脹系數之差，來強力且高精度夾緊刀具的熱裝系統。刀柄材料采用了MST獨自開發的熱膨脹系數很大的熱裝專用特殊不銹鋼，實現了300℃的低溫熱裝。可以對應從高速精加工、到重切削加工之間，銑、鉆、鉸等所有加工。5軸清角加工的模擬效果如圖7所示。

圖7 5軸清角粗加工模擬結果

3.2.4 5軸深腔曲面精加工

塑件分型面是曲面，如圖8a所示，導致模具的主分型面和滑塊分型面都是曲面，動模板滑塊的相應位置也由塑件曲面延伸而來，這使得動模板也存在著復雜的曲面，這些曲面若采用傳統的3軸加工，球刀刀尖處的轉速較低，加工效果不好。采用5軸加工，刀軸可以根據曲面的法線方向設定側傾角和刃傾角，避免了刀尖接觸曲面，加工出來的表面質量會更加完美，5軸深腔曲面精加工后的模擬結果如圖8b所示。

圖8 5軸深腔曲面精加工模擬結果

3.2.5 3軸光刀精加工

粗加工及適當的半精加工后，零件過多的余量已經去除，此時殘留的余量比較均勻，一般留給精加工工序的余量只有幾個絲。可以利用PowerMill軟件強大的平坦面加工策略自動探測平坦面，生成平坦面加工刀具路徑，PowerMill軟件的平坦面加工策略可以分層切削，可以有效解決平坦面余量過多的問題。對于深度不深的側壁，比如耐磨板、墊板的凹槽，可以采用3軸精加工策略里面的等高精加工，加工效率又高，程序編制也簡單可靠，3軸光刀后的模擬結果如圖9所示。

圖9 3軸光刀精加工模擬結果

3.2.6 5軸光刀精加工

對于深腔的側壁、深腔的內拐角以及深腔的細小R角，利用傳統的3軸加工已經無能為力，只能采用5軸加工策略。對于傾斜的平面，用3+2軸加工，加工效率會更高，效果也會更好。采取合理的5軸加工策略，既能夠解決了刀具深處過長的問題，也能有效避免刀具夾頭跟零件的干涉與碰撞。編程時，合理劃分零件的特征，再配以合適的加工邊界，能夠讓5軸刀具路徑更加合理，5軸光刀精加工后的模擬結果如圖10所示。

圖10 5軸光刀精加工模擬結果

3.2.7 密封圈環槽加工

為了使塑件快速冷卻定型以及模具成型時有恒定的模溫來保證塑件的成型品質，一般模具設計時都設計若干組冷卻水路，冷卻水路一般從模架接入，然后從模芯底面流入，在模芯循環一圈后，再從模芯底面回到模架，最終又經模架接出。模架和模芯底面并沒有完全密封，冷卻水會在結合面溢出，為了密封模架和模芯底面的結合面，需要在模架上加工安裝密封圈的環槽，密封圈的線徑在φ1.5～φ3.5mm，因此密封圈環槽的寬度也只是比線徑略大，只能用很小的刀具加工。小刀具不能伸太長，為了加工深腔底部的密封圈，小刀具選用細長型的熱縮刀頭裝夾，如圖11a所示，環槽形狀比較簡單，直接用2D外形加工策略即可加工。密封圈環槽要安裝密封圈，因此表面光潔度要好，不可有毛刺，以免損傷密封圈。

圖11 密封圈環槽加工

3.2.8 中心鉆打點

動模板有緊固型芯的螺紋通孔，有緊固耐磨板的螺紋孔，有緊固滑塊壓板的螺紋孔，還有水路孔，這些孔一般不用加工中心鉆，加工中心鉆孔容易斷鉆頭，因此業界普遍采用普通銑床加工同時普通銑床加工成本更低。而普通銑床鉆孔時，作業員看著尺寸繁雜的工程圖，很有可能會看錯尺寸，因此，在加工中心上把該鉆孔的位置用中心鉆打好點，可以有效避免普通銑床鉆孔位置錯誤。用中心鉆打點的模擬結果如圖12所示。

圖12 中心鉆打點

3.2.9 刀具安全性檢驗

5軸加工中心加工零件時，程序的安全性顯得更加突出。5軸加工時工作臺或者主軸頭會轉動，刀具路徑的進退刀連接容易出錯，刀具、刀具夾頭和主軸頭容易與工件或夾具發生干涉，因此必須要對刀路進行檢驗，以保證加工過程安全、無過切、無碰撞。VERICUT是一個出色的數控加工仿真系統，可以直接驗證編程軟件后處理出來的NC程序，通過VERICUT驗證的程序，可以保證其準確性，同時還能進行NC程序優化，縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤。經過VERICUT驗證的NC程序，就可以放心地進行加工了。

3.3 零件核心程序的加工工序及刀具選擇

零件的核心加工工序及刀具選擇如表1所示。

4 結束語

模架是一副模具的骨架，它將模具的各類零件組合在一起，成為一套具有特殊功能的工具，模架的重要性是不言而喻的，模架的品質，決定著整副模具的品質。為了保證模架的品質，所采用的工藝從以下幾個方面進行了闡述。

表1 工件加工工序內容及加工參數

（1）從模架的材料S50C黃牌鋼的特性入手，把握黃牌鋼的切削性能及使用時的注意事項。

（2）全面分析了動模板的結構特征，通過對動模板的進行充分、全面的工藝分析，選用5軸加工中心作為加工設備，5軸加工中心可以一次裝夾完成工件的加工，簡化了加工工序。

（4）對斜滑塊平面采用定軸加工，對深腔曲面采用5軸等高精加工，可以有效解決傾斜平面以及深腔曲面的加工難題，提高了工作效率。

（5）為了降低成本，工件選用通用夾具裝夾，通用夾具通用性強，能保證工件裝夾和定位的可靠性及精度。