基于CAD/CAM模具高速銑削加工表面質量控制分析

胡相斌

(蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

模具零件的工作性能如耐磨性、抗腐蝕性及強度等，在很大程度上受其表面質量的影響，模具零件表面質量越高，其壽命也越長，由此生產出的產品質量也就越好，因此通常對模具加工質量提出了較高的要求，尤其是表面質量要求更高。另外，產品研發周期縮短，個性化定制越來越普遍，這就要求模具加工有較高的效率及較低的成本。為此在模具制造方面，尋求一種既能提高模具加工質量又能高效低成本完成模具加工的方法顯得尤為重要。

1 模具加工方法

目前電火花成型及數控銑削加工是模具型腔、型芯加工常用的方法。盡管電火花加工模具結構成型較好，但這種加工方法存在加工效率低、電極損大、模具精度受制于電極損耗不穩定、加工成本高等問題，限制了其應用。隨著裝備制造技術的發展，尤其是隨著CAD/CAM技術的廣泛應用、刀具材料技術及高速銑削技術的發展，高速銑削在模具加工中的應用越來越普遍。

2 模具高速銑削加工

隨著消費類產品更新換代速度的加快，模具技術也在不斷地發展，對模具的生產效率和制造品質提出了越來越高的要求。高轉速、大進給高速加工是模具加工的發展方向[1]，國外高速加工機床主軸轉速已達到20 000 r/min～100 000 r/min，進給速度可達10 000 mm/min～60 000 mm/min。型腔和模具零部件粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，高速銑削在模具加工中已顯示出了極大的優越性，盡管模具表面要進行一系列的后期處理，但初期銑削加工質量的控制對于提高模具加工質量、減少后期表面處理工作量及降低模具制造成本具有重要意義。

2.1 模具高速銑削加工過程

模具銑削典型的加工順序為過程鏈CAD-CAM-CNC[2]，如圖1所示。針對這一過程鏈，西門子提供了從CAD系統到SINUMERIK控制系統的一體化解決方案，大大簡化了模具制造過程中的智能化應用，既提高了產品質量，又提高了生產效率。

圖1 模具銑削加工過程鏈

2.2 模具高速銑削加工存在的問題

通常模具材料的強度和硬度都很高，一方面傳統銑削加工中常常采用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過程中容易發生顫振[3]；另一方面，模具高速銑削按照過程鏈CAD-CAM-后置處理程序-CNC在進行三維幾何圖形(任意表面)加工時，用于模具零件任意表面加工的NC程序從CAM系統中生成，CAM系統從CAD系統中獲得工件表面的幾何數據，CNC機床將生成的NC數據進行處理并轉換成坐標軸的運動，實現模具表面的加工。在這一過程中因加工面幾何數據源于CAD系統，所設計的幾何面有時因產品結構要求，傾斜角度變化較大，如圖2所示，CAD幾何模型中①為設計角度較大的面。為了能夠進行CNC多面銑削與碰撞檢測，一般CAM系統會基于CAD中的模型面生成一個多面體(如圖3所示)，即光滑的輪廓面被分割成若干小平面②，這樣會與原始形狀產生偏差。

另外，曲面銑削加工本就是一種近似加工，會造成模具表面質量下降及加工效率低的問題。CAM編程器生成的刀具軌跡位于該多面體上，后置處理程序由此在預設的容差范圍內生成NC程序段。通常會按照軌跡指令G1X-Y-Z-生成若干小的直線段(如圖4中軌跡線③)，因此加工結果將不再是曲面，而是由很多小平面構成的一個多面體，多面體的各個面都會出現在表面上，若精度控制不當將導致不必要的返工。

圖2 CAD幾何模型 圖3 模型面分割

其中最主要的問題是插補過程中在程序段過渡時會導致加工軸速度跳轉(進給速度與加速度的突變)，引起機床共振，從而在加工表面出現磨紋①或振動影響②，如圖5所示。

圖4 CAM系統生成直線軌跡 圖5 加工面缺陷

2.3 模具銑削表面質量控制方法

為了提高模具表面加工質量，采用SINUMERIK系統提供的COMPCAD/COMPSURF壓縮功能(如表1所示)，以解決模具高速銑削中存在的以上問題。

表1 SINUMERIK系統壓縮指令

壓縮指令的軌跡轉化如圖6所示。COMPCAD壓縮器根據所預設的公差帶①按照NC指令②的順

序，將CAM軟件生成的G01線段轉換為直接由控制系統執行的樣條曲線③，即將CAM系統生成的軌跡轉化為一個新的輪廓，其輪廓走向在允許的公差范圍內，這樣壓縮功能生成的程序就能有效減少程序段過渡時的速度跳轉與機床共振現象，形成平滑的、曲率穩定的樣條軌跡(如圖7所示)，從而使機床以均勻的速度和加速度運行，實現高速銑削加工，提高模具表面加工質量，提高生產效率。實際加工中在循環指令CYCLE832中調用壓縮程序，通過保持穩定的程序段過渡和提高每程序段的軌跡長度來達到最佳的表面質量和加工速度。

圖6 壓縮指令的軌跡轉化

圖7 壓縮指令生成樣條軌跡

3 結語

模具高速銑削加工已成為模具加工的主要方法，尤其是基于CAD/CAM/CNC過程鏈的模具高速銑削加工得到廣泛的應用，在這一過程鏈中，借助數控系統提供的一些特殊功能指令，實現刀具軌跡的平滑、連續，避免進給速度及加速度的突變，可以很好地控制模具加工表面質量，減少后期返工，提高模具生成效率，適應消費類產品快速更新換代趨勢，促進我國制造業向高端邁進。