基于CAD/CAM模具高速銑削加工表面質(zhì)量控制分析

胡相斌

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)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(qiáng)度等，在很大程度上受其表面質(zhì)量的影響，模具零件表面質(zhì)量越高，其壽命也越長(zhǎng)，由此生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量也就越好，因此通常對(duì)模具加工質(zhì)量提出了較高的要求，尤其是表面質(zhì)量要求更高。另外，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短，個(gè)性化定制越來(lái)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(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)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(wěn)定、加工成本高等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用。隨著裝備制造技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著CAD/CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用、刀具材料技術(shù)及高速銑削技術(shù)的發(fā)展，高速銑削在模具加工中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

2 模具高速銑削加工

隨著消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，模具技術(shù)也在不斷地發(fā)展，對(duì)模具的生產(chǎn)效率和制造品質(zhì)提出了越來(lái)越高的要求。高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給高速加工是模具加工的發(fā)展方向[1]，國(guó)外高速加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到20 000 r/min～100 000 r/min，進(jìn)給速度可達(dá)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(yōu)越性，盡管模具表面要進(jìn)行一系列的后期處理，但初期銑削加工質(zhì)量的控制對(duì)于提高模具加工質(zhì)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(guò)程

模具銑削典型的加工順序?yàn)檫^(guò)程鏈CAD-CAM-CNC[2]，如圖1所示。針對(duì)這一過(guò)程鏈，西門(mén)子提供了從CAD系統(tǒng)到SINUMERIK控制系統(tǒng)的一體化解決方案，大大簡(jiǎn)化了模具制造過(guò)程中的智能化應(yīng)用，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)效率。

圖1 模具銑削加工過(guò)程鏈

2.2 模具高速銑削加工存在的問(wèn)題

通常模具材料的強(qiáng)度和硬度都很高，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)銑削加工中常常采用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過(guò)程中容易發(fā)生顫振[3]；另一方面，模具高速銑削按照過(guò)程鏈CAD-CAM-后置處理程序-CNC在進(jìn)行三維幾何圖形(任意表面)加工時(shí)，用于模具零件任意表面加工的NC程序從CAM系統(tǒng)中生成，CAM系統(tǒng)從CAD系統(tǒng)中獲得工件表面的幾何數(shù)據(jù)，CNC機(jī)床將生成的NC數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模具表面的加工。在這一過(guò)程中因加工面幾何數(shù)據(jù)源于CAD系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的幾何面有時(shí)因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求，傾斜角度變化較大，如圖2所示，CAD幾何模型中①為設(shè)計(jì)角度較大的面。為了能夠進(jìn)行CNC多面銑削與碰撞檢測(cè)，一般CAM系統(tǒng)會(huì)基于CAD中的模型面生成一個(gè)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(huì)與原始形狀產(chǎn)生偏差。

另外，曲面銑削加工本就是一種近似加工，會(huì)造成模具表面質(zhì)量下降及加工效率低的問(wèn)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(yù)設(shè)的容差范圍內(nèi)生成NC程序段。通常會(huì)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(jié)果將不再是曲面，而是由很多小平面構(gòu)成的一個(gè)多面體，多面體的各個(gè)面都會(huì)出現(xiàn)在表面上，若精度控制不當(dāng)將導(dǎo)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(wèn)題是插補(bǔ)過(guò)程中在程序段過(guò)渡時(shí)會(huì)導(dǎo)致加工軸速度跳轉(zhuǎn)(進(jìn)給速度與加速度的突變)，引起機(jī)床共振，從而在加工表面出現(xiàn)磨紋①或振動(dòng)影響②，如圖5所示。

圖4 CAM系統(tǒng)生成直線軌跡 圖5 加工面缺陷

2.3 模具銑削表面質(zhì)量控制方法

為了提高模具表面加工質(zhì)量，采用SINUMERIK系統(tǒng)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(wèn)題。

表1 SINUMERIK系統(tǒng)壓縮指令

壓縮指令的軌跡轉(zhuǎn)化如圖6所示。COMPCAD壓縮器根據(jù)所預(yù)設(shè)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(zhuǎn)換為直接由控制系統(tǒng)執(zhí)行的樣條曲線③，即將CAM系統(tǒng)生成的軌跡轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的輪廓，其輪廓走向在允許的公差范圍內(nèi)，這樣壓縮功能生成的程序就能有效減少程序段過(guò)渡時(shí)的速度跳轉(zhuǎn)與機(jī)床共振現(xiàn)象，形成平滑的、曲率穩(wěn)定的樣條軌跡(如圖7所示)，從而使機(jī)床以均勻的速度和加速度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高速銑削加工，提高模具表面加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。實(shí)際加工中在循環(huán)指令CYCLE832中調(diào)用壓縮程序，通過(guò)保持穩(wěn)定的程序段過(guò)渡和提高每程序段的軌跡長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到最佳的表面質(zhì)量和加工速度。

圖6 壓縮指令的軌跡轉(zhuǎn)化

圖7 壓縮指令生成樣條軌跡

3 結(jié)語(yǔ)

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(guò)程鏈的模具高速銑削加工得到廣泛的應(yīng)用，在這一過(guò)程鏈中，借助數(shù)控系統(tǒng)提供的一些特殊功能指令，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的平滑、連續(xù)，避免進(jìn)給速度及加速度的突變，可以很好地控制模具加工表面質(zhì)量，減少后期返工，提高模具生成效率，適應(yīng)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品快速更新?lián)Q代趨勢(shì)，促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)向高端邁進(jìn)。