一、前言

　　在現(xiàn)代的模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，通常先應(yīng)用Pro/ENGINEER、UG、MasterCAM等先進(jìn)的CAD/CAM軟件進(jìn)行產(chǎn)品的3D圖形設(shè)計(jì)，然后根據(jù)產(chǎn)品的圖形特點(diǎn)設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，確定模具型腔、分型面和抽芯結(jié)構(gòu)，生成模具型腔實(shí)體圖，最后根據(jù)模具型腔實(shí)體圖，編制加工程序在CNC加工中心上進(jìn)行數(shù)控加工。這些步驟是現(xiàn)代化模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)的工藝步驟和趨勢(shì)，它使得復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和數(shù)控加工編程全過(guò)程都可以借助CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)上完成，它改變了傳統(tǒng)的模具制造方法，有效地縮短了模具制造周期，大大提高了模具的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率。

　　傳統(tǒng)的CNC加工中心雖然具有加工功率大、切削效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是主軸的最大轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)6000r/min，加工小零件時(shí)效率反而不高。高速CNC加工中心價(jià)格昂貴，用來(lái)加工小件很不經(jīng)濟(jì)。針對(duì)這種情況，我們充分利用了東莞理工學(xué)校自行設(shè)計(jì)的CNC電腦雕刻機(jī)，將用MasterCAM編制的CAM程序輸送到雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)加工模具型芯。由于雕刻機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)40000r/min，大大提高了加工效率和表面光潔度。

　　二、產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)分析

　　鉛筆刨各方面精度要求很高，壁厚均勻(2.5mm)，表面要求蝕紋處理。鉛筆刨主要由面蓋、透明罩、底蓋和電池蓋等四部分組成，如圖1所示。電池蓋與面蓋間的裝配是通過(guò)三個(gè)扣位來(lái)完成的，其中兩個(gè)扣位與面蓋相配，另一個(gè)扣位則與底蓋相配，底蓋再以?xún)深w鏍釘固定到面蓋上。為了方便清潔鉛筆刨內(nèi)部的碎屑，透明罩要能夠單獨(dú)裝拆，僅通過(guò)長(zhǎng)條形的凸條凹槽結(jié)構(gòu)，用手壓兩邊來(lái)和面蓋進(jìn)行裝配。因四個(gè)部件均采用不同的材料或顏色，所以不能把所有部件設(shè)計(jì)在一套模具內(nèi)。

　　圖1 鉛筆刨外殼示意圖

　　圖2所示的是鉛筆刨面蓋的3D圖形，材料為ABS，收縮率為5‰。為了裝配時(shí)的方便與美觀，產(chǎn)品設(shè)計(jì)有四個(gè)扣位。

　　圖2 面蓋的3D圖形

　　與電池蓋裝配的兩個(gè)底扣位采取抽芯機(jī)構(gòu)，沿產(chǎn)品邊界圓弧的法線(xiàn)方向抽出，如圖3所示的抽芯1和抽芯2。為避免間隙的不均勻，面蓋上與透明罩裝配的接觸面沒(méi)有設(shè)計(jì)脫模斜度。由于強(qiáng)制脫模會(huì)破壞表面，所以我們采用了如圖3所示的抽芯3結(jié)構(gòu)。兩邊和透明罩相配合的內(nèi)扣位，則采取斜頂出機(jī)構(gòu)，如圖3所示。由于內(nèi)扣位與抽芯3中間有一條無(wú)法避免的加強(qiáng)筋(見(jiàn)圖2)，導(dǎo)致內(nèi)扣位部分不能和抽芯3做成一個(gè)整體的抽芯結(jié)構(gòu)，使模具結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜。因產(chǎn)品的表面要求較高，不能有流道和澆口的痕跡，故采用潛伏澆口，進(jìn)料口設(shè)在頂針處。

　　圖3 產(chǎn)品的模具

　　三、面蓋零件的前后模型芯設(shè)計(jì)

　　這里用Pro/ENGINEER軟件對(duì)面蓋零件的3D圖形進(jìn)行分模處理，并設(shè)計(jì)了如圖4所示的分型面。考慮到模具的設(shè)計(jì)加工工藝，設(shè)計(jì)前模時(shí)將抽芯3的分型面設(shè)計(jì)成為沿著倒圓角的邊直接向圓角的法線(xiàn)方向延伸10mm而產(chǎn)生的平面，然后再沿抽芯抽出方向構(gòu)建一個(gè)5°的斜面。加工此斜面時(shí)，須將前模型芯豎起來(lái)進(jìn)行加工。

　　前模上面的鉛筆孔，則直接在前模型芯上預(yù)留出來(lái)，加工時(shí)先用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行開(kāi)粗加工，再加工銅電極進(jìn)行電火花放電加工。

　　后模設(shè)計(jì)成由后模型芯鑲件和后模模板裝配的結(jié)構(gòu)。先利用線(xiàn)切割將后模型芯鑲件和后模模板分別加工出來(lái)，再直接利用數(shù)控加工中心加工后模模板上的止口膠位。由于后模型芯鑲件不便于裝夾和定位，為保證加工精度，加工時(shí)需將其和后模模板裝配在一起來(lái)裝夾。加工時(shí)為了不碰傷分型面，將后模型芯鑲件沿Z方向升高10mm來(lái)加工出頂部及四周的曲面。這樣既簡(jiǎn)化了加工止口用的電火花銅電極，又方便了對(duì)止口膠位進(jìn)行打磨和拋光。后模中的許多很窄很深的筋條、骨位等處無(wú)法直接加工出來(lái)，需另外加工銅電極，用電腐蝕方法進(jìn)行加工。

　　圖4 模具的分型面

　　四、面蓋零件后模型芯的數(shù)控加工

　　我們根據(jù)圖4所設(shè)計(jì)的面蓋零件后模型芯加工示意圖，擬定了數(shù)控加工工藝，主要分成如下幾個(gè)步驟。

　　1. 曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)

　　因?yàn)槟＞咝颓坏牟牧蠟檩^硬的鋼件，所以選用φ25的鑲合金平底飛刀進(jìn)行加工。留下0.4mm的加工余量，進(jìn)給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為2000r/min。采用Parallel Spiral平行螺旋線(xiàn)銑削，Z方向最大步距(Max Stepdown)0.3mm，刀具重疊間距14.0mm，在工件的外部下刀，開(kāi)啟Filter刀具過(guò)濾功能，公差(tolerance)取0.025。由于后模型芯四周的面幾乎是垂直的，為提高加工效率和質(zhì)量，此處挖槽粗加工只加工型芯的上曲面。刀路軌跡如圖5所示。

　　圖5 曲面挖槽粗加工時(shí)的刀路軌跡

　　2. 曲面等高外形半精加工(Surface Finish contour)

　　采用Pocket挖槽粗加工型芯的上曲面后，用等高外形(Surface Finish contour)半精加工四周垂直面。仍選用φ25的鑲合金平底飛刀，加工余量不變。Z方向最大步距取0.25mm，為提高加工效率，Direction of open contours選取Zig-zag來(lái)回方式。刀路軌跡如圖6所示。

　　圖6 曲面等高外形粗加工時(shí)的刀路軌跡

　　前面這兩道粗加工工序，因加工余量較大，為提高加工效率，采用了φ25的大直徑鑲合金平底飛刀，先在加工中心上進(jìn)行粗加工。

　　3. 鉛筆孔的粗加工

　　用φ6的平底合金刀，選用曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)的刀路方式加工曲面頂部的鉛筆孔。進(jìn)給率500mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為6000r/min。采用平行螺旋線(xiàn)(Parallel Spiral)銑削，Z方向最大步距0.05mm，進(jìn)刀要求在鉛筆孔的型腔內(nèi)螺旋下刀，先留下0.15mm的加工余量。粗加工完成后，選用外形加工Contour刀路，仍用φ6的平底硬質(zhì)合金刀，采用Multi Pass多層銑削方式，進(jìn)退刀在型腔內(nèi)采用圓弧軌跡來(lái)保證加工面的光滑。刀路軌跡如圖7所示。

　　此主題相關(guān)圖片如下：

　　圖7 粗加工鉛筆孔時(shí)的刀路軌跡

　　4.曲面等高外形精加工(Surface Finish contour)

　　粗加工型芯面后，選用φ16的平底合金刀進(jìn)行曲面的等高外形(Surface Finish contour)精加工。進(jìn)給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為6000r/min，切削公差0.01，Z方向最大步距0.5mm。進(jìn)退刀具采用圓弧軌跡來(lái)保證加工面的光滑。由于裝夾時(shí)將后模型芯鑲件沿Z方向升高了10mm，故在深度上留有1mm的余量來(lái)控制加工，防止傷及分型面。刀路軌跡如圖8所示。

　　圖8

　　5. 平行式精加工(Surface Finish Parallel)

　　用等高外形刀路精加工完型芯面后，豎直邊的四周已達(dá)到要求，但型芯頂面仍很粗糙。再選用(Spherical End Mill)φ1兩刃合金球頭刀，采用平行式精加工(Surface Finish Parallel)方式進(jìn)一步精加工。進(jìn)給率800mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為12000r/min。切削最大步距0.05mm，加工角度(Machine Angle)45°，采用Zig-Zag往復(fù)式切削。刀路軌跡如圖9所示

　　圖9

　　經(jīng)過(guò)后面這三道工序，因工件已經(jīng)在前面進(jìn)行了粗加工，留有很小的加工余量，又都是采用很小的切削刀具，故放在了CNC電腦雕刻機(jī)上進(jìn)行加工。采用了很高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進(jìn)給率和較小的切削步距，大大提高了加工效率和表面光潔度。除了進(jìn)行模具型芯鋼件的精加工外，我們還在電腦雕刻機(jī)上完成了整套模具的銅電極粗精加工，將加工中心和電腦雕刻機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了加工效率。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　為了提高模具的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率，在模具生產(chǎn)過(guò)程中，越來(lái)越廣泛地使用CAD設(shè)計(jì)和CNC數(shù)控加工的制造方式。如何使模具結(jié)構(gòu)更合理，數(shù)控加工效率更高，精度更高，一直是模具設(shè)計(jì)和數(shù)控技術(shù)研究人員努力研究的方向。CNC雕刻機(jī)與其他CNC設(shè)備(如CNC加工中心和CNC數(shù)控銑)一樣，其加工基礎(chǔ)也是CAD數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的CNC數(shù)控設(shè)備相比，CNC電腦雕刻機(jī)有著性?xún)r(jià)比高、轉(zhuǎn)速高，加工軟質(zhì)材料效率高、光潔度好等優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先進(jìn)的軟件進(jìn)行CAD/CAM設(shè)計(jì)加工，并將最終的CAM程序傳輸給電腦雕刻機(jī)執(zhí)行，也就是將CNC電腦雕刻和數(shù)控加工有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)小型模具加工來(lái)說(shuō)將是很好的選擇。