與一般模具相比，汽車覆蓋件模具具有體積大、成型面復(fù)雜、自由曲面多、加工精度要求高等特點(diǎn)。為了提高生產(chǎn)效率，將模具成型面精加工原以?20mm球頭銑刀為主的精加工模式改為用?30mm球頭銑刀進(jìn)行精加工。在已加工的多副汽車覆蓋件模具中，模具成型面不斷出現(xiàn)質(zhì)量問題，體現(xiàn)在模具成型面起伏處有波紋，即便重新加工，仍然難以消除，這就使得模具成型面質(zhì)量受到很大影響，增加了模具研修工作量，延長了模具制造周期。

數(shù)控加工技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，涉及多方面的內(nèi)容，包括CAM軟件的應(yīng)用水平、數(shù)控設(shè)備的選型、數(shù)控編程策略等。其中數(shù)控編程策略對數(shù)控加工效率的綜合發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，程序員根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際（即機(jī)床設(shè)備精度、數(shù)控刀具狀況、模具成型面曲率變化程度等）編制程序的具體思路，直接決定數(shù)控程序的質(zhì)量。由于編制的加工程序均采用基于修剪邊界的方式自動(dòng)生成，保證了數(shù)控程序的刀具軌跡流暢。

數(shù)控編程策略即數(shù)控加工工序的設(shè)置，對于模具成型面數(shù)控加工主要分為清根加工和成型面區(qū)域加工2種。

清根加工即沿零件表面之間的凹角生成刀軌，一般用于零件加工區(qū)的邊緣凹處，以清除前面加工未切削到的材料。未切削到的材料通常是由于前面加工中刀具直徑大而殘留下來的，必須用小刀具清除。清根分單筆和多筆2種。單筆清根只在凹角處清根一次，而多筆清根則參考刀具偏置走刀，是指通過指定一參考刀具直徑定義要加工的區(qū)域總寬度，從而在清根中心的任一側(cè)產(chǎn)生多次切削走刀。

成型面區(qū)域加工通常是按照程序員給定的加工步距，以平行往復(fù)行切、圈銑、螺旋以及三維偏置等走刀方式在加工數(shù)模的指定區(qū)域內(nèi)生成刀具路徑。

加工后的凸模

波紋現(xiàn)象的產(chǎn)生是數(shù)控加工過程不穩(wěn)定的反應(yīng)。以某汽車前門外板凸模中的波紋為例，對其產(chǎn)生波紋的原因進(jìn)行分析。

局部波紋

加工曲面的曲率變化是影響數(shù)控加工穩(wěn)定性的主要因素，經(jīng)分析，加工數(shù)模發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生波紋處的曲率半徑為R15mm，剛好是精加工?30mm球刀的臨界狀態(tài)。

凸模實(shí)體數(shù)模

從數(shù)模中可以看到，數(shù)控加工相鄰區(qū)域均為平坦型面，曲率半徑大（為?1124~?3228mm）。在接近凹槽部位時(shí)，曲率半徑產(chǎn)生突變，變?yōu)榫庸さ毒呒庸さ呐R界半徑R15mm，使刀具的負(fù)荷猛然增加，致使加工不穩(wěn)定，刀具突然受力震蕩產(chǎn)生波紋。由于是精加工，并且處于臨界加工狀態(tài)，理論上該波紋處已經(jīng)加工到位，即便重新使用機(jī)床加工，成型面的加工刀痕也無法消除。

半徑突變處的刀具路徑仿真

雖然在粗加工之前有?30mm球刀預(yù)清根，先對凹槽處進(jìn)行加工，但是需注意的是此次清根還留有1mm加工余量。

粗清根示意圖

清根后的鑄件加工狀態(tài)仍留有加工余量，這就使得在精加工階段，刀具從平穩(wěn)處加工到清根處，負(fù)荷迅速增加。還需注意的是清根刀具路徑產(chǎn)生的條件就是與加工數(shù)模的2個(gè)表面在不同點(diǎn)接觸，如果數(shù)模表面曲率半徑大于刀具半徑，則無法產(chǎn)生雙切線接觸點(diǎn)，也就無法形成清根切削路徑。

清根產(chǎn)生原理示意圖

所以在之后刀具的清根中，曲率半徑為R15mm處并無刀具路徑產(chǎn)生，由此則產(chǎn)生波紋。

刀具清根路徑

CAM對數(shù)控加工的速度和質(zhì)量的影響是決定性的。機(jī)床設(shè)備的良好狀態(tài)為機(jī)械加工提供了基本條件，但要達(dá)到滿意的加工速度和質(zhì)量，必須編制出高質(zhì)量的加工程序。因此模具成型面加工的缺陷與編程、刀具選擇、走刀方式有著直接的聯(lián)系。對編制的程序研究發(fā)現(xiàn)，在成型面加工之前都對其凹槽部位先進(jìn)行相同加工余量的清根，即對有凹槽部位首先進(jìn)行了加工的預(yù)處理。這樣在成型面加工時(shí)，即便遇到加工成型面的曲率突變，但由于凹槽部位已經(jīng)提前加工到位，刀具的負(fù)荷就不會(huì)產(chǎn)生急劇變化，保證了加工的穩(wěn)定性，使得成型面的加工質(zhì)量得到了保證。

通過分析，決定在成型面精加工之前增加?30mm球刀單筆清根精加工或者?20mm球刀多筆清根精加工，用來減少凹槽的加工余量。由于清根加工為沿?cái)?shù)模的凹槽部位，隨著成型面的生成，可避免刀具負(fù)荷不斷變化的不穩(wěn)定加工狀態(tài)，使得成型面加工質(zhì)量得到保證。綜合實(shí)際加工的效率，為了減少操作者換刀，采用?30mm球刀單筆清根精加工。從理論上講，考慮到臨界半徑的加工情況，?20mm球刀多筆清根精加工要比?30mm球刀單筆清根精加工效果更好。

汽車覆蓋件模具由于其加工成型面多為空間的自由曲面，曲率呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，對于成型面產(chǎn)生突變的部位，在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)刀具會(huì)經(jīng)常由于成型面的曲率突變而受到?jīng)_擊，刀具負(fù)荷的變化使得加工處于不穩(wěn)定狀態(tài)，影響加工的成型面質(zhì)量。此種曲率突變的現(xiàn)象多發(fā)生在內(nèi)板件上，影響數(shù)控加工的穩(wěn)定性。目前改善CAM加工穩(wěn)定性主要有2種途徑，一是編程的預(yù)處理，一是切削速率的優(yōu)化。

對需要加工的數(shù)模提前進(jìn)行分析，在成型面精加工之前，用與精加工同種規(guī)格的刀具或者比精加工小一規(guī)格的刀具進(jìn)行一次清根加工。這種加工方式在外板件模具加工時(shí)可以有效解決模具成型面的加工質(zhì)量問題，但在加工內(nèi)板件即發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板、行李箱里板、車門內(nèi)板等模具時(shí)，由于產(chǎn)品具有復(fù)雜多變的曲面，若按照常規(guī)做預(yù)清根處理，仍會(huì)由于加工量大，影響機(jī)床及刀具的使用壽命。此種情況下有的公司為了提高數(shù)控加工效率，應(yīng)用高速加工的理念，基于CAM中殘留模型的加工概念，采用小切深、高進(jìn)給的方式進(jìn)行分層清根操作，既保護(hù)了刀具、延長了刀具使用壽命又提高了加工效率。

切削速率對加工質(zhì)量、加工效率以及刀具的磨損度影響最直接。傳統(tǒng)加工的進(jìn)給率是根據(jù)刀具路徑中主要切削部分的切削條件而設(shè)置為某個(gè)恒定值，在路徑急劇拐角處靠機(jī)床控制器的預(yù)讀功能進(jìn)行小范圍的加減速。在切削深腔、凹槽時(shí)容易損壞刀具，同時(shí)由于刀具受到頻繁的沖擊，對機(jī)床的使用壽命也會(huì)有一定的影響。

PowerMILL軟件中的DelcamOptiFEED模塊可根據(jù)切削零件的具體位置情況進(jìn)行不同的進(jìn)給設(shè)置。當(dāng)進(jìn)行深度切削時(shí)，自動(dòng)調(diào)小進(jìn)給；當(dāng)在淺區(qū)域或者空間走刀時(shí)，自動(dòng)調(diào)大進(jìn)給，從而得到穩(wěn)定的材料切削率。此種技術(shù)的實(shí)施使刀具切削時(shí)具有穩(wěn)定的切削載荷，同時(shí)也為以后的自動(dòng)化加工提供了條件。

數(shù)控仿真軟件Vericut具備切削速率優(yōu)化的功能，可根據(jù)程序規(guī)定的各切削量確定最佳進(jìn)給，并輸出一個(gè)新的刀具文件，但是其并不會(huì)改變原來的刀具路徑，新的加工信息自動(dòng)加入到新的后置文件中，避免了以切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的空刀運(yùn)動(dòng)，提高數(shù)控加工效率。但Vericut的優(yōu)化都需要基于對原刀具路徑的切削仿真后才能產(chǎn)生優(yōu)化的程序，增加了工作量，對于汽車模具單件生產(chǎn)加工模式，數(shù)控加工程序繁多，其程序的優(yōu)化功能在汽車模具加工中應(yīng)用尚需考慮。

切削速率的優(yōu)化使得刀具在切削狀態(tài)中負(fù)荷穩(wěn)定，有助于提高數(shù)控加工的穩(wěn)定性和獲得更好的成型面加工質(zhì)量。

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