覆盖件模具型面高速切削数控加工方式研究.pdf

覆盖件模具型面高速切削数控加工方式研究3万余仙(江苏电大宜兴学院,江苏宜兴214206)摘要:覆盖件模具型面的加工质量是模具制造技术中的关键。在分析比较高速切削时3轴联动数控加工方式和5轴联动数控加工方式的优缺点的基础上,指出分区域3+2轴(亦称定位5轴)数控加工方式在覆盖件模具型面高速切削应用上的优势。关键词:覆盖件模具；高速切削加工；数控加工中图分类号:TG506文献标识码:A文章编号:1007-4414(2008)06-0027-03Studyonhigh-speedNCmachiningprocessforautopaneldiesWanYu-xian(YixingschoolofJiangsuradioandTVuniversity,YixingJiangsu214206,China)Abstract:Thequalityofmachiningshapesurfaceisthekeyfactorpaneldiesmanufacturing.Basedonanalyzingandcompa2ringexcellenceandshortcomingofcontinuous3-axisandcontinuous5-axisnumericalcontrolmachining,theadvantageof3+2-axis(i.e.positional5-axis)numericalcontrolzonalhigh-speedmachiningautopaneldiessurfacewasshown.Keywords:automobilepaneldies；high-speedmachining；numericalcontrolmachining覆盖件模具的高速切削加工不同于普通切削加工。覆盖件模具具有型面形状复杂(多为三维自由曲面)、材料硬度大、结构尺寸大、表面质量要求高等特点。在覆盖件模具的制造过程中,其型面加工质量的好坏直接影响到模具的整体制造质量1,2。因此,提高模具型面的加工质量一直是覆盖件模具制造技术的关键。但是覆盖件模具型面的特殊性和复杂性,使得模具型面数控加工方式选择及应用技术成为覆盖件模具高速切削的关键工艺技术之一。1模具型面3轴联动数控加工方式存在的问题分析由于覆盖件模具型面细腻的几何特征,在其高速精加工工序中常使用球头铣刀。使用球头铣刀对覆盖件模具进行3轴联动铣削加工时,通过X,Y,Z方向的直线进给运动,可以获得曲线型近似表面,但球头刀具轴线的方向不可改变,由此带来了零切削速度点和刀杆挠曲变形问题。由于覆盖件模具形状的复杂性,实际切削过程中刀轴矢量与零件被切削表面法矢的倾角在随时变化,设该角度为,图1和图2分别为=0和=70时的情况3。当刀轴矢量与零件被切削表面法矢的倾角为0时,最低切削点切削速度理论上为0,致使刀具与被加工表面之间产生挤压,刀具不易切入被加工表面,刀具有不良的加工状态,加工质量差。若刀轴矢量与零件被切削表面法矢的倾角为70时,有效切削半径接近于刀具直径,切削线速度接近于最高值,但此时垂直刀轴方向的切削分力增大,刀具挠曲变形量增大,导致让刀量增大,加工精度显著降低。很显然这两种极限状态对加工状况都不利,只有当两者处于最佳位置,即刀轴矢量与零件被切削表面法矢的倾角为最佳角度时才能既保证垂直刀轴方向的切削分力比较小又能保证切削点落在切削性能良好的部位,以获得较高的加工精度和刀具寿命。此外,对于覆盖件模具,其曲面形状起伏,如图3所示,斜率不断变化,引起切削深度、切削宽度改变,材料去除体积也随之变化,导致3轴加工中刀具载荷不稳定,刀具磨损加剧,模具加工后材料残留高度不一致,加工质量下降。同时,若模具型面高度差较大时,必须使用加长刀具,否则很容易导致刀柄系统与模具发生摩擦碰撞,产生严重后果。对坡度陡峭且高度差大于4倍刀具直径时,一般采用多次装夹才能完成全部加工。总结3轴数控加工方式在覆盖件模具型面高速72第21卷第6期2008年12月机械研究与应用MECHANICALRESEARCH&APPLICATIONVol21No620082123收稿日期:2008-10-06作者简介:万余仙(1969-),女,江苏宜兴人,讲师,研究方向:机械设计与制造。切削加工方面使用的情况,对该方式加工所产生的问题描述如下4,5:(1)刀轴矢量与零件被切削表面法矢的倾角时刻变化,线速度不断变化,无法达到理想状态,刀具磨损加重。(2)垂直加工时,刀尖切削速度为0,切削性能差。(3)刀轴矢量与被切削表面法矢的倾角很大时,产生让刀误差,加工精度下降。(4)己加工表面材料残留高度不一致,加工质量受影响。(5)切削深度和切削宽度变化,材料体积去除变化,切削载荷不恒定,刀具磨损严重。(6)覆盖件模具曲面陡度和高度差较大时,为避免刀柄系统与模具产生干涉和碰撞,必须加长刀具,而刀具的加长使其切削刚性不足而导致整体刚性下降,引起切削颤动,降低加工表面质量。鉴于以上缺陷,使3轴数控加工方式难以满足覆盖件模具型面高速切削加工要求,为确保理想的高速切削加工效果,现场加工中应尽量减少或避免该加工方式的使用。2模具型面5轴联动数控加工方式分析比较3轴联动铣削,5轴联动铣削具有一系列优点。此时,通过2根旋转轴的运动,可以随时调整刀具轴线的方向,使铣刀轴线与工件表面倾角和实际切削速度保持不变。可以更为灵活地设定走刀路径以满足对工件表面给定的峰谷深度的要求。其中使用球头刀具加工时,无论刀具相对工件处于什么方位,总是在半球面上分离切屑。因此每次总是切下几何形状和尺寸相同的切屑,发生改变的是分离切屑时刀刃的运动轨迹,以及由此而确定的刀刃接触条件和切削几何运动条件。然而,5轴联动高速切削加工的数控编程比较复杂,对计算机数控(CNC)系统的计算能力和速度要求很高,在需要机床各直线进给轴作大幅度补偿运动的同时又要求避免发生干涉碰撞。因此在覆盖件模具制造中,只能利用5轴联动切削的优点加工一定范围内的零件,但是,对于局部形状复杂的覆盖件模具型面一般不采用5轴联动方式进行高速切削加工。首先,限于当前技术发展的水平,5轴联动切削机床2根旋转轴的运动速度和加速度较低,而且A,C头始终处于非夹紧状态,降低了加工刚性,导致5轴联动在覆盖件模具型面的加工中往往难以达到高速切削的效果。其次,5轴联动加工中其中一个最常用的技术是使刀具接近垂直于被加工曲面。这种方法在模具型面加工中的主要问题是,加工凸面时,如果要垂直于曲面进行加工,则主轴需移动很大一段不必要的距离。此外,还有可能主轴不能到达垂直加工位置或是不能保证既以接近90角进行加工又不和模型的其它部分发生干涉。最后,5轴联动高速数控加工方式最大的挑战在于较大的设置错误风险,由于数控程序编制复杂程度高,干涉检查难度大。而由于5个轴在高速切削的同时高速运动,在使用过程中一旦产生干涉和碰撞,对机床设备和刀具造成损坏,将会带来非常大的代价。当然,通过工件和夹辅具实体建模,数控编程系统会自动避让干涉几何,但是由于模具零件和夹辅具实体建模工作量大,技术人员在数控编程时往往只对模具型面进行表面建模,这也在一定程度上限制了5轴联动高速数控加工的使用。3分区域3+2轴数控加工方式的定义和优点分区域3+2轴加工方式或称为定位5轴加工方式,指A,C头根据不同型面的需要转到一定的角度,然后锁紧进行加工,当加工完某一区域后,再根据需要调整A,C头的角度继续进行其它区域加工。陡峭斜面和曲面的3+2轴加工分别如图4、5所示。其中vf为进给速度,为刀轴与切削表面法矢的倾角。对该加工方式进行分析可得到如下结论:(1)分区域3+2轴数控加工方式通过调整刀具轴线的方向,能够保证覆盖件模具型面上各点切削时几何运动条件基本相同,使实际切削线速度基本保持不变。(2)由于A,C头的锁紧增加了整体刚性,从而获得理想的加工精度,而且又能使刀具轨迹运动速度和加速度比较高。(3)当设置好新的加工方位和工作坐标系,碰撞干涉检查及过切检查会非常容易。(4)可根据不同斜率的型面采用不同的刀具倾角,使切削加工获得较理想的刀具切削直径,从而获得较佳的切削线速度。(5)可实现覆盖件模具分不同区域采用不同进82Vol21No62008212机械研究与应用MECHANICALRESEARCH&APPLICATION第21卷第6期2008年12月给方向、不同刀轴角度进行加工。(6)可使操作人员根据实际情况随时灵活的调节加工角度。(7)可使用较短的刀具进行更精确的加工。(8)由于刀具实际切削直径较大,在相同切削线速度情况下,可采用相对较低的转速。(9)虽然在曲面加工上体现出并非5根轴同步运动,但比起5轴联动少了很多空刀,传统意义上的刀具磨损、外形精修效果及定位精度也同样得到保证。通过以上分区域3+2轴数控加工方式所显示出的优势以及工厂实际应用经验表明,在覆盖件模具型面高速切削加工过程中,分区域3+2轴数控加工不失为一种实用而高效的加工方式。4分区域3+2轴数控加工方式的本质分区域3+2轴加工方式的本质是定位的平面加工中的5轴加工。对平面进行加工,5轴联动数控加工变为某一方向的固定角度加工,刀具轴向不再变化,如图6所示。对覆盖件模具3D型面加工,3+2轴数控加工方式是把曲面当作近似的平面进行加工,通过将刀具轴向倾斜一个角度加工以避免零切削速度加工,获得理想加工效果,如图7所示6。5分区域3+2轴数控加工方式应用流程覆盖件模具高速切削加工应用分区域3+2轴数控加工方式的流程如图8所示。首先对汽车模具型面进行分析,若曲面起伏较大或方向有很大的改变,则将模具型面划分为不同的加工区域；接着在各加工区域内尽可能最优地调整刀具轴向方位；最后按各加工区域不同的刀具倾角调整并固定两个摆动头,而后采用3轴联动数控加工方式依次对覆盖件模具各加工区域进行高速切削加工。图8分区域3+2轴数控加工方式应用流程6小结本文研究旨在解决覆盖件模具自由曲面高速加工中刀具磨损快、模具型面质量难以保证等加工难题。研究首先对用于覆盖件模具高速切削的3种数控加工方式进行分析比较,得出分区域3+2轴加工是覆盖件模具高速切削加工中简单而高效的加工方式。参考文献:1张海.基于高速切削技术的模具制造方法探讨J.模具制造,2004(11):42-43.2齐从谦.高速切削加工及其在汽车工业的应用J.汽车与配件,2007(3):16-19.3高小凡.高速加工技术在模具加工中的应用J.科技与经济,2006(10):126-127.4阮景奎.汽车模具高速切削加工的工艺技术研究与应用J.中国机械与金属,2006,20(3):58-63.5卢金火,孙中军.覆盖件模具型面加工质量问题的解决办法J.模具技术,2007(4):39-43.6刘