车载电脑前框模具设计与前模型腔的数控加工(正式版)

1、电脑科技论文：基于 UG 的车载电脑前框模具设计与前模型腔的数控加工摘 要 :以一款车载电脑前框注射模的设计和模具前模的数控加工为例 ,较为详尽地讲述了运用UG 软件进行注射模设计和数控加工的工艺和步骤。关键词 :注射模设计型腔数控加工工艺和步骤0 引言在 现 代 的 模 具 设 计 生 产 中 , 通 常 运 用 Pro/E 、 UG 、 Master-CAM 等先进的 CAD/CAM 软件先进行产品的 3D 图形设计 ,然后根据产品的特点设计模具结构 ,前模具型腔、分模面 ,生成模具型腔实体图、工程图 ,最后根据模具型腔的特点,拟定数控加工工艺 ,进行数控编程和加工。1 产品分析及模具结构

2、如图 1 所示为一款车载电脑前框,材料为 ABS, 收缩率为5。前框外观面设计上具有较强的流线感,曲面之间的圆角半径小 ,曲面之间过渡圆滑,最小圆弧半径是R0.3mm。车载电脑前框、后盖和电器控制元件有配合要求。塑件各部位圆角过渡非常圆滑 ,是一个复杂多曲面的典型零件。塑件精度要求较高 ,所以模具的凸凹模配合精度也较高,需要合模后有较好的擦封胶和碰封胶精度。在结构上,前框四侧共有卡扣八处,起定位作用的小圆柱有五处。由于卡扣和定位圆柱的高度高约 23mm, 为了保证装配时的精度和强度,须在其四周设有加强筋。塑件的外侧壁有两大台阶缺口 ,内侧壁有四小台阶缺口。塑件四周上设有多个加强筋 ,卡扣不能强

3、行脱模 ,这些地方是该模具设计的难点。首先用UG 软件绘制零件的3D 图形 ,零件的尺寸较大,约 230mm× 230mm× 30mm。从注塑、加工及经济角度综合考虑 ,一模设计出一件 ,XY 坐标原点置于型腔毛坯的中心处,主流道设在模具中心 ,如图 2 所示 ,四入浇点 ,潜伏式浇口。采用标准模架 ,模具型芯材料选用德胜模具钢 ,前模芯用的钢牌号是 GS344ESR,后模芯用的钢牌号是 GS344EFS。外壳的外表面要求较高 ,应将外表面设计成前模。 为保证塑件的美观 ,模具的顶出机构设计在后模。 塑件上有 8 个卡扣 ,需要进行抽芯。但抽芯的行程较短,故在这套模具中,前

4、框的卡扣都采用斜顶出机构,以减小模具尺寸,保证抽芯的可靠性图 2 为前框的分模图。外侧壁的两大台阶缺口要设计枕位,即采取前模碰穿后模的结构,绘图时将大缺口的分型线向外延伸 ,绘制出大缺口的枕位面。内侧壁台阶缺口也要设计枕位,在后模直接加工出来,不另外做镶件。 前框模具设计和加工的另一个难点是前框上的凹槽位,由于其尺寸较小,给加工带来了较大的困难,且塑件表面须进行蚀纹处理,对电火花和抛光处理都提出了较高的要求。2 前模结构及工艺分析下面讨论前模结构及加工工艺,为了保证前壳的外表美观 ,前模型腔不设计镶件。前模是外表面 ,表面光洁度要求高 , 而且全是圆角过渡面 ,圆角最小为 R2mm, 可以考虑

5、直接在CNC 加工中心上加工出来 ; 也可以先进行半精加工 , 留下 0.3mm 的余量进行电火花精加工。考虑整体表面质量和尺寸精度 ,采用前一种方案。 在数控加工编程前先对前模型腔图形进行了处理 ,将前模排气孔、 流道等地方修补好。 设计时考虑到模具加工工艺 ,需将外侧壁的台阶缺口和内侧壁小台阶处设计枕位 ,内侧壁上的小台阶枕位直接设计在后模上。 在加工工艺上的考虑如下 :(1)零件体积大小适中 ,模具钢材质硬 ,加工余量大 ,加工时间长 ,刀具损耗多 ,要采用合理的加工参数。(2)前模型腔为凹面 ,需要在腔体内部下刀 ,一般用螺旋或斜向下刀 ,避免刀具“顶底” 。因为圆角刀和平底铣刀底部没

6、有切削刃 ,如果垂直下刀 ,不能切削也不容易排屑 ,容易造成刀具损坏。(3)在大刀粗加工后,要用小刀局部清角,避免后续大刀加工在工艺死角时发生“包刀” 现象 (刀刃与工件的接触宽度急剧增加 ,负荷突然变大而振动,引起崩刃甚至断刀)。(4)清角加工时余量不均匀,宜采用合金刀具,其韧性好 ,不易崩刃、断刀 ,同时注意下刀位置要在工艺死角之外。(5)排气孔和主流道是预钻孔,粗加工中刀具大,不会扎到这些孔内。但在进行精加工时采用的球刀直径小,会扎到这些孔中 ,所以需要用软件中的一些造型和编辑指令对曲面进行修补 ,避免刀具误动作。(6)侧壁大缺口及两端延伸面小缺口的枕位碰面精度要求较高 ,精加工要细致,

7、前模型腔和分型面成直角相交,可采用合适刀具 ,直接清角加工。3 前模型腔加工刀路前模毛坯采用高硬度的模具钢,要预先在通用机床上加工到尺寸380mm× 320mm× 80mm。选择相互垂直的三个面作为加工和定位的基准面,为便于辨认基准,要打上字码 ,区分前后模。前模的型腔加工一般按粗加工、半精加工、清角加工、精加工进行。 当工件的不同区域尺寸差异较大时,要采用分区域进行加工。 对于较为宽敞的部位,可采用较大的刀具进行加工 ,以提高加工效率;对于较小的型腔、狭窄的部位或转角区域 ,采用较大的刀具不能彻底加工,必须用较小的刀具以保证尺寸加工到位。对于不能加工到位的工艺死角只能采用

8、后续的电火花加工来完成。当模具带有分型面和枕位面要一起加工时 ,分型面和枕位面直接加工到位,不留余量。前后模碰穿位、擦穿位可留余量0. 1 mm, 用于前后模配模。至于加工的刀具 ,考虑到镶合金刀粒的圆鼻刀直径大、刚性好、 经济耐用 ,粗加工时多采用大直径的圆鼻刀,精加工时也要尽量采用。前模的加工采用型腔铣削(Cavity-mill) 刀路进行粗加工(留 0.6mm 的余量 ),然后用16R0.8mm 合金圆鼻刀进行二次开粗 ,用8 和4 平底合金刀进行局部清角。 半精加工一般选取球刀 ,采用固定轴轮廓铣方式来进行( 留 0.1mm 的余量 )。在精加工中 ,用合金圆鼻刀对直身部分进行精加工和

9、用球刀对腔体曲面进行精加工。表1 为前框前模型腔加工程序单。3·1 型腔粗加工因为毛坯的外形已经在通用机床上加工好,这里只需要加工前模的型腔和分型面。首先选取30R5mm 镶合金刀粒圆鼻刀 ,用型腔铣削方式对前模型腔曲面粗加工。选择加工的部件和检查体见图3,选检查体的作用是不让刀具扎到前模下面。具体的加工参数如下 ,切削模式 :选择跟随工件。步距 :选择为刀具直径的 70%,全局每刀深度为 0.5mm 。切削参数 :选择深度优先 ;切削方向选择顺铣 ;在余量设置中设侧面余量为0.60mm, 底面余量为0.35mm, 内、外公差为0.03mm 。非切削移动 :封闭区域进刀采用螺旋式下刀

10、,开放区域采用圆弧进刀,退刀与进刀相同。 拐角控制 :圆角半径为0.5mm。进给和速度 :主轴转速设置为1 600 rpm,切削速度为 2 000mmpm, 进刀速度为 1 200 mmpm, 抬刀速率为 2 000mmpm, 图 4 为设计好的刀路路径。型腔铣削刀路加工时 ,刀具分层切除曲面与加工范围之间的所有材料 ,加工完毕的工件表面呈梯田状。 刀路计算时间短 ,刀具切削负荷均匀 ,加工效率高。其走刀方式最常用的是“跟随工件”和“跟随周边” 。“跟随工件”方式加工效率高 ,作为粗加工为首选方案。3·2 型腔二次粗加工由于第一道工序采用30R5mm 圆鼻刀 ,前模型腔凹槽、曲面之间

11、的圆角等地方没有完全开粗,无法进行整体半精加工,需采用半径小点的圆鼻刀进行二次开粗。选取16R0.8mm 镶合金刀粒圆鼻刀,用型腔铣削方式,选择加工的部件还是和粗加工一样,加工毛坯是粗加工后的毛坯零件。在UG 中每一个加工工序完成后都可产生一个毛坯的中间过程,称为 IPW(In ProcessWorkpiece) 。编程时可以将前个工序加工后生成的 IPW 作为后续加工工序的毛坯,进而达到减少空切、提高加工效率的目的。在加工参数中,切削模式 :选择跟随工件。步距 :选择为刀具直径的70%,全局每刀深度为0·30mm 。在余量中,设侧面余量和底面余量为0.15mm, 毛坯余量为0.10

12、mm, 内、外公差为 0.02mm。非切削移动 :封闭区域进刀采用螺旋式下刀 ,开放区域采用圆弧进刀 ,退刀与进刀相同。拐角控制 :圆角半径为 0.5mm。进给和速度 :主轴转速设置为 2000 rpm, 切削速度为2 000mmpm, 进刀速度为1 200mmpm, 抬刀速率为2 000mmpm 。图 5 为二次开粗的刀具路径,图 6 为加工模拟效果图。3·3 局部的清角加工由于前模型腔上凹槽狭小,第二道工序16R0.8mm 的刀具无法完成凹槽全部开粗,凹槽和各曲面相交处仍有较大的余量 ,这不利于直接半精工。为了避免后续大刀加工在工艺死角时发生“包刀”现象(刀刃与工件的接触宽度急剧

13、增加,负荷突然变大而振动,引起崩刃甚至断刀),需对这些地方进行局部的二次粗加工。 由于在清角加工时余量不均匀,宜采用合金刀具 ,其韧性好 ,不易崩刃、断刀。加工方式采用型腔铣削方式, 用参考刀具的方法。在加工程序中,使用的刀具是8mm合金平刀,设参考刀具是20R0.8mm,而不是设上把刀具的大小16R0.8mm,是因为考虑UG中参考刀具的算法问题和加工刀具下刀位置在工艺死角之外,需将参考刀具的直径加大。加工程序中加工参数如下,切削模式 :选择跟随工件。步距 :选择为刀具直径的62%,全局每刀深度为0.12mm。在余量 中 , 设 侧 面 余 量 和 底 面 余 量 为 0.15mm, 内 、

14、外 公 差 为0.02mm。非切削移动 :封闭区域进刀采用螺旋式下刀 ,开放区域采用圆弧进刀 ,退刀与进刀相同。拐角控制 :圆角半径为 0.5 mm。进给和速度 :主轴转速设置为 2 400 rpm,切削速度为 1500mmpm, 进刀速度为1 200 mmpm, 抬刀速率为1 500mmpm,图 7 为局部清角的刀具路径。在用平刀进行局部清角加工后,考虑到型腔各曲面之间的根部还有比较大的余量,假如用球刀直接对所有曲面半精加工 ,由于曲面余量的不一致,切削过程会出现不稳定。在设计加工程序中,考虑再用把4mm 的平刀进行清角加工采用型腔铣削方式,用参考刀具的方法, 参考刀具是直径,8mm 的平刀

15、。加工参数如下,切削模式 :选择跟随工件。步距:选择为刀具直径的 68%,全局每刀深度为 0.10mm 。在余量中 , 设侧面余量和底面余量为 0. 15 mm, 内、外公差为 0·02mm。非切削移动 :封闭区域进刀采用螺旋式下刀 ,开放区域采用圆弧进刀 ,退刀与进刀相同。拐角控制 :圆角半径为 0.5mm。进给 和 速 度 : 主 轴 转 速 设 置 为 3 000 rpm, 切 削 速 度 为 1 500mmpm, 进刀速度为 1 200mmpm, 抬刀速率为 1 500mmpm 。3·4 前模型腔的半精加工型腔的半精加工的目的是把粗加工后的残留加工面加工平滑 ,同时

16、去除拐角处的多余材料,在工件加工面上留下比较均匀的加工余量,为精加工的高速切削加工提供最佳的加工条件。半精加工应顺着粗加工后的棱状轮廓形状进行铣削,以便有稳定的切入过程,并减小因切削力波动对刀具产生不利影响。半精加工时刀具的切削过程应尽量连续 ,避免频繁地进退刀 ,这样可去除空刀 ,减小刀具在切人和切出材料时对工件的冲击 ,在延长刀具寿命的同时 ,获得较为均匀的加工余量。排气孔和主流道是预钻孔 ,在整体半精加工前需将所有孔位用曲面修补好 ,以免刀具在加工中出现扎刀现象。 加工方式采取固定轴轮廓铣方式 ,刀具为 R5mm 合金球刀 ,加工参数如下,驱动方式 :区域铣削。 步距 :选择为恒定的 0

17、.4mm, 切削角度为 45°。设部件余量为 0.10mm, 工件内、外公差为 0.03mm。非切削移动 :采用直切进退刀。 进给和速度 :主轴转速设置为 2800 rpm, 切削速度为2 000mmpm, 进刀速度为1 200mmpm, 抬刀速率为 2 000mmpm 。3·5 前模型腔的精加工精加工的目标是达到模具设计要求的精度和表面粗糙度,实现较好的表面质量和轮廓精度。 精加工的刀位轨迹要紧贴工件表面 ,并要求平稳和圆滑 ,没有剧烈的方向改变。一般加工顺序为先加工底平面 ,再加工侧壁 ;可以避免当加工侧壁时 ,刀具的侧刃与底刃同时受力 ,产生振动而影响底面的表面质量。

18、碰穿位、枕位碰面精度要求较高 ,需进行细致的精加工 ,刀具路径见图8。平坦区域用区域面铣的方式加工,刀具采用16R0.8mm 镶合金刀粒圆鼻刀;直身部分采用等高铣方式(Zlevelmilling) 加工 ,加工刀具仍为同一把刀。前模型腔的平坦曲面采用固定轴轮廓铣精加工 ,刀具轨迹相对被加工表面的空间间距应均匀一致 ,以避免刀路疏密不一 ,造成明显的局部表面刀痕;宜采用45°平行双向走刀加工,以保证型腔四边的刀痕都均匀。 前模型腔由于存在凹槽和曲面间清根的复杂性 ,不能用同一把球刀全部加工出来 ,所以要分区域进行 ,根据不同的区域选择不同半径的刀具 ,凹槽底部精加工用 R4 合金球刀加工 ,清根加工用 R2 合金球刀加工 ,图 9 为它们的加工路径。 由于篇幅有限 ,其他部分的精加工不再细说。4 结束语模具生产越来越广泛地使用 CAD 设计和 CNC 数控加工 , 在设计模具产品