外壳型芯的工艺优化及数控加工

颜科红

(无锡科技职业学院，江苏 无锡　214028)



外壳型芯的工艺优化及数控加工

颜科红

(无锡科技职业学院，江苏 无锡214028)

为提高外壳凸模的加工质量和生产效率，在分析零件特点的基础上，通过精细划分切削区域，采用不同的加工方式高效的切削工件，减少加工时间；在精加工先加工底面后加工侧面的基础上，提出了底-侧面结合处增加0.01～0.02mm让刀设置，使刀具底刃和侧刃不同时参与切削，在提高零件表面质量的同时还能保护刀具。最后以UG NX9.0为软件平台，合理设置各项加工参数，生成了外壳凸模刀具路径，利用仿真加工，检验刀轨的可靠性，实践结果表明：通过此种工艺加工的零件，其表面质量和加工效率得到有效提高。为工程中同类零件的数控加工提供借鉴。

外壳凸模；加工工艺；数控

0　引言

外壳是典型的注塑模成型产品，通常其形状结构较为复杂，存在大量的曲面和拔模斜度要求，对于这类产品，往往只能依靠数控机床并结合自动编程技术，来进行加工[1]。又因为其在长度、宽度和高度三个方面都有尺寸要求，对其成型用模具来说，除了尺寸精度要保证外，模具的表面粗糙度及纹理是决定产品外观的重要条件[2-3]，另外，为了使模具顺利装配并且不溢料，各模具零件之间的配合精度必须严格保证[4]，因此型腔、型芯加工工艺的设计显得尤为重要。本文以某产品外壳凸模的加工为例，试图在分析凸模加工工艺特点的基础上，通过优化工艺和刀具轨迹，保证模具零件之间高精度的动配合，提高加工质量和生产效率。

1　工艺分析

产品图纸如图1所示，可以看出整个零件结构为壳体，壁厚为2mm，属薄壁件，对于这种薄壁、壳形塑件而且表面不允许有推出痕迹的塑料制品最适合采用推件板推出机构。

图1　塑件图纸

图2　型芯及主要精度要求

另外，塑件上有一处宽度为3mm的直槽，其在型芯上体现为凹槽，且槽宽小，加工时刀具容易扎刀[6]，加工工艺也需要重点考虑。成型部分底部圆角R0.5，这决定了精加工刀具底部圆角半径的最大值为0.5mm。

零件毛坯采用中走丝线切割成型，上下两平面经过磨削无加工余量，从而与固定板、支承板配合部位无需机床加工。

2　机床与夹具确定

为提高加工效率和精度，采用哈斯数控机床HASS VF1机床进行加工，该机床刚性好，精度合适，能保证零件在加工过程的良好力学性能[7]。工件装夹方式采用精密平口钳夹持型芯下端直接进行装夹。

3　优化之前的工艺

通常型芯的加工步骤是型腔铣粗加工→换小号刀具剩余铣二次粗加工→底平面精加工→侧垂面半精加工、精加工→成型曲面部分半精加工→成型曲面部分精加工[8]。按照此方法确定的工艺方案如表1所示。

表1　优化前的加工工艺

其每一工步的加工方法、切削速度和最终加工模拟效果如图3所示，总用时长1小时54分。

图3　采用优化前的工艺加工

该工艺方案有几点不足之处：

(1)由于型芯有一处宽3mm的直槽，而该尺寸与其他位置相差较大，采用D2R0.2圆角刀进行剩余铣粗加工时，由于刀具与一次粗加工所使用的D12立铣刀直径相差较大，导致二次粗加工的刀轨覆盖面过大，而实际去除余料的能力有限，但加工时间变长。

图4　多次刀补修正后导致的工件缺陷

图4所示的工件为采用该工艺加工的工件，可以看出工件表面刮擦痕迹多，且进刀处存在明显的让刀变形，所导致的间隙已明显超出公差允许的0.02，安装到模具上将产生溢料。

(3)刀具轨迹不优化，加工时间过长，且不利于刀具保护。对于不同曲率大小和表面位置变化较大的区域，采用相同的切削模式、驱动方法以求快速生成刀路轨迹的方法看似省事，实则造成加工时间大大延长，甚至个别区域达不到表面粗糙度要求。

4　工艺优化

针对工艺存在的不足，特进行了如下改进：

(1)由于一次粗加工时刀具较大未能对一字直槽进行切削，因此二次粗加工主要目的是采用D2R0.2的刀具去除一字直槽的余量，故采用分区域加工的方式，在二次粗加工时只选择直槽表面作为切削区域进行加工，减少D2R0.2圆角刀的切削范围，从而减少加工时间。至于减少了的切削区域， 后续的加工中采用较大的刀具进行切削，从而提高效率。两种加工方法轨迹如图5所示。

(a)优化前加工轨迹　　(b)优化后的加工轨迹

另外，传统工艺底面精加工时，刀具侧刃与工件保持接触，而侧面精加工时，刀具底刃依然与工件进行接触，如图6a、图6b的爆炸区域所示。这种方式因为刀具切削刃始终和被加工材料接触，切削刃磨损下来的细小碎粒容易造成已加工表面的刮擦损伤，破坏已加工面的表面粗糙度，并加剧刀具磨损，减少刀具寿命[11]。实践中，底面精加工时将侧面余量在粗加工余量的基础上增加0.01～0.02mm，如图6c所示；侧面精加工时，将底面余量设置为0.01mm，如图6d所示。虽然在底部留下一个(0.01～0.02)2的凸起，由于该凸起本身尺寸微小，且处于相配件的底部，实践证明并不会对装配产生不良影响。这种工艺的优点是刀具底刃和测刃不会同时参与切削，同时不会将已精加工的表面造成划痕，在不影响零件使用精度的情况下极大的保护刀具，并在一定意义上减小切削力，提高零件的表面质量。

图6　优化前后精加工刀具位置示意图

(3)分区域选择不同的加工方法进行切削加工，节省时间，提高表面质量。型芯顶部曲面曲率较小，比较平坦，因此采用“FIXED_CONTOUR”(固定轮廓铣)加工方法进行；半精加工和精加工轨迹的方向分别设置为与水平方向夹角45°和135°，形成互为垂直的刀路，以提高表面质量，降低表面粗糙度。对于型芯成型部位侧面，由于曲率变化明显，采用ZLEVEL_PROFILE”(等高轮廓铣)的加工方法效率更高[12]。

优化后的加工工艺如表2所示。其加工工步分为9步，在两种工艺下采用相同的进给速度。图7为加工模拟仿真图，可以看出加工时间为1小时02分，加工时间大大缩短，同时表面残料更少。

表2　优化后的加工工艺

图7　采用优化后的工艺加工

图8　加工实物

图8是采用优化后的新工艺所加工的零件，相比优化前的工艺，零件表面质量更好，尺寸精度更容易保证，产品合格率得到有效提高，同时大大节约了加工和配模时间。

5　结论

对注塑模外壳凸模进行了加工工艺设计。并重点进行了两处工艺优化：①通过对零件切削区域进行精细划分，采用不同的加工方式更高效的进行加工，提高表面质量，节约加工时间近一半；②在精加工工艺规划上，采用先底后侧的原则，对不加工面在原有余量的基础上增加0.01～0.02mm，使刀具底刃和侧刃不同时参与切削，在不影响零件使用要求的情况下，提高零件的表面质量和合格率，节约修配时间，并保护刀具。

采用多种加工方法生成加工路线，并对加工策略进行优化；利用仿真加工操作，结合刀轨可视化操作的“通过颜色显示厚度”功能，增加刀轨的可靠性。数控加工结果表明：零件的表面质量和加工效率得到提高，经济成本得到节约。为壳类模具的加工提供经验借鉴。

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(编辑李秀敏)

Process Optimization and NC Machining for Shell Punch

YAN Ke-hong

(Wuxi Professional College of Science and Technology, Wuxi Jiangsu 214028, China)

To improve the machining quality and production efficiency，NC machining of shell punch was researched by analysis its characteristics. The machining process was optimized by considering processing order and controling the machining allowance. the bottom side of the junction increased 0.01-0.02mm cutter relieving is arranged based on the principle of first processing the bottom and after processing the side, this will lead the cutter bottom edge and side edge not involved in cutting at the same time, so the tool is protected and the surface quality of parts can improve at the same time. At last, the part tooling path was generated through set the reasonable processing parameters, the tooling path was tested by simulation based on UG NX9.0, and the part is machined smoothly. The results show that the surface quality and processing efficiency can be improved effectively. It provides reference for the process of this kind of parts．

shell punch; processing technology;CNC

1001-2265(2016)09-0120-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.034

2016-02-25;

2016-03-24

无锡市名师工作室(智能制造工作室)专项资金(锡教高职[2015]38号)

颜科红(1980—)，女，湖南湘潭人，无锡科技职业学院讲师，工学硕士，研究方向为CAD/CAM应用技术、数控技术，(E-mail)khyan@126.com。

TH16;TG68

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