（机械制造及其自动化专业论文）模具型腔数控铣削技术研究与应用.pdf

j 山东大学硕士学位论文 摘要 数控加工中心已经广泛的应用于模具型腔的铣削加工中，u gn x ， m a s t e r c a m ，c i m a t r o n 等软件的c a m 功能也在不断发展和增强。但目前即使最先 进的数控编程软件，也需要技术人员制定工艺，选择合适的刀具、切削参数等。 数控机床加工的效率、加工质量，很大程度上取决于工艺编程人员水平的高低。 同时，模具型腔几何形状虽然千变万化，但其构成特征的种类是有限的。对每一 类加工特征，对应着u g 的一种或多种有限的加工方法。通过分析对比研究、总 结规律，可用来指导u gc a m 编程，提高加工效率和加工质量。 本文以模具型腔为研究对象，重点研究了数控加工工艺的优化问题，旨在提 高模具型腔数控加工效率、加工质量，减少对工艺编程人员的依赖程度，为工艺 人员进行工艺优化设计、编制较高质量的数控程序提供指导和参考。 论文介绍了数控铣削刀具与切削用量；分析了模具型腔加工特征组合，并进 行特征分解，确定了各种典型特征的加工方法和刀具；提出了模具型腔粗铣加工 刀具组合方法，进行了粗铣加工走刀方式对比分析。在此基础上，进行了气缸盖 凹模数控加工工艺分析，确定其加工工艺方案，合理选择刀具组合，进行编程与 加工仿真。针对数控加工中因刀具变形产生的加工误差问题，通过试验讨论了加 工槽、圆柱型腔和斜面时，刀杆悬长不同对零件加工质量的影响，并进行了定性 和定量分析，为工艺人员提供了编程参考和依据。 关键词模具型腔；数控加工工艺：刀具组合：刀具悬长 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c n cm a c h i n et o o l s ，e s p e c i a l l yc n cm a c h i n e - c e n t e r , h a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h e m i l l i n gm a c h i n i n go ft h em o l dc a v i t i e s t h ec a mf u n c t i o n so fal o to fs o f t w a r e ，s u c h a su gn x ，m a s t e r c a m ，c i m a t r o n ，e t c h a v eb e e ng r a d u a l l yd e v e l o p e da n di n c r e a s e d h o w e v e r , a tp r e s e n t ，e v e ni ft h em o s ta d v a n c e dc n cp r o g r a m m i n gs o f t w a r en e e d st h e t e c h n i c i a n st om a k et e c h n i q u ea n dt os e l e c ts u i t a b l et o o l sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r s t h e e f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n gq u a l i t yh a sb e e nd e c i d e db yt h el e v e lo ft h ep r o g r a m m i n g t e c h n i c i a n st os o m ee x t e n t a tt h es a m et i m e ，a l t h o u g ht h eg e o m e t r i c a ls h a p e sa r e v a r i o u s ，t h ev a r i e t i e so fi t sc h a r a c t e r i s t i ca r ef i n i t ea n de v e r ym a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c h a so n eo rm a n yf i n i t em a c h i n i n gm e t h o do fu g b ya n a l y z i n g ，c o n t r a s t i n g ，r e s e a r c h i n g a n dc o n c l u d i n gt h e s em e t h o d s ，t h e yc a ng u i d et h ep r o g r a mi nu gc a ma n de n h a n c e t h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ec n cm a c h i n i n gt e c h n i q u ef o r t h em o l dc a v i t i e s ，a i m i n gt or e d u c et h ed e g r e eo ft h ee f f i c i e n c ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t y o ft h ec n cm a c h i n i n gw h i c ha r ed e p e n d e db yt h et e c h n i c i a n s a l s o ，t h i sp a p e ro f f e r s t h eg u i d e sa n dr e f e r e n c e sf o rt h et e c h n i c i a n st oo p t i m i z et h et e c h n i q u ed e s i g na n dt o w r i t et h eb e t t e rc n c m a c h i n i n gp r o g r a m s t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h et e c h n i q u eo p t i m i z a t i o no fc n cm a c h i n i n go fm o l dc a v i t y a tf i r s t ，i ti n t r o d u c e dt h ec n c m i l l i n gt o o l sa n dt h ec u t t i n ga m o u n ta f t e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i cc o m b i n a t i o no fm o l dc a v i t ym a c h i n i n ga n dm a k i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c d e c o m p o s i t i o n ，t h em a c h i n i n gm e t h o d sa n dt o o l so fv a r i o u st y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r e d e c i d e d t h ep a p e ro f f e r e dt h ec o a r s em i l l i n gm a c h i n i n gc o m b i n a t i o nm e t h o d so fm o l d c a v i t i e s ，a n dc o n t r a s t e da n da n a l y z e dt h e m t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec n c m a c h i n i n gt e c h n i q u eo fc a v i t ym o l do fc y l i n d e rc a p ，m a d et h e 、m a c h i n i n gt e c h n i q u e s c h e m e ，r a t i o n a l l ys e l e c t e d t h et o o l sc o m b i n a t i o n ，w r o t et h ep r o g r a ma n dm a d e s i m u l a t i o n a tl a s t ，a i m i n ga tm a c h i n i n ge r r o rg e n e r a t e db yt o o l sd e f o r m a t i o ni nt h e f i e l dc n cm a c h i n i n g ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fm a c h i n i n gq u a l i t yt ot h e p a r t sb e c a u s eo fv a r i o u se x t e n d e dl e n i g t ho fm i l l i n gt o o lw h e np r o c e s s i n gt h es l o t ， c o l u m nc a v i t ya n ds l o p e a l s oi ta n a l y z e dt h e mi nq u a n t i t ya n dq u a l i t ya n do f f e r e dt h e r e f e r e n c e sa n dg i s tf o rt h ep r o g r a m m i n gt e c h n i c i a n s k e yw o r d s n o i dc a v i t i e s ：c n gr o a c h i n i n gt e c h n i q u e ：t o o isc o m b i n a t i o n ：e x t e n d e d l e n g t ho fm i i i i n gt o o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 亲文作者签名：j 弑论文作者签名：堂堂l 二二导 06 r 、t 口 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 模具数控加工技术 1 1 1 模具制造的基本要求和特点 1 模具制造的基本要求 为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具 制造技术制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求： ( 1 ) 制造精度高为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制 造的模具必须具有较高的精度s 模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决 定的，为了保证制品精度，模具的工作部分精度通常要比制品精度高2 4 级， 因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。否则，将不可能生产出合格的制品。 ( 2 ) 使用寿命长模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占 产品成本的l o 3 0 ，其使用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除 了小批量生产和新产品试制等外，一般都要求模具具有较长的使用寿命，在大批 量生产中，模具的使用寿命更加重要。 ( 3 ) 制造周期短 模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水 平的高低。为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提 下，尽量缩短模具制造周期。 ( 4 ) 模具成本低模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工 方法等有关。模具技术人员必须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在 设计和制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，在保证制品质量的前提下，选 择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到最低【l i 。 2 模具制造的基本特点 模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。 ( 1 ) 制造质量高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质 量好。般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在0 o l m m 以内；模具加工 后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度r 。都要求小于 山东大学硕士学位论文 0 8 u m 。 ( 2 ) 形状复杂 模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机 械加工的是简单几何体。 ( 3 ) 材料硬度高模具的硬度较高，采用淬火工具钢或硬质合金等材料。 ( 4 ) 单件生产模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。 1 1 2 模具制造的主要加工方法 1 机械加工 机械加工( 即传统的切削与磨削加工) 是模具制造不可缺少的一种重要的加 工方法。机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加 工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。 2 特种加工 特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材 料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、 线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工 等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的 零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。 3 塑性加工 塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处 理的模坯中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。这种成 形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。 4 铸造加工 对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速 成形。例如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法， 其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模 具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。 5 焊接加工 焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整 体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及 2 山东大学硕士学位论文 内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。 6 数控加工 数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及 工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀 具与工件的相对运动，以完成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有 数控车加工、数控铣加工、数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工；在塑性加 工中有数控冲床加工、弯管机加工等；在特种成形中则有数控电火花加工、数控 线切割加工、数控激光加工等。 1 1 3 数控机床技术 现代数控机床的技术领域涵盖了包括自动控制技术、电子技术、数字技术、 电力电子技术和电动机技术、精密测量技术、软件技术、通信技术、机械制造技 术等多门类学科，作为现代制造业主流装备的数控机床，高速高效化、紧密化、 工序复合多功能化、柔性化和系统化会成为数控机床未来的主要发展趋势。 1 高速、高效加工 进入2 l 世纪，数控机床开始向高速、高精度加工发展，高速加工不但可以大 幅提高加工效率、缩短加工时间、降低成本，而且可以使表面质量和加工精度达 到更高水平。数控机床全面高速化的主要体现有：高的主轴转速，高的快速移动 速度和进给速度，各坐标轴高的加减速度，高的换刀速度，高的托盘交换速度， 控制系统更高的数据处理速度等。高速加工的切削速度比普通数控机床要高5 8 倍，高速加工主轴一般采用电动机与主轴一体化的电主轴：进给驱动逐渐由滚珠 丝杠向直线电动机驱动过渡，目前采用滚珠丝杠驱动时，最大快移速动速度可以 达到1 6 0 m m i n ，加减速度达到1 5 9 ；采用直线电机驱动，快速移动最大可以达到 2 5 0 i r d m i n ，加速度达到2 9 以上。 2 高精密、超精密化j n - r 超精密加工主要包括超精密车削和铣削、超精密磨削、研磨、超精密特种加 工，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( 小于l o n m ) ，在向更高精度( 纳 米级) 发展的同时，也向高效和大型化发展；更多的采用软件补偿技术提高加工 精度，加工与计量相结合，边加工边测量，在监控环境下保证加工精度：向模块 山东大学硕士学位论文 结构和廉价化发展；加工材料更加广泛，由金属扩展到非金属( 玻璃、陶瓷等) ： 工艺方法向多样化方向发展。 3 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。衡量可靠性的重 要量化指标平均无故障时间m t b f ( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) ，作为数控机床的 大脑一数控系统的m t b f 已由2 0 世纪7 0 年代的3 0 0 0 h ，8 0 年代的1 0 0 0 0 h ，提高 到9 0 年代初的3 0 0 0 0 h 。目前日本的f a n u c 的c n c 系统的m t b f 已达1 2 5 个月。 4 工序复合化和复合加工 镗铣类加工中心是工序复合化机床的典型代表，它把镗、铣、钻、绞、攻螺 纹等多工序结合在一台机床上，粗、精加工兼容，减少了工件在其加工过程中的 装夹次数和定位调整时间，提高了加工精度和效率。工序复合化在加工中心概念 的带动下渗透到其他各类数控机床上，出现了车削中心、车铣中心、磨削中心、 齿轮加工中心以及各种复合加工中心。车削中心具备c 轴功能和动力刀架；车铣 中心又增加了y 轴和b 轴功能，可使工件在一次装夹后完成全部3 nt 。复合加工 的工艺范围在不断扩大，如切削与磨削，切削与电加工以及切削与激光加工复合 在一起。 5 智能化、网络化、柔性化和集成化 2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面，为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适 应控制，工艺参数自动生成：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈 控制、电极参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等：简化编 程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等：还有 智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 目前世界上许多c n c 生产厂家利用p c 丰富的软、硬件资源开发出开放式体 系结构的新一代c n c 。开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平 台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ， 形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速 实现不同品种、不同档次的开放式系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。 开放式体系结构使c n c 具有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可 一d 山东大学硕士学位论文 适应向智能化、网络化发展的需要。开放式体系结构可以大量采用p c 机的技术， 如多媒体技术，进而实现声控自动编程或图形扫描自动编程；增强c n c 的通信能 力，实现进线、联网或远程控制、故障自动诊断和排除。 6 并联机床技术 并联机床和直线电机驱动被公认为2 0 世纪末机床技术的重大突破。并联机床 在机械结构上应用并行杆系机构。并联机床具有机械结构简单和运动轨迹计算复 杂化的特征，其最显著的优点是机床基本性能高，精度相当于坐标测量机，比传 统的加工中心高2 1 0 倍，刚度为传统加工中心的5 倍。随着这种结构技术的成 熟和发展，预示着数控机床技术将进入一个有重大变革和创新的时代2 1 。 1 14 模具c a d c a m 技术 c a d c a m 是以计算机技术而发展的软件技术，硬件平台经历了大型机、小 型机、工程工作站，发展到如今以w i n d o w s 平台为基础的高档p c 及n c 工作站 平台，c a d 软件也由2 d 及3 d 线框，曲面，实体造型，发展到复合造型及将来 的完全造型系统等几个主要的技术发展阶段。典型的c a d c a m 系统有：u g h ， p r o e ，m a s t e r c a m ，c i m a t r o n 等。 c a d c a m 技术在模具行业得到了最为广泛的应用，模具c a d c a m 技术的 应用效果体现在： ( 1 ) 提高了模具质量 ( 2 ) 提高了生产效率 ( 3 ) 降低了成本 ( 4 ) 缩短了模具的开发周期 ( 5 ) 减轻了劳动强度 模具c a d 在通用产品c a d 技术的基础上按照各类模具的设计流程定制并融 合了模具专业知识，提高了模具设计的效率。u gn x ，p r o e ，m a s t e r c a m ，c i m a t r o n 等软件中内嵌有模具设计模块，也有在通用c a d 软件上二次开发的模具设计软 件。 数控编程过程主要包括：分析零件图样，确定加工工艺过程，数值分析，编 写零件加工程序，制作控制介质，校对程序及首件试切，如图1 1 所示： t 山东大学硕士学位论文 数控编程的方法可分为手工编程和自动编程两大类。对于简单平面零件可以根据 手工直接编写数控程序；对于复杂平面零件，特别是三维零件加工程序的编制， 需要大量复杂的计算工作，程序段的数量也比较多，需要计算机自动编程。 零件图纸 几何信息工艺信息 ：| = 件轮廓材料 儿何形状表面质量 尺寸公差表面粗糙度 工件刚度 n c 机床 加工空间范围 刀具 主轴转速 进给量 切削速度 其他参数 ：i ：艺分析 ( 1 )对刀点( 2 ) 加工路线 ( 2 ) 刀具选择( 4 ) 切削用量 ( 5 ) 切削方式及辅助性工艺 图1 - 2 手工编程阶段图 6 叫 山东大学硕士学位论文 手工编程：是指主要由人工来完成数控机床程序编制各个工作段的工作，见 图l 。2 。当被加工零件形状不十分复杂和程序较短时，都可以采用手工编程的方 法。手工编程在目前仍然是广泛采用的编程方式。 语言数控自动编程：就是用专用的语言( a p t 语言) 和符号来描述零件图纸 上的几何形状及刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其他工艺参数等。这个程序称 为源程序，将编好的源程序输入到计算机内，运用计算机内的编译程序进行编译， 生成数控程序。 图1 3c a m 软件功能 c a d c a m 计算机辅助编程：它是以零件c a d 模型为基础的种集加工工艺 规划及数控编程为一体的自动编程方法。c a d c a m 的主要特点是在图形交互方 式下进行加工工艺规划、显示和修改。c a d c a m 编程的一般过程包括刀具的定 义或者选择，刀具相对于零件表面的运动方式的定义、切削加工参数的确定、走 刀轨迹的自动生成、加工过程的动态图形仿真显示、程序验证直到后处理等，一 一7 山东大学硕士学位论文 般都是在屏幕菜单及命令驱动等图形交互方式下完成，具有形象、直观和高效等 优点。模具c a m 软件的功能如图l 一3 所示。 1 2 课题背景 数控机床( 尤其是数控加工中心) 已经广泛的应用于模具型腔的铣削加工中， u gn x ，m a s t e r c a m ，c i m a t r o n 等软件的c a m 功能也在不断发展和增强。但目 前即使最先进的数控编程软件，也需要技术人员制定工艺，选择合适的刀具、切 削参数等。数控机床加工的效率、加工质量，很大程度上取决于工艺编程人员水 平的高低。 u g 以其强大的功能、先进的技术闻名于c a d c a m c a e 领域，在模具行业， u g 是应用比较多的c a d c a m 软件之一。u g 的c a m 铣削模块功能强大，提 供了平面铣削、型腔铣削、固定轴曲面轮廓铣削、多轴铣削加工方式，可以很好 的满足模具型腔的加工要求。u g c a m 在整个操作过程中，均提供了交互式产生 精确刀位轨迹的方法，用户可以根据不同的应用环境，编制合适的加工程序。u g c a m 的操作方式的多样性使其具有灵活性和柔性，要求使用者具有较丰富的实 际经验及数控加工的技巧，也就存在了一定使用难度。 模具型腔几何形状千变万化，但其构成特征的种类是有限的。对每一类加工 特征，对应着u g 的一种或多种有限的加工方法。通过分析对比研究，可以总结 一些规律，来指导u gc a m 编程，提高加工效率和加工质量。基于以上认识，本 文将对u gc a m 模具型腔加工编程中的一些问题进行分析研究。 铣削过程中，铣削抗力会使刀具产生变形，加工出的工件尺寸、形状产生误 差。但偏差的大小、偏差是否能控制在允许的公差范围之内，则与切削用量、铣 削条件和具体工艺等多种因素有关，其中刀具悬伸长度就是一个重要的影响因素。 那么铣削加工时不同的刀具悬长对加工结果有何影响? 有无规律可循? 本文将进 行试验研究，能够对编程工艺人员起到定量或定性的指导作用。 1 3 研究现状 与模具型腔数控铣削技术相关的研究内容有很多，以下列出几个方面： - 8 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) c a m 编程技术 ( 2 ) 铣削用量优化 ( 3 ) 铣削刀具组合优选 ( 4 ) 高速铣削技术 ( 5 ) 铣削表面质量 ( 6 ) 铣削工件变形控制 c a m 软件的功能一直在不断地增强和完善，同时，高速铣削技术、微细加工 技术的发展也推动了c a m 的发展。以u g 为例，n x2 0 中c a m 功能得到了进 一步增强。其中包括以下6 部分： ( 1 ) 拐角粗加工 ( 2 ) z l e v e l 参考刀具 ( 3 ) 刀轨沿切向延伸 ( 4 ) 摆线切削 ( 5 ) 增强刀柄定义 ( 6 ) 文字雕刻 工艺参数的选择对数控加工效率的影响很大，因此做了很多的研究。研究集 中于找出刀具序列的选择方法以及刀具可加工区域的划分等方面， 加利福尼亚大学的r o s h a n l 3 i 对自由型腔的三轴铣削加工刀具序列的选择进行 了一系列的研究，克服了以前对刀具选择的方法局限于两把刀具的局限性：并且 对2 5 d 型腔的可加工区域进行划分，然后将3 d 型腔按投影距离不大于6 进行分 层，每一层视为一个2 5 d 型腔，进行刀具组合选择，成本计算。 华中科技大学的方清华、梁培志1 4 i 等在模具型腔加工参数的优化问题上进行 了一系列研究，阐述了在c a d c a m 集成环境下编制数控加工工艺的过程以及优 化加工参数的必要性。通过分析需要优化的i j h 7 - 参数，给出了加工参数的优化模 型。并采用双重法对刀具和加工平面进行优化，首先将型腔按一定步长进行分层， 选择每层的刀具，如果相邻两层的不同刀具分别加工时间大于其中一把刀具加工 两切削层的时间，则进行合并，并选用该把刀具，最后得到刀具组合。然后在考 虑机床功率、表面精度要求、最大切削力、以及机床进给速度和主轴转速等约束 9 山东大学硕士学位论文 的前提下，建立最d 力h - f 时间优化模型。 上海交大国家模具c a d i 程研究中心的王玉【5 1 博士在u g o p e na p i f l 勺环境下 应用c 语言开发了模具型腔数控加工计算机辅助刀具选择系统( c a t s ) ，输入c a d 模型，输出刀具类型、刀具参数、铣削深度、进给量、主轴转速和加工时间等。 为方便刀具的选择，将加工过程分粗、半精和精加工三步，分别选择合适的刀具。 粗加工综合考虑加工时间和残余体积的关系，提出了效率系数的概念，作为最优 刀具的选择依据。 在数控加工中，刀具悬伸量的不同，对加工质量影响也很大，国内目前关于 刀具悬伸的研究主要有： 广东工大机电学院的秦哲? l 等通过不同刀具悬仲量条件下高速铣兴旺淬硬模 具材料的实验研究，记录和分析了铣削过程中切削力、振动、刀具后刀面磨损面 积和表面粗糙度的变化，优选刀具伸量。通过刀具的合理使用，提高刀具的加工 能力。 淮海工学院机械工程系的陈书法1 7 i 等通过对数控铣削加工中刀具的受力进行 了理论分析，对由此引起的刀具变形造成的加工误差进行了论述和分析，提出补 偿方法。 大量相关文献表明，选择两把刀具并不困难，然而，以一个比较优化的方法 来选择一个三把或者三把以上的刀具系列是比较困难的，关键是找出针对不同型 腔特征的刀具选择规律。 基于前人的研究成果，本课题利用u g n x 软件的加工方法，对模具型腔加工 特征，进行分析对比，总结规律，来指导u gc a m 编程。同时研究数控铣削加工 中刀具悬伸对加工精度的影响，为工艺员提供辅助决策参考。 1 4 本文的内容和结构 本文的主要内容为：设计了模具型腔数控加工工艺优化系统，包括粗、精加 工工艺路线的选择和优化，粗加工的刀具组合。研究了基于模具型腔工艺路线的 确定方法；分析模具型腔加工特征，进行特征分解，确定各种特征的加工方法和 刀具：提出模具型腔粗铣加工刀具组合方法和针对不同特征的走刀方式，并进行 1 0 津 山东大学硕士学位论文 了模具型腔数控铣削加工应用。最后通过现场的试验讨论了刀具加工时因刀杆悬 长不同对零件加工质量的影响。 本文重点研究了模具型腔数控加工工艺的优化问题，有助于工艺人员编制较 高质量的数控程序，缩短模具的加工时间降低加工成本，也缩短了产品的开发周 期，提高企业的竞争力。 本文结构如下： ( 1 ) 第l 章，绪论。综述模具制造的基本要求和特点、模具制造的主要加工 方法、数控机床技术和模具c a d c a m 技术。介绍了课题的研究背景，近年来国 内外在模具型腔数控铣削技术方面的研究现状、课题的目的、意义和本文的内容 及结构。 ( 2 ) 第2 章，模具型腔数控铣削加工工艺优化。进行模具型腔数控铣削加工 工艺优化研究，介绍数控铣削刀具与切削用量，分析模具型腔加工特征，进行特 征分解，确定各种特征的加工方法和刀具。提出模具型腔粗铣加工刀具组合方法 和针对不同特征的走刀方式。 ( 3 ) 第3 章，模具型腔数控铣削加工应用。应用u g n x 进行了典型模具型腔 的数控加工，详细分析了模具型腔加工特征组合，合理制定加工工艺方案，确定 了加工刀路和刀具组合，编制数控加工程序并进行仿真模拟。 ( 4 ) 第4 章，进行了数控铣削加工中铣刀悬长与加工精度的研究。分别进行 了槽、圆柱型腔、斜面数控加工时刀具悬长对加工精度的影响试验，并进行了定 性和定量分析，为数控工艺编程人员现场应用提供了参考依据。 ( 5 ) 全文总结和对进一步工作的建议。 电 蕾 山东大学硕士学位论文 第2 章模具型腔数控铣削加工工艺优化 模具型腔数控铣削加工工艺流程：粗铣一半精铣一精铣一清角。影响型腔数 控铣削工艺方案选择的因素有很多，主要有加工材料、加工方法、加工设备、走 刀方式、刀具参数、切削用量、加工精度、加工余量、装夹方式、下刀位置、进 退刀方式等等。 2 1 铣削参数与铣削刀具 2 1 1 数控加工的铣削参数 合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考 虑经济性和加工成本；精加工时，首先应保证加工质量，兼顾切削效率、经济性。 具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。 粗加工为体积加工，从高的生产率考虑，应在保证刀具耐用度的前提下，使 材料的去除率最大，而材料的去除率又与吃刀量( 切削深度、切削宽度q e ) 、 进给速度v ，、切削速度v c 等有关。切削用量各要素中，任一要素的增加都会使刀 具的酬用度下降，但影响程度不同，影响最大的是切削速度，切削速度稍一提高， 刀具寿命就会有明显的降低，其次是进给速度，最小的是吃刀量。为使所选的切 削用量使生产率高且对刀具耐用度下降影响最小，一般首先选择尽可能大的吃刀 量，其次是确定进给速度v f ，最后根据刀具耐用度确定切削速度v c 引。 主要铣削参数如下： 1 切削深度a d 在机床动力足够、工艺系统刚度允许的情况下，尽量提高，这是提高生产 率的一个有效措施。但是切削深度的提高会降低刀具的寿命，但是影响不大。 2 切削宽度 一般与刀具直径d 成正比，与切削深度成反比。经济型数控加工中，一般 q e 的取值范围为：吒= ( 0 6 0 9 ) d 。切削宽度对刀具寿命的影响同切削深度。 3 切削速度v 。 提高v c 也是提高生产率的一个措施，但v 。与刀具耐用度的关系比较密切。随 - 1 2 着v c 的增大，刀具耐用度急剧下降，故v 。的选择主要取决于刀具耐用度。另外， 切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削模具钢时，v 。可采用 1 2 0 m m i n 左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v c 可选8 0 0 m m i n 以上。 4 主轴转速”( r m i n ) 主轴转速一般根据切削速度v c 来选定。计算公式为： = 1 0 0 0 ( 2 - 1 )蒯 j 式中：卜刀具或工件直径( 哪) 数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调( 倍率) 开关，可在加工过程 中对主轴转速进行整倍数调整。 5 进给速度v r 进给速度v 应根据零件的d h ：y - 精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来 选择。v ，的增加也可以提高生产效率。进给速度u 与每齿进给量正有关。粗加工 时，每齿进给量正的选取主要决定于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀类型。 工件材料强度和硬度越高，选取的正越小，反之则越大；硬质合金铣刀的每齿进 给量正应大于高速钢铣刀。而精加工时，每齿进给量正的选取要考虑工件表面粗 糙度的要求，表面粗糙度要求越高，v ，越小。进给速度v ，、每齿进给量正与转速n 之间的关系是： ”，= 正历( 2 2 ) 在加工过程中，吁也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是 最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。 6 体积切除率 v - = g ex a px l , , f = a ex a p xf xz x 正= a e x a p xz x 正等 ( 2 3 ) 式中，v 广工作台进给量，m m m i n ： n 机床主轴转速，r m i n ； z 一齿数； 正一每齿进给量，m m f r ； d c 一刀具直径，n l n l 。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 铣削方式 铣削方式见图2 1 。 顺铣一铣刀切出工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同。 逆铣一铣刀切出工件时的切削速度方向与工件的进给方向相反。 ( a ) j i l 页铣 ( b ) 逆铣 图2 - 1 顺铣和逆铣 顺铣和逆铣相比较，顺铣加工可以提高铣刀耐用度2 3 倍，工件的表面粗糙 度值较小，尤其在铣削难加工材料时，效果更加明显。但是，采用顺铣，首先要 求铣床有消除工作台进给丝杠螺母副间隙的机构，能消除传动间隙，避免工作台 窜动，其次，要求毛坯表面没有硬皮，工艺系统有足够的刚度。如果具备以上条 件，应优先考虑采用顺铣，否则应采用逆铣。模具型腔铣削一般采用顺铣。 2 13 数控铣削刀具及选择 数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应 包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力 头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法1 8 i 。 根据刀具结构可分为：整体式；镶嵌式( 采用焊接或机夹式连接，机夹 式又可分为不转位和可转位两种) ；特殊型式如复合式刀具，减震式刀具等。 根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀具；硬质合金刀具：金刚 石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。 - 1 4 山东大学硕士学位论文 根据刀具轮廓底面圆角的大小可以分为平底铣刀( 直角立铣刀) 、r 刀( 牛鼻 刀) 以及球形刀，如图2 - 2 所示。 型腔铣削刀具选择与加工特征相对应，见图2 3 。生产中，平面零件周边轮 廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金镶嵌刀片铣刀；加工凸台、 凹槽时，选立铣刀：加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米 铣刀、球头铣刀或r 刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头 铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。 、 。 、j 直角立铣刀r 刀球形刀 图2 - 2 立铣刀类型 图2 - 3 铣刀类型与加工特征 山东大学硕士学位论文 在模具型腔的数控加工中，最常用到是立铣刀进行铣削加工。特别是一体式 立铣刀和镶片式立铣刀。一体式立铣刀一般为普通高速钢刀具，由于低廉的价格， 仍被广泛应用：镶片式立铣刀所镶刀片一般为合金刀片，与一体式刀具相比大大 减少了刀具材料的消耗，而且便于更换。 球头铣刀常用于复杂曲面的精加工。与球头刀相比，直角立铣刀在平面加工 的切削效率和切削质量方面有明显的优势：一是加工效率高，在相同的加工条件 下，平头立铣刀的有效半径相对较大，直角立铣刀可以采用较大的行距，加工效 率高：二是切削性能好，球头铣刀的切削刃在不同位置处的切削速度不同，而且 在接近球头端点处的切削速度几乎为零，加工后容易在零件表面上留下划痕，而 直角立铣刀的切削刃上不同位置处的切削速度相同，因而具有良好的切削性能， 因此，只要在保证不过切的前提下，应优先选择平头刀。 对于镶片式牛鼻刀，由于镶片式铣刀在刀具磨损以后只需将磨损的刀片进行 转位或者更换，刀杆可以重复使用，因此合金刀片比一体式合金刀的成本降低了 许多。又由于合金刀片又比高速钢刀具在强度、切削效率以及加工质量方面有不 小的优势，因此为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近 几年镶片式合金刀片得到越来越广泛的应用。 在保证相同的残留高度下，对三种刀具( 直角立铣刀：e m 2 0 ；球刀：。b m 2 0 ： r 刀：e m 2 0 r 4 ) 加工不同特征面切除效率进行了比较，见表2 1 。 一1 6 山东大学硕士学位论文 表2 - 1 切除效率比较 斜面加工 实例刀具 切削宽度相对切残留高度 角府 方式r m m 、 除效率 r m m 、 号i 1 2l 平面 ( )、 0 杉夕黝)j 1 2 60 1 0 5 0 0 1 加： 旷 2 j 1 21 ( ) )l 3 0 3l 浅平 ( j _ 、 1 0 0 面加 锄2 l2 6 04 1 6 o 0 1 旷 ：! j 2 3 507 7 6 ( ) )l l5 01 浅平 狲 仃、 o 0 1 4 5 o 面加 1 2 60 8 4 2 ， 01 )j 1 3 50 9 ( ) 等高 笏 )j 00 40 0 3 2 7 5 o 轮廓 p、 00 1 加工 2 1 2 61 01 )j 0 5 60 4 4 4 ( ) 1 0 1 等高 霾 ) ( 切深) 9 0 。轮廓、 5 o 0 1 加工 2 ( 切深) o 5 ( )1 0 5 6 0 0 5 6 ) j( 切深) 1 7 山东大学硕士学位论文 2 2 模具型腔加工特征与加工方法 模具型腔一般由多种多个加工特征组合而成( 如图2 - 4 所示) 。加工时，通常 是通过特征分解，针对各种特征确定相应的加工方法、选择刀具。图2 - 4 模具型 腔综合了各种典型特征，通过对该型腔特征分解，得到不同加工特征选用的刀具 与铣削方式，结果见表2 2 。 水平面 自由曲面 凸台 图2 - 4 模具型腔 2 3 模具型腔粗铣的工艺优化 粗铣工艺优化目标： ( 1 ) 提高加工效率； ( 2 ) 降低加工成本； ( 3 ) 留量均匀，便于半精加工和精加工。 1 8 山东大学硕士学位论文 表2 - 2 型腔加工特征刀具一铣削方式 加工特征加工操作 标 几何轮廓刀具 铣削方式( u g ) 特征分类 识 宽度连续性d r类型 孔铣削孔od 孔径e m r m 狭槽 u 固定 封 d = 槽宽 e m 腔 闭 r ( = 拐角园半径， 腔 p e m r m b m d 最小宽度 c a v i t ym i l l i n g 开 沟槽 g 固定部d = 槽宽 e m p l a n a rm i l l i n g 口 开口腔 c 分d 型鲴噘丛韭3 噘 ii i广 。 图2 - 6 铣型腔时的刀具铣削宽度 一2 0 一 山东大学硕士学位论文 图2 - 7 铣型腔拐角时的刀具铣削宽度 2 3 2 粗加工的走刀方式 粗加工的主要目的是快速、高效地去处余料，对刀位轨迹的具体要求就是跨 距、切深较大，进退刀少，顺铣、逆铣混合使用1 。u g 中的型腔铣( c a v i t y m i l l i n g ) 适合对模具型腔零件做粗加工。 对于腔槽粗加工来说，a n t 方式是影响加工时间的最主要的因素之一。为了 缩短粗加工时间，选择合适的走刀方式来铣削某一特定加工区域是相当重要的。 选择走刀方式时要考虑两点：一是加工时间的长短，二是加工余量是否均匀。一 般来说，选用螺旋走刀方式在平面域的加工余量较均匀，基于工件形状的走刀方 式尤佳。而选用平行走刀方式的加工余量较不均匀，若忽略余量不均匀性要求， z i g z a g 走刀的刀轨长度通常是比较短的。 利用u gn x 多种加工区域图形进行实验，得出以下几点结论： ( 1 ) 平行走刀方式在区域边界留下的余量往往是不均匀的，希望加工后留下 较均匀的余量，通常需要增加围绕边界的环切刀轨。若忽略余量不均匀性，z i g z a g 走刀方式下获得的刀轨是最短的：若考虑余量的不均匀性而增加环切刀轨，则刀 轨一般会比f o l l o wp a r t 刀轨长。 2 1 山东大学硕士学位论文 ( 2 )