一、前言

　　在現(xiàn)代的模具設(shè)計和生產(chǎn)中，通常先應(yīng)用Pro/ENGINEER、UG、MasterCAM等先進的CAD/CAM軟件進行產(chǎn)品的3D圖形設(shè)計，然后根據(jù)產(chǎn)品的圖形特點設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，確定模具型腔、分型面和抽芯結(jié)構(gòu)，生成模具型腔實體圖，最后根據(jù)模具型腔實體圖，編制加工程序在CNC加工中心上進行數(shù)控加工。這些步驟是現(xiàn)代化模具設(shè)計生產(chǎn)的工藝步驟和趨勢，它使得復(fù)雜模具的設(shè)計和數(shù)控加工編程全過程都可以借助CAD/CAM軟件在計算機上完成，它改變了傳統(tǒng)的模具制造方法，有效地縮短了模具制造周期，大大提高了模具的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率。

　　傳統(tǒng)的CNC加工中心雖然具有加工功率大、切削效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是主軸的最大轉(zhuǎn)速一般不超過6000r/min，加工小零件時效率反而不高。高速CNC加工中心價格昂貴，用來加工小件很不經(jīng)濟。針對這種情況，我們充分利用了東莞理工學(xué)校自行設(shè)計的CNC電腦雕刻機，將用MasterCAM編制的CAM程序輸送到雕刻機的控制系統(tǒng)來加工模具型芯。由于雕刻機的轉(zhuǎn)速高達40000r/min，大大提高了加工效率和表面光潔度。

　　二、產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)分析

　　鉛筆刨各方面精度要求很高，壁厚均勻(2.5mm)，表面要求蝕紋處理。鉛筆刨主要由面蓋、透明罩、底蓋和電池蓋等四部分組成，如圖1所示。電池蓋與面蓋間的裝配是通過三個扣位來完成的，其中兩個扣位與面蓋相配，另一個扣位則與底蓋相配，底蓋再以兩顆鏍釘固定到面蓋上。為了方便清潔鉛筆刨內(nèi)部的碎屑，透明罩要能夠單獨裝拆，僅通過長條形的凸條凹槽結(jié)構(gòu)，用手壓兩邊來和面蓋進行裝配。因四個部件均采用不同的材料或顏色，所以不能把所有部件設(shè)計在一套模具內(nèi)。

　　圖1 鉛筆刨外殼示意圖

　　圖2所示的是鉛筆刨面蓋的3D圖形，材料為ABS，收縮率為5‰。為了裝配時的方便與美觀，產(chǎn)品設(shè)計有四個扣位。

　　圖2 面蓋的3D圖形

　　與電池蓋裝配的兩個底扣位采取抽芯機構(gòu)，沿產(chǎn)品邊界圓弧的法線方向抽出，如圖3所示的抽芯1和抽芯2。為避免間隙的不均勻，面蓋上與透明罩裝配的接觸面沒有設(shè)計脫模斜度。由于強制脫模會破壞表面，所以我們采用了如圖3所示的抽芯3結(jié)構(gòu)。兩邊和透明罩相配合的內(nèi)扣位，則采取斜頂出機構(gòu)，如圖3所示。由于內(nèi)扣位與抽芯3中間有一條無法避免的加強筋(見圖2)，導(dǎo)致內(nèi)扣位部分不能和抽芯3做成一個整體的抽芯結(jié)構(gòu)，使模具結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜。因產(chǎn)品的表面要求較高，不能有流道和澆口的痕跡，故采用潛伏澆口，進料口設(shè)在頂針處。

　　圖3 產(chǎn)品的模具

　　三、面蓋零件的前后模型芯設(shè)計

　　這里用Pro/ENGINEER軟件對面蓋零件的3D圖形進行分模處理，并設(shè)計了如圖4所示的分型面。考慮到模具的設(shè)計加工工藝，設(shè)計前模時將抽芯3的分型面設(shè)計成為沿著倒圓角的邊直接向圓角的法線方向延伸10mm而產(chǎn)生的平面，然后再沿抽芯抽出方向構(gòu)建一個5°的斜面。加工此斜面時，須將前模型芯豎起來進行加工。

　　前模上面的鉛筆孔，則直接在前模型芯上預(yù)留出來，加工時先用數(shù)控機床進行開粗加工，再加工銅電極進行電火花放電加工。

　　后模設(shè)計成由后模型芯鑲件和后模模板裝配的結(jié)構(gòu)。先利用線切割將后模型芯鑲件和后模模板分別加工出來，再直接利用數(shù)控加工中心加工后模模板上的止口膠位。由于后模型芯鑲件不便于裝夾和定位，為保證加工精度，加工時需將其和后模模板裝配在一起來裝夾。加工時為了不碰傷分型面，將后模型芯鑲件沿Z方向升高10mm來加工出頂部及四周的曲面。這樣既簡化了加工止口用的電火花銅電極，又方便了對止口膠位進行打磨和拋光。后模中的許多很窄很深的筋條、骨位等處無法直接加工出來，需另外加工銅電極，用電腐蝕方法進行加工。

　　圖4 模具的分型面

　　四、面蓋零件后模型芯的數(shù)控加工

　　我們根據(jù)圖4所設(shè)計的面蓋零件后模型芯加工示意圖，擬定了數(shù)控加工工藝，主要分成如下幾個步驟。

　　1. 曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)

　　因為模具型腔的材料為較硬的鋼件，所以選用φ25的鑲合金平底飛刀進行加工。留下0.4mm的加工余量，進給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為2000r/min。采用Parallel Spiral平行螺旋線銑削，Z方向最大步距(Max Stepdown)0.3mm，刀具重疊間距14.0mm，在工件的外部下刀，開啟Filter刀具過濾功能，公差(tolerance)取0.025。由于后模型芯四周的面幾乎是垂直的，為提高加工效率和質(zhì)量，此處挖槽粗加工只加工型芯的上曲面。刀路軌跡如圖5所示。

　　圖5 曲面挖槽粗加工時的刀路軌跡

　　2. 曲面等高外形半精加工(Surface Finish contour)

　　采用Pocket挖槽粗加工型芯的上曲面后，用等高外形(Surface Finish contour)半精加工四周垂直面。仍選用φ25的鑲合金平底飛刀，加工余量不變。Z方向最大步距取0.25mm，為提高加工效率，Direction of open contours選取Zig-zag來回方式。刀路軌跡如圖6所示。

　　圖6 曲面等高外形粗加工時的刀路軌跡

　　前面這兩道粗加工工序，因加工余量較大，為提高加工效率，采用了φ25的大直徑鑲合金平底飛刀，先在加工中心上進行粗加工。

　　3. 鉛筆孔的粗加工

　　用φ6的平底合金刀，選用曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)的刀路方式加工曲面頂部的鉛筆孔。進給率500mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為6000r/min。采用平行螺旋線(Parallel Spiral)銑削，Z方向最大步距0.05mm，進刀要求在鉛筆孔的型腔內(nèi)螺旋下刀，先留下0.15mm的加工余量。粗加工完成后，選用外形加工Contour刀路，仍用φ6的平底硬質(zhì)合金刀，采用Multi Pass多層銑削方式，進退刀在型腔內(nèi)采用圓弧軌跡來保證加工面的光滑。刀路軌跡如圖7所示。

　　此主題相關(guān)圖片如下：

　　圖7 粗加工鉛筆孔時的刀路軌跡

　　4.曲面等高外形精加工(Surface Finish contour)

　　粗加工型芯面后，選用φ16的平底合金刀進行曲面的等高外形(Surface Finish contour)精加工。進給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為6000r/min，切削公差0.01，Z方向最大步距0.5mm。進退刀具采用圓弧軌跡來保證加工面的光滑。由于裝夾時將后模型芯鑲件沿Z方向升高了10mm，故在深度上留有1mm的余量來控制加工，防止傷及分型面。刀路軌跡如圖8所示。

　　圖8

　　5. 平行式精加工(Surface Finish Parallel)

　　用等高外形刀路精加工完型芯面后，豎直邊的四周已達到要求，但型芯頂面仍很粗糙。再選用(Spherical End Mill)φ1兩刃合金球頭刀，采用平行式精加工(Surface Finish Parallel)方式進一步精加工。進給率800mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為12000r/min。切削最大步距0.05mm，加工角度(Machine Angle)45°，采用Zig-Zag往復(fù)式切削。刀路軌跡如圖9所示

　　圖9

　　經(jīng)過后面這三道工序，因工件已經(jīng)在前面進行了粗加工，留有很小的加工余量，又都是采用很小的切削刀具，故放在了CNC電腦雕刻機上進行加工。采用了很高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進給率和較小的切削步距，大大提高了加工效率和表面光潔度。除了進行模具型芯鋼件的精加工外，我們還在電腦雕刻機上完成了整套模具的銅電極粗精加工，將加工中心和電腦雕刻機有機地結(jié)合起來，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了加工效率。

　　五、結(jié)束語

　　為了提高模具的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率，在模具生產(chǎn)過程中，越來越廣泛地使用CAD設(shè)計和CNC數(shù)控加工的制造方式。如何使模具結(jié)構(gòu)更合理，數(shù)控加工效率更高，精度更高，一直是模具設(shè)計和數(shù)控技術(shù)研究人員努力研究的方向。CNC雕刻機與其他CNC設(shè)備(如CNC加工中心和CNC數(shù)控銑)一樣，其加工基礎(chǔ)也是CAD數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的CNC數(shù)控設(shè)備相比，CNC電腦雕刻機有著性價比高、轉(zhuǎn)速高，加工軟質(zhì)材料效率高、光潔度好等優(yōu)點。因此，應(yīng)用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先進的軟件進行CAD/CAM設(shè)計加工，并將最終的CAM程序傳輸給電腦雕刻機執(zhí)行，也就是將CNC電腦雕刻和數(shù)控加工有機地結(jié)合起來，對小型模具加工來說將是很好的選擇。