型腔与型芯的加工优化.doc

台州科技职业学院 数控技术10—1 蔡耀萱

毕业设计(设计)
（2013届）

题 目 型腔与型芯的加工优化
实习单位 申发轴瓦厂
实习岗位 数控操作员
专业班级 数控10-1
学生姓名 蔡耀萱
指导教师 陈玉梅

2013年 6月 1 日

目录
摘要 2
1引言 2
2设计任务分析 2
3 方案初步选定 2
4方案详细说明 3
4.1 加工的零件图样 3
4.2顶杆孔和水路的加工 4
4.2.1顶杆孔加工 4
4.2.2水路孔加工 4
4.3型腔加工方案 4
4.3.1型腔粗加工 4
4.3.2型腔半精加工 6
4.3.3型腔底面加工 7
4.3.4型腔侧壁加工 8
4.3.5型腔平面加工与接刀 9
4.3.6型腔成品图样与加工工艺表 10
4.4型芯加工方案 11
4.4.1型芯粗加工 11
4.4.2型芯半精加工 12
4.4.3型芯底面加工 12
4.4.4型芯侧壁加工 13
4.4.5型芯曲面加工 14
4.4.6 型芯加工成品图样及加工工艺表格 16
5总体评价 17
致谢 17
参考文献 17

18

型腔与型芯的铣床加工优化
蔡耀萱

摘要 使用不同的加工方式试验型腔和型芯的加工质量与加工时间。研究自动化编程的优点与缺点，优化加工方法。
关键词 型芯 型腔 加工优化
1引言
现代社会发展中模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。其中模具的生产制造分产品设计和加工两个方面，产品设计的好坏决定了模具的加工成本和模具成型时带来的收益，而加工的方法决定了模具制作的时间和质量。模具中重要的零部件就是型芯和型腔，而对于这两个重要零部件的加工也体现出了模具的好坏，加工的质量将直接影响到模具生产出的产品质量。对于型芯和型腔的加工方法是多种多样的，型芯加工属于外表面加工，用一般的铣床就能成型，而对于型腔的内表面加工较为复杂铣床无法一次性加工到位，还需要应用电火花、超声波、电化学等加工方法。
2设计任务分析
模具型腔型芯的加工大多都较为复杂和多样化，各种不同的模具加工会有较多的差异。使用各种不同的的加工方法使模具加工的时间和质量都有较大的变化。因为加工方式不同，所以在加工都有着较大的差异，对于模具的制造型芯和型腔的加工质量有着决定性的作用。本次设计是对于型芯和型腔在铣床上加工方式的改进和优化。
3 方案初步选定
在这次加工方法的优化中，使用UG三维编程软件，版本为8.0。在材料上选用45号钢未经处理，HRC在20—25之间，长为180mm、宽为130mm、型芯毛胚高50mm、型腔毛胚高40mm。数控铣床一台，最高钻速在8000r/min进给速度GO速度在无坐标误差过大影响下可达32000mm/min，操作系统为Fanuc Oi- MD
4方案详细说明
4.1 加工的零件图样

图4-1产品正面 图4-2产品反面
图4-1为加工零件的外表面由复杂的上表面和有拔模斜度的侧壁，外表面的加工定位在型腔上，对于表面加工选用平面加工方法与侧壁的加工分开，如果选用整体加工则只有顶部曲面部分能完整加工而在侧壁的加工质量不能达到要求。
图4-2为加工零件的内部，它由底部曲面、侧壁、加强筋和6个孔柱共同组成。蓝色内部属于型芯部分，6个孔柱在分模设计时为顶杆孔，加强筋的加工较为困难，只能选用小直径的刀具用高转速慢进给的方法进行加工。曲面和侧壁的加工使用与加工型腔相同的加工方法。

图4-3模具型芯 图4-4模具型腔
型芯与型腔分模处理后图样如图4-3与图4-4所示，型芯与型腔的设计方案为镶块的方式所以按照毛胚大小180×130×50/40加工出的型芯与型腔只为其中的1/2。其中四周突起部分型芯和型腔在装配时所需求的定位，在加工是精度需求较高，孔为镶嵌孔，需要加工出深度为10mm的定位螺纹，其余细节部分还需加工四周倒斜角。
4.2顶杆孔和水路的加工
4.2.1顶杆孔加工
顶杆孔应在UG上定位孔的位置然后使用G83钻孔程序进行编程加工，用中心钻定位型芯毛胚上的孔位然后使用直径为5.7mm的的钻头打出深20mm的孔，依次加工6个孔位，然后用直径为6mm的铰刀进行绞孔加工，绞孔深度在10-12mm之间。反转型芯毛胚，使用直径为6.2mm的钻头按原坐标进行孔的加工，深度为38-40mm。顶杆孔为上小下大，后半部分需扩孔加工。
4.2.2水路孔加工
　　水路孔在型芯和型腔中处于底部加工需要将工件侧向装夹确保孔位准确，同样使用G83编程的方式进行孔的加工，由于水路孔加工深度较大所以在加工进给速度上应该保持在30-60mm/min之间防止钻头崩断。
4.3型腔加工方案
4.3.1型腔粗加工
型腔粗加工需要具有快速高效的要求，在深腔加工中应该注意切削是铁屑的排除，使用UG编程软件应先要对型腔进行坐标的更改，符合机床夹具的装夹
方向避免出现加工上的意外情况。对于刀具选用应看情况而定，虽然刀具直径越大切削时间越短，但是效率却不一定是最高的，选择道具应先观察型腔中侧壁最小的圆角部分，而选用的刀具不能超出圆角直径太多，否则在精加工时容易使精加工刀具受力不均匀，使表面质量受到影响，严重的则直接使刀具崩坏。
对于粗加工方式选用UG中的跟随周边方式如图4-5所示。因为型腔为内表面加工，加工方式为轮廓加工的方式所以刀具步距一般选用50%—80%之间较为合适。
图4-5型腔粗加工参数
加工时铣床主轴转速的选取应当根据刀具而定，一般粗加工刀具选用2刃刀具，在加工时有较好的排屑能力，进给和主轴转速如图4-5所示，既能有较高的加工速度又能减小刀具磨损程度使刀具寿命延长。加工参数设定完后刀路轨迹如图4-6所示。

图4-6型腔粗加工刀路图
红色刀路为抬刀的运动轨迹，蓝色部分为层与层之间的移动刀路，黄色部分则是刀具下刀时近刀的轨迹，这里根据刀具和加工方式选用了螺旋下刀，角度为15°，螺旋的半径为刀具的90%，确保刀具在Z向进给时减小受力。刚开始进刀是应该确定机床主轴转速、进给速度倍率是否设置正确，第一刀进入时应采取加工进给速度的1/2，因为此时刀具切削受力是100%而不是设定的50%—80%。加工结束后图样如4-7所示。

图4-7型腔粗加工结果
粗加工完可以较清晰的看到在型腔底部曲面部分形成明显的台阶状轮廓，因为间距较大而且在层与层之间又有着较大的距离，所以如果直接进行精加工可能会使刀具崩断，应进行半精加工来减小精加工的加工余量确保加工的质量。
4.3.2型腔半精加工
半精加工在加工流程中的二次加工，减小精加工的余量让精加工刀具在加工是受力均匀能加工出较好表面质量的零件，所以半精加工在加工余量上的选择显得非常重要，对于一般精加工余量留0.3mm左右能得到较好的表面质量。

图4-8型腔半精加工参数
半精加工的刀具选择应在粗加工的基础上减小刀具半径，减小粗加工留下的过剩余量。

图4-9型腔半精加工刀路与结果
加工参数设置如4-8所示，和粗加工相比较刀路更加的密集，能在一些较小的圆角上加工到位，在刀具步距选择上应小于或等于粗加工的步距。加工的刀路和效果如图4-9。在余量上半精加工的结果和4-7相比有了明显的减小，而且型腔的大致轮廓加工完毕了，方便了精加工时刀具加工位置的判定。
4.3.3型腔底面加工

图4-10型腔曲面加工参数
在UG中对于曲面的加工常用轮廓加工的方法，选取要加工的平面后设定加工参数（图4-10），在加工曲面时应该选用球刀进行加工，刀具的直径根据底面圆弧而定，一般情况下刀具直径小于圆弧的直径，但最小选择6mm，刀具过小在加工中受力过大韧性不足容易断刀当圆弧直径小于6时应分2次加工提高效率保障刀具的使用寿命。
加工时刀具往复运动时与X轴成(30-45)°角在加工曲面时能得到高效率的表面和加工的速度，主轴转速在6000r/min左右而进给速度可以达到4000mm/min相对于直线型的加工节省了较多的时间，表面的质量却更加方便与打磨抛光。

图4-11型腔曲面加工刀路和结果
4.3.4型腔侧壁加工

图4-12型腔侧壁加工刀路和结果
　　侧壁加工因为有拔模斜度所以不能一次性的加工完成只能进行深度轮廓加工，加工侧壁的同时将倒斜角加工完毕节省加工时间。刀具应该选用圆角刀方便刀具在接近底面时不破坏底面并且加工底部圆角。加工的主轴转速在5000-6500r/min，进给设置在3000-3500mm/min能加工出较好的表面质量，在加工中对于底部应留0.02mm的余量防止破坏底部曲面。

4-13型腔平面加工刀路 图4-14型腔加工接刀刀路图

4.3.5型腔平面加工与接刀
型腔平面部分较少只需使用平面刀具加工，但需好的平面质量需要使用镶刀片的刀具才能有较好的表面质量，而一体刀会在平面上形成刀路痕迹，在平面加工时需要高转速低进给，转速6000r/min而进给在500mm/min能加工出较为镜面的平面质量。
加工完底部曲面和侧壁时因为刀具使用不同，侧壁为圆角刀而底面为球头刀，所以在加工的边界相交的地方有接刀痕迹（如图4-15），需要除去加工的轨迹和多余的余量。加工方式用跟随轮廓方式在Z轴方向变量加工，刀具应小于接刀处的圆弧大小。

图4-15型腔无接刀处理样品

4.3.6型腔成品图样与加工工艺表

图4-16型腔加工完成样品
型腔加工工艺卡片
加工顺序
加工方式
加工部位
刀具直径
(mm)
主轴转速
(r/min)
进给速度
(mm/min)
加工余量
(mm)
粗加工
轮廓加工
型腔轮廓
D20
2500
2000
1
半精加工
轮廓加工
粗加工余量
D12
3000
2000
0.3
精加工
往复扫描
底部曲面
B8
6000
4000
0.01
精加工
Z轴轮廓加工
侧壁
D8R1
6000
3000
0.02
精加工
平面精加工
型腔平面部分
D8
6000
500
0
4.4型芯加工方案
4.4.1型芯粗加工
型芯粗加工是较为重要的加工，型芯的加工方式多样化也最为繁琐，使用传统的加工方式加工型芯测试的时间大概为1小时20分钟左右加工时间非常的长，而在加工方式上优化的细节较多比如在加工层的距离加工速度方面可以加大、加快。经优化后加工时间在30分钟左右参数如图4-17所示。

图4-17型芯粗加工参数
型芯在切削加工时是切削量最大的加工步骤，因此对刀具到考验较大，在选用刀具时应选有较好的韧性和带有R角，减少侧面刀尖的受力，刀路轨迹如图4-18。

图4-18型芯粗加工刀路
刀路覆盖了50%以上的毛胚，加工量大而且在到位块与型芯之间的距离如果小于刀具直径，则刀具无法加工，所以刀具选择还要把直径控制在型芯与定位块的距离范围内，否则容易发生撞刀和断刀的现象。

图4-19型芯粗加工演示结果
4.4.2型芯半精加工
半精加工对于型芯重要性要小于型腔，因为轮廓在外表面，可由外部进刀对型芯进行加工所以如果粗加工的加工层参数设置在0.8mm以下可以直接跳过半精加工直接进行精加工，因为层的距离可以直接由进刀点进行优化。精加工层的参数如图4-20。

图4-20型芯半精加工参数
4.4.3型芯底面加工
型芯的底面与型腔不同，型芯的底面为模具的分型面表面质量要求低，而且在本副模具中分型面为平面，加工简单，使用平面根清的方法加工，加工过程应保持匀速进给。

图4-21型芯底平面加工刀路

图4-22型芯底平面加工演示结果

4.4.4型芯侧壁加工
型芯侧壁加工与型腔侧壁加工方式和参数都相同，能快速的准确的加工出侧壁，同样在侧壁与底面之间在型芯上也应该留出0.02mm的距离防止刀具破坏已加工完的底平面。
型芯侧壁刀路中相对于型腔明显多了许多的太刀而少了层与层之间的连接刀路，因为在型腔中不能有过多的进刀的路线的选择加工时是由上往下加工，向着型腔底部加工，不能有自主的刀路进刀选择。而型芯是外表面加工能挑选最佳的进刀点，加工出的侧壁质量一般型芯要略高于型腔的侧壁质量，加工的时间上也比型腔的加工时间短。

图4-23型芯侧壁加工刀路
4.4.5型芯曲面加工
型芯的曲面加工是优化最大的地方一般型芯曲面上会有许多的顶杆孔如图4-24，图中有6个顶杆孔。虽然顶杆孔在加工时是优先加工的但是在编程时如果不去封补而直接选择曲面加工往往程序会自行绕开顶杆孔加工导致程序段增加，加工时间加长，而且在顶杆孔周围有较多的余量未加工到。

图4-24型芯
如果编程时未选择封补孔加工则程序如图2-25所示图中的刀路在经过孔时直接跳过然后在从另一处加工后接刀，当抬刀后加工的速度会降低只能由底往上逐渐加大进给，往复6次后才能加工完曲面。而在UG中能对型芯实行建模，使用N边曲面工具将孔位用片体缝补，如图4-26。然后编程后的刀路轨迹如图4-27所示，刀路将孔直接覆盖加工，减少了坐标点的变换，也优化了抬刀，现只有进刀和加工完成后的退刀。

图4-25型芯曲面加工刀路

图4-26型芯曲面缝补

图4-27型芯曲面缝补后的刀路

图4-28型芯曲面加工结果
4.4.6 型芯加工成品图样及加工工艺表格

图4-29型芯加工完成样品
型腔加工工艺卡片
加工步骤
加工方式
加工部位
刀具直径
(mm)
主轴转速
(r/min)
进给速度
(mm/min)
加工余量
(mm)
粗加工
外轮廓粗加工
型芯外部轮廓
D20R3
2500
2000
1
半精加工
外轮廓半精加工
型芯粗加工余量
D12R1
3000
2000
0.3
精加工
底面精加工
型芯底部分型面
D10
6000
500
0
精加工
Z轴轮廓加工
型芯侧壁
D8R1
6000
3000
0.02
精加工
曲面精加工
型芯顶部曲面
B8
6000
4000
0.02
5总体评价
通过进两个月时间的学习和探索，对于模具重要零部件的加工，让我学到了许多在模具和数控铣床加工方面的知识，从一开始学习自动编程软件到对于加工参数和铣床刀具的了解，再到后来通过自己努力和团队的配合成功做出第一个成品零件的喜悦，让我学会了面对困难，并且能自主独立的去解决这些困难，但是解决的方式并不是最好的，希望老师能给予点评和指点，相信总有一天我会做的更好。
致谢
从毕业设计的题材选择到撰写这篇论文，期间要感谢同学们的帮助，每次的都能支持我的想法并且不断努力的去实现、去超越、去创造。还要感谢陈玉梅老师的指导，指导我论文的方向确定和选定题材，鼓励我努力的完成自己的目标。毕业设计快结束了，也代表着即将告别学校走向社会，在这临别之际向全校师生致谢，祝你们身体健康，事业有成！
参考文献
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