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JH125连杆模具电极的CAM实现 |
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作者：张进春 岳秋琴 |
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模具CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。针对某锻造厂在加工生产JH125连杆模具电极时的困难，我们改革其传统制造方式，应用CAM技术进行数控加工编程，降低了复杂模具加工生产难度，缩短模具设计与制造周期，提高了生产效率，经济效益显著。
1 JH125连杆模具电极三维图形绘制
根据JH125连杆模具的功能要求，设计其模具电极，并绘制电极的三维图形，如图1所示。
图1 电极三维图
2 CAM软件的选型
Master CAM是美国CNC公司开发的一个完整CAD/CAM软件包，可以在微软Windows95/Windows98lWindowsNT4.0/Windows2000/WindowsXP环境下运行，自1984年诞生以来，就以其强大的加工功能闻名于世。Master CAM具有的CAD模块，可以构建2D平面图形、曲线、3D曲面、3D实体。CAD模块图形构建完毕，再通过CAM模块编制刀具路径，最后通过后置处理器转换成机床数控系统能识别的数控程序。该软件可实现数控车床、铣床、加工中心、线切割机床的刀具路径生成、图形模拟和数控程序代码生成。它不仅能自动生成二至五轴的数控机床加工程序，并能模拟刀具路径以验证加工程序，通过计算机通信接口可将生成的程序输人到数控机床中直接进行加工。另外，它还可以模拟加工和计算加工时间，这样可以省去试刀过程，节约宝贵时间，降低材料消耗，以提高工作效率和加工精度。同时，它还很易于与AutoCAD，Solidworks等其他CAD软件实现数据交换，从而大大提高了通用性。鉴于以上优点，我们选用Master CAM软件进行加工生产的改造。
3 工艺分析
3.1 选择机床
根据电极的形状特点，选择三轴三联动的数控铣床即可。在此选择由我国汉川机床厂生产的XK714B型立式数控铣床。其主要技术参数如下：
控制系统：SIEMENS 802S系统
工作台面尺寸：宽度 400mm
长度 800mm
工作台最大承重：400kg
主轴转速范围：40～3000rpm
各亢线坐标进给速度范围：1～2000mm/min
各直线坐标快速移动范围：SOOOmm/min
3.2 确定毛坯
毛坯选择矩形块紫铜锻件，根据电极尺寸确定毛坏尺寸为：145mm×54mm×42mm。
3.3 选择刀具
选择刀其时应考虑待加工面情况和现场实际刀具贮备情况两方面因素。根据毛坏(矩形块)和加工面情况，同时考虑到采用数控铣床加工没有自动换刀功能，且工序要集中，故刀具数量尽量少。在此，先选择一把直径较大的刀具去除大部分的余量，再用一把小直径刀具去除未加工到的部位(留精加工余量)，最后用球刀进行曲面精加工。三把刀具选取如下：
No1：φ20R4—硬质合金BULL刀(用于粗加工)；
No2：φ6R1—硬质合金棒BULL刀(用于半精加下)；
No3：φ4R2—硬质合金球月(用于精加工)。
3.4 选择切削参数
选择合理的切削深度a、主轴转速n和进给速度Vf，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率都具有重要的意义。然而各项参数的选择与刀具、加工表面的粗糙度要求及工件的大小、材质都有着密切的关系。
3.4.1 切削深度a的确定
在机床上工件和刀具刚度允许的情况下，a就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表而粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量略小于普通机床。在粗加工时尽可能一次切去粗加工全部余量，即选择切削深度值等于粗加工余量值。在此原则下，确定切削深度a，φ20R4—硬质合金BULL刀，切削深度0.3mm；φ6R1—硬质合金棒BULL刀，切削深度0.15mm；φ4R2—硬质合金球刀，精加工余下的所有余量。
3.4.2 主轴转速n和进给速度Vf的确定
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；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书和切削用量手册，并结合经验而定。
φ20:查《机械工艺师手册》，切削速度Vc=105～290m/min，在此取Vc=150m/min；
n=1000.vc/π.d=1000.150/π.20=2389r/min，在此取n=2500r/min；
查《机械工艺师手册》，每齿进给量fz=0.13mm/z；
vf=fzZn=0.13×2×2500=650mm/min；
φ6：查《机械工艺师手册》，切削速度Vc=105～290m/min，在此取Vc=150m/min；
n=1000.vc/π.d=1000.150/π.6=7962r/min，在此取n=3000r/min(最高转速)；
查《机械工艺师手册》，每齿进给量fz=0.038～O.O5mm/z，取fz=O.O5mm/z；
vf=fzZn=0.05×2×3000=300mm/min；
φ4球刀：查《机械工艺师手册》，切削速度Vc=80～120m/min，Vf=750mm/min，n=5OOOr/min；
在此取Vf=5OOmm/min，n=3000r/min。
3.5 工件装夹
该电极是要修模后重复使用的，修模时需要找正基准，在电极的底部要有约5mm高的找止基准(第一次加工时需要加工出来)，故在加工时，整个外形都要加工，不能用平口钳等夹具装夹，于是采用背板的方式装夹，在电极的背部加工两个螺纹孔，将电极用内六角螺栓固定在一个背板上，再用压板将背板压紧在工作台上即可。
4 CAM的实现
4.1 刀具库的设置
CAM过程的第一步就是设置刀具库。在刀具库管理器中选择本次加下所需的刀具，刀具列表中列出了当前刀具的仁要参数，包括总刀其数量及显示的刀具数量、刀具编号、刀具名称、刀具类型、刀具直径及刀其使用情况。在其中还可从右键菜单中选择新建刀具命令来建立自定义刀具。
4.2 加工模组的选择
由于是数控铣削加工，为减少换刀次数，采用刀具集中法划分工序。因属于普通曲面加工，故选择三轴联动模组即可。
4.2.1 φ20R4硬质合金BULL刀
在选择加工模组前先确定加工部位。因该电极是要重复使用的，在修模时，电极在机床上的方位应与第一次加工方位一致，需要找正基准，故在电极底部要留出约5mm高的矩形台阶作为修模时的找正基准。采用二维的CONTOUR TOOLPATHS…模组。
在进行曲面粗加工时，因采用的是φ20R4的BULL刀，而毛坯为一矩形，刀具可以一刀将外形的余量切除。故可选用SURFACE ROUGH ROUGH CONTOUR TOOLPATHS…模组。
在加工过程中肋部的余量会很大，可以在曲面加工前将肋部上部的余量去掉，在图上增加一个矩形框，采用POCKET TOOLPATHS…模组。
4.2.2 φ6R1硬质合金棒BULL刀
该刀的主要目的是去除φ20R4 BULL刀没加工到的部位的余量，采用SURFACE FINISH—FINISH CONTOUR TOOLPATHS…模组。
4.2.3 φ4R2硬质合金球刀
该刀是进行精加工，得到电极的最终尺寸和形状，选择SURFACE FINISH—FINISH PARALLEL TOOLPATHS…模组。
4.3 主要加工参数的设置
采用任何方法生成刀具路径都需要仔细定义刀具几何参数和切削参数，本次加工参数设置如表1所示。表1 切削加工参数表
 4.4 加工余量的处理
加工余量是指加工过程中，所切去的金属层厚度。余量有工序余量和加工余量之分。工序余量是相邻两工序的工序尺寸之差；加工余量是毛坯尺寸与零件图的设计尺寸之差，它等于各工序余量之和。我们应用CAD/CAM软件，在作图时通常得到的是最终零件图，故对于一个加工工序，我们更关注总余量。确定总余量的方法有很多，如分析计算法、经验法、查表修正法等，在此不再赘述。现假设已找到总余量为△，加工时选择刀具半径为R，在CAM中如果设定刀具半径R，经过刀具半径补偿，切削零件后没有加工余量；但如果我们在设置刀具参数时将刀具的半径设定为R+△，经过半径补偿，切削零件后会留下△的加工余量。
模具加工存在多品种小批量生产的情况，在加工过程中需要多次换刀。如果每一次换刀都要去修改数控系统的刀具补偿值，显然比较繁琐，且容易出错。因此，我们在用CAM系统生成数控程序时，将补偿设定为COMPUTER补偿，通过控制CAM系统中的刀具半径来控制加工中的余量。这样就可在加工时按选定的刀具直接进行加工，而不需要对数控系统中的刀具参数作任何修改。
本电极材料为紫铜，对刀具的磨损非常小，而且每次电极的加工工艺相对固定，又是在数控铣床上加工，故可以在程序中不采用刀具半径补偿指令，直接通过设定不同刀具半径值来达到控制加工余量的目的。在用φ20R4进行粗加工时，在CAM中设置刀具直径为φ21R4，这样，在加工面上就会留下约0.5mm的加工余量。在用φ6R1加工时，因下一把刀为球刀，余量很小，同时电极上存在7°的拔模斜度，所以在CAM编写加工程序时不留余量，而在实际加工时采用对刀后将刀具提高O.5mm来得到下一工序的加工余量。
4.5 刀具路径的生成
粗精加工刀具路径如图2～图6所示。
图2 挖槽刀具路径
4.6 后置处理
Master CAM系统分为主处理程序和后置处理程序两大部分。由于各种机床使用的控制系统不同，其加工程序指令代码及格式不同，采用的后置处理程序也有所不同。Master CAM本身提供了多达180余种后置处理程序，但该软件未提供SINUMERIK 802S系统的后置处理程序，生成的NC代码不能直接应用于工厂的数控铣床，还需人工做大量的修改，既不方便又易出错。因此，我们对SINUMERIK 802S系统开发了专用后置处理程序，发挥出Master CAM软件的最佳效果。因是数控铣床加工，不具备自动换刀功能，所以各模组分别进行后置处理(按刀具划分)，生成对应的加工程序。数控加工时，按照工艺顺序，选择相应刀具和加工程序即可完成零件加工过程。
5 应用效果
利用该CAM技术生产的模具电极经脉冲加工得到的锻造模具，不仅锻造出的连杆零件尺寸符合厂方技术要求，而且锻件外形美观，重量误差在±10g以内。利用该新技术，某锻造厂每月生产量在10万具以上，为工厂带来了可观的经济效益。
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(2/21/2012) |
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