基于UG的塑料模型芯数控铣编程

楼市 2024-10-28 15:55 广西

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1 型芯结构分析

某模具型芯上有推杆孔、斜顶孔、螺纹孔、筋、标识码等结构，如图1（a）所示，这些结构不需数控铣床加工，在编程前应在型芯模型上封堵孔位，否则会影响刀路的质量。具体方法是从模具总装图中导出型芯模型时，连同推杆、斜顶或其他镶件等一起导出，再用UG替换、删除等命令对模型进行整理，将不需要切削的孔位、字码和筋位等结构从模型上删除后，模型上的分型面、成型面、定位、流道等结构比较清晰，如图1（b）所示。

图1 模具型芯结构

2 加工工艺分析

模具型芯的4个角位上各有1个定位结构，其侧面为5°的斜面。定位与分型面之间各有1条沟槽，沟槽的最小宽度为8.5 mm。在型芯中间有1个侧面为斜面的圆坑，这些位置需运用平底刀精加工到位。实体上的曲面分为成型面与分型面，由于两者对加工粗糙度的要求不同，分型面比成型面粗糙，两者分开编写刀路。流道位于分型面上，需要选择专用刀具进行切削；对于成型面上凸起根部的过渡圆角，因其R值较小，需设计清根刀路切除。

型芯选用GS738材料，热处理后的硬度为38 HRC，型芯外形尺寸为300 mm×200 mm×30 mm。由于热处理后材料硬度较高并考虑型芯的结构，选择硬度值较高、耐磨性能较好的刀具进行切削，如选择φ30R5 mm合金刀用于型腔铣粗加工，选择 φ20R0.8 mm合金刀进行等高切削，对于分型面和成型面，选择φ10R5 mm的钨钢球头刀进行平行切削，对于筋根部R值较小的过渡圆角，选择φ2R1 mm的钨钢球头刀进行清根。由于型芯热处理后的硬度值较高，对刀具的磨损较大，为了保护刀具，一般是先粗加工后再热处理，最后进行精加工。

3 设计刀路

3.1 编程前准备工作

用UG进行数控编程前需对编程的对象创建型芯坐标系与几何体，创建几何体的作用是定义加工的对象，对于没有定义的模型或曲面则不能对其进行刀路编写，具体过程是选择“应用模块”菜单，再单击“加工”，在弹出的命令按钮栏中单击“创建几何体”即可按要求设定型芯坐标系与定义编写刀路的对象。完成上述步骤后才能进入编写刀路的环节。

3.2 编写粗加工刀路

型芯分为上、下两部分，上半部分位于分型面以上，由多种不同结构组成且形状复杂，下半部分位于分型面以下，主要作用是与镶框配合，其形状是带圆角的型芯轮廓。如将上、下两部分合并设计粗加工刀路，则所设计的刀路存在许多跳刀，工作效率较低，因此应根据实体上不同的结构分两部分进行编程，针对上部分的复杂形状，选择“型腔铣”命令设计粗加工刀路，其步骤是单击“创建工序”，在弹出的对话框中将“类型”设为“mill_contour”，将“子程序”设为“型腔铣”，切削刀具选择φ30R5 mm合金刀，将“切削模式”设为“跟随周边”，粗加工刀路如图2（a）所示。针对下部分型芯轮廓的圆角，单独用等高切削命令编写刀路，这样可以用双向切削进行加工，减少抬刀，有利于提高机床的工作效率。选择UG的“平面轮廓铣”命令进行编程，切削深度和进给率与粗加工刀路相同，所设计的刀路如图2（b）所示。粗加工后需要热处理，将所留余量设为2 mm。因型芯在热处理前进行粗加工，材料的硬度较低，可将切削深度和进给速度适当调大，切削深度设为0.8 mm，进给速度设为2 000 mm/min，主轴转速设为2 000 r/min。粗加工后，型芯基本轮廓已呈现。由于型芯4个定位与分型面之间的间隔较小，刀具无法切削，余量较多，如图2（c）所示。

图2 粗加工刀路

3.3 编写剩余铣刀路

由于定位结构与分型面之间的间距小于粗加工时所用刀具的直径，粗加工时没有得到有效切削，针对此情况应设计剩余铣刀路，用较小的刀具切削该区域。使用UG剩余铣命令进行编程，将切削模式设为跟随周边。为防止切削其他位置，仅选择定位与分型面区域之间的曲面，并将切削的起始高度设为定位的顶面。前2个定位结构与后2个定位结构的高度不一致，应分开编写程序，针对前2个定位结构编写1个程序，针对后2个定位结构编写1个程序，有利于控制切削时的起始高度。由于定位结构与分型面之间的沟槽最小宽度为8.5 mm，且单边余量为1 mm，使用φ6 mm平底刀进行切削。所用刀具直径较小，为了保护刀具，适当减小切削深度，设为0.2 mm，剩余铣刀路如图3（a）所示。在剩余铣后，4个定位结构与分型面之间的区域得到有效切削，切削后的实物如图3（b）所示。另外，热处理前中间圆坑可以保留较多余量，不需要编写剩余铣刀路。

图3 切削定位与分型面之间的区域

3.4 热处理及镶件安装

粗加工后再对型芯进行热处理，然后线切割斜顶孔、镶件孔和推杆孔等，将镶件装配后与型芯一起进行半精加工和精加工，可同步切削镶件，装配镶件后的型芯如图4所示。

图4 线切割后装配镶件的型芯

3.5 编写半精加工刀路一

热处理后的型芯硬度为38 HRC，表面硬度高，且热处理前粗加工时所留余量超过2 mm以上，另外，型芯上已安装镶件，镶件与型芯表面的余量不均匀，因此需要使用硬度高、耐磨性能好、直径较大的刀具以等高切削的方式进行半精加工。使用UG的“深度轮廓铣”命令设计等高切削刀路，选择 φ30R5 mm刀粒刀，切削深度为0.3 mm，刀路如图5（a）所示，切削过程如图5（b）所示。

图5 设计半精加工刀路一

3.6 编写半精加工刀路二

经过上述切削后，4个定位结构与分型面之间以及型芯中间的圆坑都没有得到有效切削，再次对这些区域设计剩余铣刀路，所用刀具为φ8 mm平底刀，切削深度设为0.2 mm，剩余铣刀路如图6所示。与热处理前的粗加工刀路有所不同，型芯热处理后，中间圆坑也编写剩余铣刀路。

图6 剩余铣刀路切削狭窄位置

3.7 编写半精加工刀路三

上述刀路为等高切削，曲面存在台阶，余量不均匀，且材料硬度高，需用平行刀路将型芯上的曲面全部切削一次，使曲面上的余量均匀后才能进行精加工。此时适合使用UG的区域轮廓命令编写平行铣削刀路，所用刀具为φ12R6 mm球头刀，此处只切削型芯上的曲面，不对型芯上的平面、定位、圆坑等进行切削，如图7（a）所示，经过平行切削后，曲面上的台阶已被切除，曲面平滑，余量均匀，如图7（b）所示。

图7 设计平行刀路

4 编写精加工刀路

型芯表面有多种不同的结构，如平面、斜面、曲面、流道、根部圆角等，为了使精加工刀路设计更合理，不同的结构应分开进行编程。4个定位结构和中间圆坑的侧壁都为5°斜面，适合采用等高切削；4个定位结构的顶面和基底、圆坑的底面，适合采用平面铣切削；分型面和成型面都是曲面，适合采用平行切削；对于成型面上凸起根部的过渡圆角，适合采用清根刀路进行切削；流道的横截面为梯形，适合采用成形刀切削，以下对这些刀路分别进行介绍。

4.1 设计等高切削刀路

4个定位结构和中间圆坑的侧壁都是5°的斜面，适合用平底刀进行等高切削，选择UG的“深度轮廓铣”命令，定位根部的沟槽宽度为8.5 mm，使用φ8 mm平底刀进行切削。切削深度为0.1 mm，进给速度设为2 000 mm/min，主轴转速设为2 000 r/min。由于4个定位结构、圆坑的高度各不相同，应分开编写程序以方便设定加工起始高度，刀路如图8所示。

图8 等高切削加工斜面

4.2 设计平面铣刀路

对于4个定位结构的顶面和基底面以及圆坑的底面，适合用平底刀进行切削，选择UG的“带边界面铣”命令。其中4个定位结构的顶面和基底面为开放型，适合采用双向切削，圆坑的底面为圆形，适合采用环状切削，因此两者应分开编写程序，进给速度与主轴转速与前面设置相同，刀路如图9所示。

图9 带边界面铣刀路加工平面

4.3 设计曲面刀路

型芯表面的分型面和成型面都为曲面，采用 φ12R6 mm球头刀进行平行切削，但两者对粗糙度的要求不同，成型面需抛光，粗糙度值较低，步距一般设为0.1 mm；分型面兼具有排气作用，因此分型面的粗糙度值较高，步距比成型面较大，一般设为0.2 mm，分型面和成型面应分开编写程序，采用UG的“区域轮廓铣”命令编写刀路，进给速度设为 2 000 mm/min，主轴转速设为2 000 r/min，如图10所示。

图10 平行刀路加工成型面和分型面

4.4 设计流道刀路

型芯上的流道是横截面为梯形的沟槽，一般用成形刀以外形铣削的刀路来回切削。在编程前先沿流道的中心创建一条连续的曲线，再用拉伸命令创建一个拉伸曲面。选用UG“固定轮廓区域”命令编写刀路，将驱动方法设为曲面区域，在弹出的对话框中将拉伸曲面设为驱动几何体，将刀具位置设为对中，将切削模式设为往复，切削流道的刀路如图11所示，需注意切削流道时的步距与平面铣不同，是指每次切削的深度而非沿平面侧向移动的距离。

图11 切削流道的刀路

4.5 设计清根刀路

成型面上有8个凸起，其根部过渡圆角的半径较小，用φ12R6 mm刀具对成型面进行平行精切削时，无法切削其根部，因此必须设计清根刀路。根据凸起根部圆角的大小，选择φ2 mm的球头刀进行切削。为了保护刀具，应减少每次的切削量，将步距设为0.03 mm，进给速度设为100 mm/min，主轴转速设为3 000 r/min，采用UG的“区域轮廓铣”命令设计清根刀路，切削方式选择跟随周边环状切削，对1个凸起清根后，自动跳转对另1个凸起进行清根，如图12所示。

图12 设计清根刀路

4.6 仿真模拟

全部刀路设计完成后应对其进行仿真，以检查其是否会出现异常，该型芯仿真效果如图13（a）所示。如果仿真过程中发现异常，需对出现异常的刀路进行修改后重新仿真，直到刀路全部正确为止，加工后的型芯实物如图13（b）所示。

图13 仿真模拟及实物

▍原文作者：苏吉阳

▍作者单位：厦门技师学院

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