一、概論

　　1 、 CADCAM 軟件經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，國內(nèi)外都有了成熟的產(chǎn)品。 PowerMILL 就是英國 Delcam 公司 CAD/CAM 專業(yè)化軟件模塊之一。 Delcam CAD/CAM 系列軟件被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、家用電器、輕工產(chǎn)品和模具制造等行業(yè)。 1991 年 Delcam 產(chǎn)品首次進(jìn)入中國市場。 1997 年在北京成立 Delcam (中國)有限公司。多年來， Delcam 一直保持 CAM 軟件開發(fā)研究的世界領(lǐng)先地位。 PowerMILL 是一個(gè)獨(dú)立式的三維加工軟件，它能快速、準(zhǔn)確地產(chǎn)生無過切粗加工和精加工刀具路徑。 PowerMILL 能讀入各種 CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的三維模型，提供完善的加工策略，進(jìn)行完全的加工。

　　2 、 東風(fēng)鍛造有限公司引進(jìn)了 Delcam 公司的 POWERSHAPE 和 POWERMILL 軟件，利用該軟件完成三軸數(shù)控銑床加工鍛造機(jī)鍛模具的 NC 程序。我們利用該軟件中的 POWERSHAPE 模塊進(jìn)行模具型腔的三維造型 ( 或其它軟件 ) ，然后把三維圖形導(dǎo)入 POWERMILL 模塊中，根據(jù)模具的形狀特點(diǎn)、不同的工藝要求和精度要求，靈活的選用該系統(tǒng)提供的各種加工方式和加工參數(shù)進(jìn)行三軸數(shù)控銑床的模擬加工，后置處理形成數(shù)控銑床的 NC 代碼，然后傳送到機(jī)床進(jìn)行加工。至今已經(jīng)在鍛造模具加工中使用了 5 年，由于鍛模的形狀復(fù)雜、型腔窄深、品種繁雜的特點(diǎn)，在軟件的加工策略和加工功能的基礎(chǔ)上總結(jié)了一些加工工藝方法和技巧，在保證使用的情況下，采用合理的經(jīng)濟(jì)精度和經(jīng)濟(jì)的粗糙度，提高鍛模的加工效率。

　　二、鍛模的種類、特點(diǎn)及技術(shù)要求

　　1 、我廠主要生產(chǎn)汽車鍛件，鍛模全部由本廠自己生產(chǎn)，因此鍛件的種類決定了鍛模的品種，主要鍛件有連桿、曲軸、前軸、輪轂、萬向節(jié)叉等，因此鍛模型腔復(fù)雜，單件小批量生產(chǎn)，因此采用數(shù)控加工比較適合。鍛件的不同鍛造生產(chǎn)工序也不相同，但是基本工序?yàn)轭A(yù)鍛——終鍛——切邊——校正。預(yù)、終、校鍛模的共同點(diǎn)就是上、下分為兩大模塊，預(yù)、終鍛模型腔基本相同，要求也相似，所以加工基本相同。切邊模具又分為切邊凸模和切邊凹模，加工就完全不同，而校正模具又和終、預(yù)鍛有所區(qū)別，加工當(dāng)然有所區(qū)別。

　　2 、鍛件的不同模具的精度要求也不同，工序的不同模具要求也有所不同。因此模具制造的技術(shù)條件很多，下面列舉要采用數(shù)控加工部分的一些通用技術(shù)要求;

　　(a) 鍛模的制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有尺寸最小公差為± 0.08mm ;

　　(b) 終、預(yù)鍛型腔的表面粗糙度為 Ra1.6 ;

　　(c) 飛邊橋部粗糙度為 Ra3.2 ;

　　(d) 飛邊倉部的粗糙度為 Ra12.5

　　(e) 切邊凸模型腔與鍛件凸臺必須留有間隙 1.5 —— 2mm, 甚至更大些;凸模外輪廓與凹模之間也有 1 - 2mm 的間隙。

　　(f) 校正模的型腔也和凸模型腔一樣有類似的技術(shù)要求，就是型腔的凸臺等特殊部分和鍛件要有間隙。

　　(g) 部分鍛模由于模具結(jié)構(gòu)增加了鎖口，雖然尺寸技術(shù)要求不是很高，但是要求凸和凹鎖口單面配合間隙是 0.3mm 。

　　3 、經(jīng)過以上對鍛模的特點(diǎn)和技術(shù)要求分析，一般情況下鍛模只是部分采用數(shù)控加工，特殊情況下全部采用數(shù)控加工，經(jīng)常采用數(shù)控加工的部分為：

　　( A )預(yù)、終鍛模模塊的外形不采用數(shù)控加工，如圖 1 終鍛鍛模型腔(中間黃色部分)、一定是采用數(shù)控加工;而部分模具的倉部(邊緣灰色部分)采用數(shù)控加工。橋部(紅色部分)大部分模具不需要數(shù)控加工;如圖 2 所示部分曲面分模的橋部和如圖 3 帶凸瑣口的上模等需要數(shù)控加工。

　　( B )校正模具只有型槽進(jìn)行數(shù)控加工;如果曲面分模就要全部采用數(shù)控加工;如一些臂類零件

　　( C )切邊凹模刃口采用數(shù)控加工，倉部一般不采用數(shù)控加工;

　　( D )切邊凸模不但型腔而且外輪廓也要部分或全部數(shù)控加工 ( 如圖 4 凸模 ) 。

　　( E )模具鎖口的精加工采用數(shù)控加工，這樣可以保證配合間隙。

　　三、鍛模的數(shù)控加工工藝及 POWERMILL 模擬加工流程

　　1 、鍛模的數(shù)控加工基本工藝

　　不同類別和大小的鍛件決定了不同規(guī)格的的鍛模，因此數(shù)控加工工藝有所區(qū)別，但是基本方法相同，就是開粗——半精加工——精加工，加工的思路是萬變不離這個(gè)初衷，下面就是中、小曲軸的鍛模的基本數(shù)控加工步驟：

　　⑴φ 50R8 或者φ 30R5 大刀全面粗加工(加工余量為 1 — 1.5mm );

　　⑵φ 20R4 半粗加工 ( 加工余量為 0.8 — 0.5mm)

　　⑶φ 10R3 半精加工 ( 加工余量為 0.3 — 0.5mm)

　　⑷φ 10R5 精加工 ( 尺寸精度根據(jù)技術(shù)要求達(dá)到 )

　　⑸φ 6R3 清根

　　2 、 POWERMILL 軟件中的模擬加工步驟為：

　　㈠產(chǎn)生毛坯：根據(jù)鍛模模塊的大小計(jì)算產(chǎn)生毛坯(圖 5 );

　　㈡選擇進(jìn)給和轉(zhuǎn)速：根據(jù)刀具和經(jīng)驗(yàn)確定(圖 6 );

　　 圖8

　　㈣選擇切入與切出方式、刀具連接方式、抬刀方式等：根據(jù)加工方式、加工策略和刀具確定具體數(shù)值和方式(圖 8 );

　　㈤選擇刀具：利用刀具庫選擇刀具參數(shù)，確定刀具形狀;

　　㈥選擇加工策略確定加工參數(shù)：選擇加工精度、加工余量、切深和切寬等主要參數(shù)后，就可以進(jìn)行計(jì)算模擬加工;

　　圖9

　　㈦模擬仿真加工結(jié)果、檢查加工過程;

　　圖10

　　㈧后置處理，產(chǎn)生數(shù)控銑床的 NC 代碼

　　%

　　N10G40

　　N20G90G80G17

　　N30G05.1Q1

　　N40M50

　　N50G54G90

　　N60G0X-35.198Y-13.547S3000M3

　　N70Z1.

　　N80G1Z-.394F500

　　N90X-35.184Y-14.047F2000

　　N100X-36.97Y-14.386

　　N110X-38.478Y-14.962

　　N120X-38.965Y-15.227

　　N130X-40.96Y-17.04

　　。。。。。

　　N2130X22.455Y18.045

　　N2140G0Z6.

　　N2150M9

　　N2160M30

　　四、使用 POWERMILL 軟件的加工技巧實(shí)現(xiàn) NC 程序的優(yōu)化

　　1 、利用軟件的功能，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)精度的加工

　　根據(jù)鍛模的技術(shù)要求，把模具按照尺寸精度分區(qū)域進(jìn)行加工，就是把型腔和倉部分別加工，這樣倉部就可以一步加工到位，不必再進(jìn)行粗精加工。

　　利用軟件產(chǎn)生的邊界，單獨(dú)加工邊界的內(nèi)、外部分，這樣尺寸精度和粗糙度就可以獨(dú)立控制。如圖 11 中用紅色的曲軸輪廓線把倉部和型腔分開，綠色是正在加工的倉部。

　　圖11

　　2 、利用軟件毛坯可以調(diào)解大小的功能使加工路徑連續(xù)，避免無意義的抬刀

　　軟件模擬的毛坯是根據(jù)模塊的大小進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生的，因此在加工如圖 12 所示的刀具路徑是斷開的，因?yàn)楦鶕?jù)模塊計(jì)算的毛坯不夠一個(gè)刀具的直徑寬度，軟件示為不可加工，因此不夠刀具直徑的寬度的地方，模擬加工時(shí)它為了避免過切，就自動(dòng)抬刀跳到下一個(gè)可以加工的地方。但是毛坯具備放大和縮小功能。所以在加工外輪廓的時(shí)候可以利用此功能來實(shí)現(xiàn)刀具路徑的連續(xù)。如圖 13 就是人為加大毛坯的寬度到刀具直徑后，刀具路徑連續(xù)，使加快平穩(wěn)，節(jié)約刀具，提高加工速度。

　　3 、利用軟件中刀具路徑的裁減編輯功能優(yōu)化程序，減少抬刀時(shí)間

　　如圖 14 是利用φ 50R8 開粗曲軸凸模外輪廓，加工方法就是標(biāo)準(zhǔn)的加工余量 1.0mm, 利用軟件直接計(jì)算的結(jié)果 。標(biāo)準(zhǔn)的開粗加工是分層加工，同一層的所有部分加工完畢后再同時(shí)加工下一層，這樣抬刀就增多(圖 14 中紅色的線為抬刀)，加工時(shí)間為： 1 小時(shí) 03 分鐘，抬刀時(shí)間為 282 次;

　　如圖 15 是和圖 14 一樣的加工方法，只是加工余量改為 8.0mm ，也是軟件直接計(jì)算的結(jié)果。加工時(shí)間為 53 分鐘，抬刀時(shí)間為 173 次;

　　如圖 18 是利用刀具路徑編輯功能進(jìn)行刀具路徑裁減，分成幾個(gè)獨(dú)立的部分(圖 16 ，圖 17 是分程序)后再合并成一個(gè)程序，也就是讓它在同一個(gè)地方加工完成后再跳到下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，避免了抬刀次數(shù)多浪費(fèi)加工時(shí)間。經(jīng)過編輯后的程序加工模擬時(shí)間為 35 分鐘，抬刀次數(shù)為 65 次

　　4 、改變鍛模局部粗精加工次序優(yōu)化加工程序

　　目前很多中、小曲軸的曲柄局部尺寸的截面很小，而且較深，φ 10R5 刀具沒有辦法加工到尺寸，必須采用φ 6R3 刀具才能進(jìn)行加工，因?yàn)榈毒咴叫。笄猩詈颓袑挼膮?shù)越小，因此加工的時(shí)間越長。所以在加工過程中，不是加工時(shí)間過長，就是造成φ 6R3 的刀斷，使加工無法進(jìn)行下去;經(jīng)過長時(shí)間的摸索認(rèn)為還是利用大刀精加工，只是局部改變常規(guī)原則開粗——半精加工——精加工的方法，并且分塊加工，然后把程序合并成一個(gè)整體，這樣使模具加工順利，也不會(huì)因?yàn)槭褂眯〉毒庸ぴ斐沙绦蜻^長。如圖 19 曲軸數(shù)控加工工藝為：

　　⑴φ 50R8 或者φ 30R5 大刀全面粗加工(加工余量為 1 — 1.5mm );

　　⑵φ 20R4 半粗加工 ( 加工余量為 0.8 — 0.5mm)

　　⑶φ 10R3 半精加工 ( 加工余量為 0.3 — 0.5mm)

　　⑷φ 10R5 精加工后可以加工到的部分全部加工到尺寸

　　⑸φ 6R3 局部粗加工(先分塊加工，然后合并成一個(gè)程序輸出到機(jī)床)

　　⑹φ 6R3 局部精加工(同上)

　　⑺φ 6R3 全部清根

　　5 、利用輔助程序優(yōu)化加工程序，減少重復(fù)加工

　　在上面的曲軸加工過程中，雖然改變局部粗、精加工順序解決了曲軸加工中的難題，但是在實(shí)現(xiàn)的過程中又出現(xiàn)了一個(gè)新的問題需要解決，就是利用φ 10R5 精加工后，φ 6R3 從那里開始進(jìn)行粗加工，又從哪里開始進(jìn)行精加工，型腔比較復(fù)雜邊界如何確定，如果邊界過大造成加工時(shí)間長，如果邊界過小造成刀斷。

　　如何解決這一矛盾，只有利用軟件功能，但是軟件中只有粗加工時(shí)才能進(jìn)行后一把刀具參照上一把刀具的殘留加工，而精加工程序沒有辦法參照路徑加工。而該工藝中φ 6R3 的前一把粗加工程序采用的是φ 10R3 刀具，只有該程序可以進(jìn)行參照，如果參照那么φ 6R3 的局部開粗程序的范圍就擴(kuò)大了，也有部分重疊的加工區(qū)域，因?yàn)閷?shí)際上φ 10R5 已經(jīng)加工過了的區(qū)域又重新加工了。

　　這樣就引進(jìn)了輔助程序的概念。輔助程序就是在軟件模擬加工過程中起到輔助的作用，但是在輸出 NC 程序時(shí)不再輸出，就是在實(shí)際加工鍛模的時(shí)候此程序不會(huì)出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法就是利用軟件，采用φ 10R5 刀具產(chǎn)生一個(gè)粗加工程序，并且可以把尺寸精度控制在必要的精度，然后φ 6R3 局部開粗程序就可以參照這個(gè)假設(shè)的程進(jìn)行加工，這樣該程序的加工范圍剛好適合，避免了重復(fù)加工，節(jié)約了加工時(shí)間。如圖 20 就是一個(gè)曲柄中參照后的粗加工程序。

　　6、 利用負(fù)余量的加工和進(jìn)退刀選擇，實(shí)現(xiàn)鎖扣的間隙配合及減少輔助加工時(shí)間

　　前面已經(jīng)提到，鍛模的鎖扣凸、凹間隙是 0.3mm ，理論配合當(dāng)然沒有問題，但是實(shí)際加工常常出現(xiàn)配合問題，都是間隙過小。但是尺寸精度和表面粗糙度并沒有特殊要求，只是間隙控制比較嚴(yán)格，這樣就給加工留有選擇的空間。尺寸精度比較好控制，只要控制在 0.02mm 即可。但是如果表面粗糙度低，那么就把間隙吃掉一部分，配合出現(xiàn)問題;如果表面粗糙度高，加工時(shí)間過長;為節(jié)約加工時(shí)間，提高效率，就是可以利用軟件中加工余量可以選擇負(fù)值的功能解決這個(gè)矛盾。

　　因?yàn)楸砻娲植诙仍降停叩对娇欤庸ば试礁撸允紫劝淹埂兼i扣的表面粗糙度控制在 Ra6.3 即可，這樣凸、凹鎖扣表面的加工的殘留高度都是 0.063mm ，鎖扣配合時(shí)間隙就被殘留高度吃掉了 0.126 mm ，所以鎖扣間隙只有 0.174 mm ，當(dāng)然出現(xiàn)問題，這還是理論計(jì)算，實(shí)際加工還有刀具的偏移問題，因此在此計(jì)算的基礎(chǔ)上加上實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，加工余量采用- 0.2 mm —— 0.5 mm 左右，幫助消除殘留帶來的配合后患，又一次實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)精度和經(jīng)濟(jì)粗糙度的概念。

　　另外由于鎖扣的加工大都是精加工，進(jìn)退刀具可以選擇直線或者無，這樣可以節(jié)約加工輔助時(shí)間。如圖 21 和 圖 22 是前后方式的對比。

　　7、 利用軟件加工參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)凸模型腔經(jīng)濟(jì)粗糙度的概念

　　前面已經(jīng)分析過，凸模型腔與鍛件存在間隙，并且在 1.0mm 左右，因此間隙部分根本沒有必要加工到表面粗糙度 Ra1.6, 而加工到 Ra3.2 或者 Ra6.3 完全可以達(dá)到使用要求。因此如圖 23 (綠色部分) 就把型腔分成兩個(gè)部分，只把和鍛件接觸部分的加工參數(shù)設(shè)定為達(dá)到 Ra1.6 的要求，而其余部分的參數(shù)加大，這樣可以節(jié)約加工時(shí)間，而不影響鍛模的使用。從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)粗糙度的概念。

　　圖23

　　五、結(jié)束語：

　　據(jù)有關(guān)資料報(bào)道：模具制造的生產(chǎn)成本粗略的分布為：

　　切削 65%

　　工件材料 20%

　　熱處理 5%

　　裝配 / 調(diào)整 10%

　　這也非常清楚的表明了良好的金屬切削性能對模具的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要性。與傳統(tǒng)的加工方法相比，采用數(shù)控加工的鍛模從提高加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本等方面，其效果都十分明顯，但是提高鍛模的切削經(jīng)濟(jì)性 99 %取決于數(shù)控程序。因此經(jīng)過 5 年來的實(shí)踐和摸索，依靠 POWERMILL 軟件，從鍛模的經(jīng)濟(jì)精度和經(jīng)濟(jì)粗糙度的概念入手，實(shí)現(xiàn)了鍛模的分區(qū)加工、同一型槽不同精度的加工、引入輔助程序的概念等技巧，提高了鍛模的加工效率。技術(shù)是無止境的，這里只是拋磚引玉，希望今后涌現(xiàn)出更多有興趣的技術(shù)人員，更深入的研究開發(fā)數(shù)控加工軟件的各種功能和技巧，更進(jìn)一步提高鍛模的加工效率。