落地扇前盖注塑模具的数控编程与电极设计

番禺职业技术学院（广东番禺 511483）张钟
[摘要]
详细介绍落地扇前盖注塑模具的数控编程方法与数控加工工艺过程，及相关电极的设计制作。通过实例分析总结具有复杂曲面的模具数控加工策略。
关键词
数控编程
加工工艺
电极设计  


1.
引言
对于具有复杂曲面的模具型腔、型芯，往往存在一些工艺死角，不能完全铣削加工到位，需要设计并制作电极进行电火花清角加工。以落地式风扇控制盒的前盖注塑模具为例，该模具结构为单腔大水口两板模，模架规格2550。笔者在数控铣床（规格1000*600*600、BT40刀头），采用Cimatron R12版软件完成了数控编程与电极设计，并上机加工出该模具的型腔与型芯，及5个电极，取得了较好的效果。
2. 电极的设计
由于落地扇控制盒的前盖零件结构较为复杂，由多组曲面构成，产品最大外形尺寸为375*90*40。前盖的产品部位包括与配合件照明灯、装饰板、标签等相关位置,其中照明灯部位是通孔，参考图1。前盖产品配合部位多为直角台阶造型，工艺死角多，需要设计制作一定数量的电极，进行后续的电火花成形加工，才能完成该模具型腔与型芯全部的成形加工。


图1 产品的线框图
图2
型腔渲染图

2.1 型腔及电极
模具型腔直接影响塑料产品的外观，表面质量要求高。不能对其型腔内的凸台采镶件组装，需要整体加工所有的曲面形状，参考图2。型腔电火花加工需要制作3个电极，由于照明灯与装饰板之间的部位其电火花加工余量较大，需要制作一个粗电极A先进行局部开粗加工，电火花间隙为0.40。然后制作两个精电极B（局部大电极）和C（整体大电极）用于精加工，电火花间隙为0.15。分别参考图3、4、5、6。
电极由成形部分和基准台阶组成，成形部分直接从需要电火花加工的模具部位提取出相关的曲面；基准台阶用于电火花加工时电极的空间定位，必须考虑满足“6点定位原则”的要求。设计电极还应该注意避空（包括：成形曲面到基准台阶的适当延伸、对非加工面的保护等），以免电火花加工时误伤其他已经加工好的表面。例如：电极A的基准台阶面要与模腔顶面要有间隙1～2，电极B的照明灯部位与对应的模腔凸台顶面要有间隙。






图3 电极A的加工位置线框图




图4
电极A渲染图



图5 电极B的加工位置线框图
图6
电极B渲染图


图7 大电极C的加工位置线框图
图8
大电极C渲染图
整体大电极C在数控加工之后，还需要用线切割加工出照明灯、装饰板、标签部位的成形与避空位置（通孔）。其中照明灯通孔部位要加大电火花间隙至0.8，以避免误伤电极B已加工好的侧壁。注意电极C需要加厚基座至20以上，避免线切割加工之后电极发生变形，影响模具加工质量。

2.2
型芯及电极
图9
型芯渲染图


图36 工序A5的刀迹局部示意图
模具型芯只影响产品的内表面，是不可见部分，一般而言客户对其表面质量要求较低，参考图9。仅需要制作两个电极D和E，电火花间隙为0.15，分别用于产品半圆孔部位与照明灯部位的清角加工。其中电极D的成形部分有意设计成矩形，可以直接用以定位，从而省略基准台阶。参考图10、11。
图10 电极D、E的加工位置线框图



图11
电极D、E渲染图
3.
型腔的数控加工工艺过程
数控编程的工艺规划一般按粗加工、半精加工、清角加工、精加工进行。当工件的不同区域尺寸差异较大时，要采用分区域进行加工。对于较为宽敞的部位，可采用较大的刀具进行加工，以提高加工效率；对于较小的型腔、狭窄的部位或转角区域，采用较大的刀具不能彻底加工，必须用较小的刀具以保证尺寸加工到位。对于不能加工到位的工艺死角只能采用后续的电火花加工来完成。型腔的数控加工工序如下：
3.1

工序A1 ：¢30R5圆角刀粗加工
图12 工序A1刀路图                        图13 工序A1仿真加工模拟图

加工方式	WCUT(环绕等高加工)
刀具规格	¢30R5圆角刀	刀具材质	硬质合金涂层
主轴转速（r/min）	1800	进给速度（mm/min）	1500
切削宽度	13	切削深度	0.5
加工余量	0.35	曲面精度	0.05
工艺要点分析： 1. 由于机床规格小，开粗一般采用小负载快速加工的效果较好： 2、圆环刀粒可多次转位使用，以降低刀具成本。 3、需要采用螺旋或斜向下刀，避免刀具“顶底” 。因为圆角刀和平底铣刀底部没有切削刃，如果垂直下刀，不能切削也不容易排屑，容易造成刀具损坏。

3.1

工序A2 ：¢16R0.8 平刀粗加工
图14
工序A2刀路图                     图15 工序A2仿真加工模拟图

加工方式	WCUT(环绕等高加工)
刀具规格	¢16R0.8平刀	刀具材质	硬质合金涂层
主轴转速（r/min）	2000	进给速度（mm/min）	1000
切削宽度	--	切削深度	0.5
加工余量	0.25	曲面精度	0.02
工艺要点分析： 型腔形状复杂，继续用可舍弃式刀粒的平底铣刀由上至下环绕等高加工，尽可能的清除工序A1圆角刀留下的余量。

3.1

工序A3 ：¢8 平刀局部清角
图16
工序A3刀路图                    图17 工序A3仿真加工模拟图

加工方式	WCUT(环绕等高加工)
刀具规格	¢8 平刀	刀具材质	高速钢
主轴转速（r/min）	800	进给速度（mm/min）	300
切削宽度	--	切削深度	0.4
加工余量	0.25	曲面精度	0.02
工艺要点分析： 1、先用小刀局部清角，可避免后续大刀加工在工艺死角时发生“包刀”现象（刀刃与工件的接触宽度急剧增加，负荷突然变大而振动，引起崩刃甚至断刀）。 2、清角加工时余量不均匀，采用高速钢刀具韧性好，不易崩刃、断刀。 3、注意下刀位置要在工艺死角之外。

3.1

工序A4：R8球刀半精加工
图18
工序A4刀路图                    图19 工序A4仿真加工模拟图

加工方式	SRFPKT(环绕投影加工)
刀具规格	R8球刀	刀具材质	硬质合金
主轴转速（r/min）	1500	进给速度（mm/min）	1000
切削宽度	1	切削深度	――
加工余量	0.2	曲面精度	0.02
工艺要点分析： 1、采用90°双向走刀加工大部分型腔，但在靠近在标签部位，则采用45°和135°走刀以保证两个圆角都有较好的加工效果。（参考图36） 2、为保证半精工的效果,先用同一把刀在靠近在标签部位先进行一次局部的开粗。 3、加工边界要设定在最大轮廓边界内，保证刀具的球心仅高于顶面0.2，以避免刀具围绕轮廓边界线上下走圆弧，浪费加工时间。

3.5
工序A5：R8球刀精加工
图20
工序A5刀路图                     图21 工序A5仿真加工模拟图

加工方式	SRFPKT(环绕投影加工)
刀具规格	R8球刀	刀具材质	金属陶瓷
主轴转速（r/min）	2500	进给速度（mm/min）	1500
切削宽度	0.3	切削深度	――
加工余量	0	曲面精度	0.01
工艺要点分析： 采用90°双向走刀加工大部分型腔，但在靠近在标签部位，则采用45°和135°走刀以保证两个圆角都有较好的加工效果。（参考图36）

3.6
工序A6：R5球刀精加工清角
图22
工序A6刀路图


图23 工序A6仿真加工模拟图

加工方式	SRFPKT(环绕投影加工)
刀具规格	R5球刀	刀具材质	硬质合金
主轴转速（r/min）	1500	进给速度（mm/min）	600
切削宽度	0.3	切削深度	--
加工余量	0.02	曲面精度	0.01
工艺要点分析： 1、先用R8球刀精加工刚性较好，再用R5球刀清角，可提高加工效率。 2、因为有后续的电火花加工，不需要再用小刀清角。 3、为了保证与工序A5接刀痕顺利过渡，加工余量要预留0.02。还要注意对刀的准确。

3
型芯的数控加工工艺过程
模具型芯采用大镶件形式，镶件长宽尺寸为410*130，毛坯露出模架顶面高47，而模架长宽尺寸为500*250。加工范围得以缩小，既节省材料，又可缩短加工时间。型芯的数控加工工序如下：
4.1 工序B1 ：¢30R5圆角刀粗加工
图24 工序B1刀路图                        图25 工序B1仿真加工模拟图

加工方式	WCUT(环绕等高加工)
刀具规格	¢30R5圆角刀	刀具材质	硬质合金涂层
主轴转速（r/min）	1800	进给速度（mm/min）	1500
切削宽度	13	切削深度	0.5
加工余量	0.35	曲面精度	0.05
工艺要点分析： 1、参考3.1 工序A1的分析。 2、粗加工不要直接到底面，要留余量精光一刀，以保证表面质量。

4.2 工序B2 ：¢10平刀局部清角
图26
工序B2刀路图


图27 工序B2仿真加工模拟图

加工方式	WCUT(环绕等高加工)
刀具规格	¢10 平刀	刀具材质	高速钢
主轴转速（r/min）	650	进给速度（mm/min）	350
切削宽度	--	切削深度	0.4
加工余量	0.35	曲面精度	0.02
工艺要点分析： 1、参考3.3工序A3 的分析 。 2、先进行局部清角，以免后续精加工时发生刀具“包刀”，影响加工质量。最后整体环绕等高加工，清除工序B1圆角刀留下的底部圆角余量。

4.3 工序B3：R8球刀半精加工顶部
图28
工序B3刀路图


图29 工序B3仿真加工模拟图

加工方式	SRFPKT(环绕投影加工)
刀具规格	R8球刀	刀具材质	硬质合金
主轴转速（r/min）	1500	进给速度（mm/min）	1000
切削宽度	1	切削深度	――
加工余量	0.2	曲面精度	0.02
工艺要点分析： 1、采用等高粗加工后，对工件平坦部位出现较大台阶，如果直接进行精加工，就会因为加工余量的不均匀，造成切削负荷有较大的变化，刀具振动而影响表面的加工质量。需要增加顶部的半精加工工序，以保证精加工时余量均匀。 2、采用90°双向平行走刀加工即可。