PowerMILL在汽车模具层切加工中的应用-东风模具冲压技术有限公司模具分公司

只看该作者 · 发表于 2012-7-6 14:09:42

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PowerMILL在汽车模具层切加工中的应用

张林浩
东风模具冲压技术有限公司模具分公司（湖北武汉430056）

摘自 - 《模具制造3月刊》

【摘要】基于公司的生产实际，结合CAM软件在我公司应用的特点，论述了PowerMILL软件在编程加工方面的优势，并将其成功地应用到汽车模具的层切加工中。同时，通过借助 PowerMILL进行数控编程，引进了高效的可转位刀具。提高了大型数控铣床加工效率，缩短模具生产周期，降低制造成本。
关键词：PowerMILL；汽车模具；层切加工；可转位刀具

1 引言

我公司是以生产汽车覆盖件模具为主的模具公司，随着公司的市场开拓，乘用车外覆盖件模具已成为我公司生产重点。通过与国外先进的外覆盖件模具生产厂家对比发现，我们在主体作业效率和模具的制造成本方面还有一定差距。因此，这两方面是我们今后努力的方向。

模具制造成本的大致组成为：切削加工65%、模具材料20%、热处理5%和装配调整10%[1]。由此可知切削加工占成本的绝大多数，这部分加工效率的提高，不仅使总体成本下降，还可以缩短交货期，快速回收资金。

层切加工（即等高加工）是众多CAM软件普遍采用的一种粗加工方式，对于汽车模具而言，由于其有自由曲面形状，采用层切法可以保持恒定的切削载荷，避免载荷突变损坏刀具[2]。基于此，我公司适时引进高速加工的理念，针对生产实际中机床的现状而制订一种高效率粗加工策略。其主要方法是通过采用小切深、高进给、低转速（3,000转/min以下）在轻型数控机床上达到高速切削的效果。

通过应用层切加工可以使切削效率提高、切削力降低。同时大部分的切削热被铁屑带走，减少了工件的热变形、提高刀具的耐用度、机床振动小，工作平稳，有利于使工件获得高的加工精度。

2 CAM软件在我公司模具层切加工的特点

2.1 UG层切的特点

一直以来，我公司一直将UG软件作为主流的编程软件。随着在生产实际中的广泛应用，发现UG在粗加工层切加工中存在安全问题，严重影响了实物质量，制约着模具的生产制造周期。

随着汽车业的发展，对汽车外形的要求越来越高，这样就使得产品数模数据量增加。模具加工数据的容量也相应地增加，致使加工数据越来越大。例如在 Z499项目中，仅门外板的修边模数据就达到670M。大的数据量增加UG计算时间，同时也增加了程序的不稳定性，在用UG进行层切程序的编制时，刀具路经会产生陡然下降，造成刀具瞬间吃刀量增大，会产生刀具的损坏，严重地会对机床产生影响。基于以上，考虑到直径63mm层切刀与直径30mm球刀的构造上的特点，编程员的临时对策是在UG中的层切程序采用30mm 球刀层切，以此来增加程序的安全性。

但是即便是30mm球刀层切，风险虽然降低，但仍然存在。问题一旦发生，不仅损坏昂贵的球刀刀片，同时也造成上千元的刀杆报废。

2.2 PowerMILL编程的特点

作为编程人员，刀具路径安全无碰撞是我们追求的首要目标。经过多方的考察对比，决定选用 PowerMILL作为我公司型面粗加工的主要软件。 Delcam的PowerMILL系统是一款独立的CAM软件，其显著的特点是具有完善的碰撞和过切检查功能。应用PowerMILL编程，能够全程自动防过切，编程员可非常方便地为刀具加上刀柄、刀杆，并迅速、自动地进行刀柄、刀杆干涉检查，提示最小安全刀杆长度，保证加工安全性[3]。螺旋式刀具路径的应用可以最大限度的减少刀具的空程移动，从而减少加工时间。

PowerMILL高速加工具有其独有的加工策略，运用于常规的加工中也能够最大限度地优化刀具轨迹、提高加工效率，体现出极大的效益。刀路的圆弧连接切入切出方式，赛车道、摆线、螺旋等高加工，能光顺刀具轨迹、减少拐点，使切削过程中进给速度更加均匀、刀具负荷更加恒定，提高切削效率同时降低刀具磨损。

下面就PowerMLL中"最小刀长技术"和"刀具路径的光顺处理技术"做详细论述。

（1）最小刀长技术的应用。

"最小刀长技术"应用的前提是必须建立刀具库， PowerMILL有非常友好的用户界面，通过将刀具、刀柄等的夹持等参数输入，可以在程序计算过程中就可进行对应刀具长度的检测，使编程员在考虑刀具长度时更趋合理。

刀具长度是加工中非常关键的参数，如果在编程阶段不考虑刀长，在加工深腔陡壁的时候，操作者会因为没有刀长的参考指示，而会盲目的选择刀具。这种情况下，如果操作者选择的刀具过长，就会影响加工效率，反之，就会发生刀套与工件碰撞的恶劣事件。因此，最小刀长的选取至关重要。通过在 PowerMILL程序的碰撞检查功能，会提示编程员所需要的最小刀长，如图1所示，这样编程员将这一信息通过数控程序单传递给操作者，从而使操作者选择加工刀具参数的时候有据可依，加工更合理。

（2）刀具路径的光顺处理。

赛车道加工方式是PowerMILL在数控化编程中又一显著的功能。由于可使刀具路径实现圆弧化连接——在进退刀时采用圆弧切入切出，在刀具路径中使用圆角光顺处理。这样就使得刀具受力均匀过度避免像直线进退刀那样，切削力突然增大，影响刀具和机床的使用寿命。同时，平滑的刀具路径增加了机床运动的平衡性。避免了由于刀具的突然换向，对工件和机床带来的冲击。为机床创造了良好的切削条件，使工件的加工质量提供了保证。

图1 经过PowerMILL碰撞检查过的信息提示

我公司在2011年7月份加工的Z860项目中的一套模具是由日产方面完成的数控程序编程，通过现场观摩加工实况，并调取其刀具路径查看，不难发现其显著特点就是在粗加工程序中采用圆弧进退刀的方式，如图2所示。图3为PowerMILL中编制的圆弧过渡的刀具路径。

图2 日产编制的粗加工程序刀具轨迹

图3 PowerMILL中圆弧过渡的刀具路径

圆弧进退刀的刀具路径在模具型面加工中，即钢模加工中尤为重要。由于编程策略的不同，在型面加工中，通常会因为加工区域的特点而采用不同的走刀方式。这就是通常所说的"分区"。此时，不同区域的刀具路径的搭接显得尤为重要。如果不加处理，只是机械的让两个相邻区域刀具路径重叠，在生产现场会由于刀具直接在工件表面下刀加工，而产生驻刀痕，影响模具表面的加工质量，增加钳工修整的工作量。

这一点在外板件模具的型面加工中是尽量避免出现的，因为会影响制件的表面质量。为此，在UG中通过做工艺补充面，即通常所说的"接刀"，人为将两个加工区域件做出相切的圆弧片体，这样就会使得编程员的工作量大大增加，如果要是编制侧围或者是门外板等模具，会严重影响编程作业效率，更有甚者，工艺补充面的制作会用去一天的时间。

PowerMILL具有在刀具路径中实现圆弧连接的功能，仅仅通过设置连接功能的参数，无需做工艺补充面即可便可得到"接刀"的效果。使编程员从繁重的工艺补充面的制作中解脱出来，使编程效率提升，同时也改善了加工质量。图4为PowerMILL中圆弧切入切出的刀具路径（该加工刀路是在我公司H79项目令号为D11-RCMN-010左右竖板的修边翻边模中编程实现的）。图5为生产现场应用PowerMILL进行层切加工。

图4 圆弧切入切出局部刀具路径

图5 生产现场应用PowerMILL进行层切加工

2.3 UG与PowerMILL在层切加工效率的对比

在相同的加工参数设定下，UG的编程策略同样存在加工效率的问题。以下为我公司D09-JMC-033/ 037右侧围外板后部加工时间对比。图6为UG加工刀具路径，图7为PowerMILL加工路径。

图6 UG加工刀具路径

图7 PowerMILL加工路径

高质量的刀具路径应避免空进给轨迹的产生，尽量减少抬刀、进退刀的次数[4]。由于基于PowerMILL 的安全无过切技术，所以编程人员可以放心地应用 "短连接"功能，减少抬刀和空行程，刀具路径圆弧平滑连接，延长刀具的使用寿命，同时提高加工质量。
图8为相同加工参数设置下加工时间对比。

3 应用直径63mm可转位层切刀加工的必要性

乘用车外覆盖件外形平坦。相应地其凸模的外形具有起伏小，型面平坦，圆角大的特点，非常适合用大直径的层切刀具加工。对于门外板、顶盖类的模具凹模也同样适用于大直径的层切刀具加工。通过应用大直径可转位刀具可以显著地提高工作效率。降低制造成本。

3.1 可转位刀具的优越性

可转位刀具是一种将硬质合金或其他超硬材料压制成形的刀片机械夹固在刀杆或刀体上，等其一面刀刃用钝后可通过刀片转位重新获得新刀刃的刀具。应用可转位刀具，可以有以下优势[5]：

（1）减少换刀时间，刀片用钝或损坏后仅需转换一下刃口或更换一个刀片，即可投入生产，而不是像整体式刀具那样需要操作者更换新刀具并重新对刀。这样就减少生产辅助时间，提高生产效率。

（2）降低了对刀具库存的要求，减少刀具数量。
由于刀片是标准件，可以分类放入盒中便于管理。

（3）可转位刀具由于刀片并不是焊接在刀体上，这样就避免了焊接应力对刀片的影响，使得刀片保持了原有的切削性能，刀具几何参数一致，断屑稳定。可以有条件地提高切削速度和增大走刀量，以提高生产效率。

另外，相对于整体合金刀具而言，其刀具成本上也具有一定的优势。

3.2 可转位刀具在我公司应用对比

汽车外覆盖件模具拉延模的凸模，通常沿周为陡峭侧壁我公司现有的30mm球刀刀长有限，层切加工完后，需要用50mm平底刀做轮廓加工，增加了换刀辅助时间。

63mm层切刀刀杆长度150~300mm，足以满足我公司现生产凸模的层切，并且可以同时把轮廓的层切粗加工完成，减少通常轮廓粗加工刀具的损耗，整个粗加工过程不换刀，减少辅助时间，提高工作效率。表1为两者示意图对比。

不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。圆刀片（R 型）刀尖角最大，在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片。层切刀片采用最佳圆弧形刀尖角，主切削刃短、切削力小，主轴转速要求低，加工效率高。因此可适用我公司的多数机床使用。

例如：我公司的加工流程开粗加工一般在济南二机机床上加工，由于该机床最高转速可达到6,000转/ min，30mm球刀和63mm层切刀的两种开粗程序均可在其加工。在N800 项目拉伸模的层切应用中， 30mm球刀层切程序在FP4000设备上切削速度慢，声音大，并且有颤振现象。经程序在PowerMILL中更改为用63mm层切刀进行层切加工后，走刀顺畅，平缓，切削均匀，且没有噪声。

4 经济效益分析

综上所述，以往由于UG 安全问题考虑，采用30mm球刀层切，引入PowerMILL软件后，可放心的应用63mm可转位层切刀，提高生产效率，使制造成本大大降低。

我公司层切加工用刀具的具体参数如表2所示。

以09-JMC-024_028凸模数控加工工时为例：

仅凸模可节省刀具成本：27.1 小时/8 小时×251 元-8小时/16小时×130元=785.26元。

节约数控工时费用：（37.1-18）小时×200元/小时 =3,820元。由此，此套模具可节约加工成本：785.26+ 3820=4605.26元。

目前，PowerMILL在我公司已经用于拉伸模具型面的层切粗加工编程。按照我公司的模具年生产当量，如果在全工序型面粗加工中推广应用，其经济效益可想而知。

5 结束语

大直径可转位层切刀具在模具型面粗加工中具有显著的优势。在降低制造成本的同时，提高了生产效率。通过应用PowerMILL编制的数控程序，其在模具制造中的作用会得到更有效的发挥。

自引入PowerMILL软件进行层切加工以来，先后在我公司Z812，北汽福田PU201,江铃N800 车身， D310双排，东风日产P32L，日产D118项目，东风本田 2EE项目，神龙T88等项目的模具数控编程中应用，取得非常好的经济效果。在缩短模具生产周期的同时也降低了模具的制造成本。现在，随着PowerMILL在我公司模具加工中越来越广泛地应用，其为公司创造的效益将会越来越显著。

参考文献

[1] 章宗城. 提高模具加工精度和效率[J]. 现代制造，2010，（46）:42~43.
[2] 王卫兵. 高速加工数控编程技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.
[3] 翟万略. 全程无过切的智能高速CAM软件-谈高速加工软件PowerMILL[J]. 制造技术与机床，2004（, 2）
[4] 朱克忆. PowerMILL多轴数控加工编程实用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2010.
[5] 王惠忠. 推广可转位刀具促进企业技术进步[J]. 齐厂科技， 1992（. 2）

作者：张林浩，男，1981年生，助理工程师，主要从事数控编程工作。