数控模芯加工的工艺设计
　　型芯和型腔通常具有各种自由曲面，非常适合在数控机床上加工。数控加工技术与普通加工技术有很大区别。介绍了儿童产品装饰用型芯的数控加工技术。
　　
　　数控加工过程是指用数控机床加工零件时所使用的各种方法和技术手段的总和，适用于整个数控加工过程。由于数控加工具有加工效率高、质量稳定、对工人技术要求相对较低的特点，并且一次性装夹可以完成复杂曲面的加工，因此数控加工在模具制造行业的应用越来越广泛，其地位也越来越重要。数控工艺设计的质量将直接影响数控加工尺寸的尺寸精度和表面质量，加工时间的长短，材料和劳动力的消耗，甚至加工的安全性。下面的例子用来分析典型模具成型零件的数控加工技术。
　　
　　一、产品分析
　　
　　本文举例说明的产品是儿童用品的装饰品，材料是ABS。产品结构简单，表面平整，侧面有半圆孔，顶部有多个圆孔。因为产品是装饰品，不是精密的结构零件，所以对产品的外观质量要求很高，尺寸公差也不严格。
　　
　　二、成形零件结构及分析
　　
　　在获得产品的实体造型或工程图后，可以利用Pro/ENGINEER、NX或MasterCAM中的CAD功能进行模具设计，设计的型芯如图2所示。
　　
　　型芯具有以下特征:
　　
　　(1)芯坯尺寸为200×170×65毫米，加工后尺寸为160.8×126.6×35.8毫米，材料为S136钢。
　　
　　(2)芯胶位置高度为35.8毫米，椭圆面与三角面相交处圆角较小，只有1毫米。很难用铣刀直接加工这些位置，所以电火花加工可以满足要求。
　　
　　由于产品的尺寸公差不高，型芯可以直接用数控机床加工。
　　
　　第三，过程分析
　　
　　数控加工技术与传统加工技术有一定的区别。由于大多数数控机床不具备加工能力，加工过程的每一个细节都必须事先确定，加工是按照程序自动完成的。因此，在编程前必须对加工过程进行详细分析，并设计相应的加工程序。
　　
　　1.过程基准选择
　　
　　数控加工大多采用工艺集中的原则。因此，在选择工艺基准时，应尽可能选择合适的基准元素，减少装夹次数，提高加工效率和精度；同时，在选择定位基准时，必须参照图纸要求，使工艺基准与设计基准相一致，以减少基准不重合造成的误差。
　　
　　在本例中，工件毛坯经磨削后为长方体毛坯，保证了平行度、垂直度和尺寸精度。因此，可以选择长度方向和宽度方向上的相对面作为水平方向(XY方向)上的基准；选择底面作为高度方向(z方向)的基准。同时，在机床上找一对刀具基准，保证换刀后仍能准确找到编程设定的高度基准，即工件坐标系的Z0点。这些基准面在数控加工过程中不再加工。作为加工基准面，基准面的精度和均匀性可以得到保证。
　　
　　2.夹紧模式的选择
　　
　　铣削时，工件的夹紧方法一般包括用压板和螺栓夹紧、用机器平口钳夹紧和用专用夹具夹紧。型芯属于单件订单生产，一般不使用专用夹具；型芯的尺寸为200×170×65毫米，是一个小工件。因此，选择用机器平钳夹紧。
　　
　　使用机器平口钳夹紧时，应考虑芯的高度为35.8毫米，因此，夹紧后坯料顶面与平口钳钳口之间的高度应大于35.8毫米，底面可用同样高度的垫片垫实。
　　
　　3.加工顺序排列
　　
　　在数控机床上加工的零件一般按照工序集中的原则划分工序，即每个工序应包含尽可能多的加工内容。工艺划分方法包括使用的刀具、安装时间、粗加工或加工零件。这个例子是一个模芯，属于单件生产。因此，为了减少换刀次数，提高加工效率，在安排加工顺序时采用工序集中的原则。
　　
　　加工顺序的合理安排直接影响加工质量、效率和成本。在选择加工顺序时，根据毛坯状况和零件结构，结合零件的定位基准和夹紧方法，重要的是要考虑在加工过程中保证工件的刚度不被破坏，减少变形，保证加工质量。
　　
　　型芯的毛坯材料为长方体，产品的分型面切削量大，必须先进行粗加工，然后进行半精加工和精加工。加工分型面后，依次完成顶面、冲孔面和胶位的加工。
　　
　　4.切割工具的选择
　　
　　刀具选择是数控加工过程中的重要内容之一。加工刀具不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量。由于数控机床的主轴转速和范围远高于普通机床，主轴的输出功率也较大，与传统的加工方法相比，对数控机床提出了更高的要求，数控机床具有精度高、强度高、刚度好、耐用度高、尺寸稳定、安装调整方便等特点。数控刀具是提高加工效率的先决条件之一，其选择取决于被加工零件的几何形状、材料状态以及机床选择的夹具和刀具的刚度。
　　
　　模芯材料为S136钢，硬度约为220HB。坯料用平口钳夹住，这提供了足够的刚性。因此，选择硬质合金铣刀加工该型芯，刀具参数如下:
　　
　　(1)直径30毫米、半径5毫米的圆头刀；
　　
　　(2)直径16毫米、半径0.5毫米的圆头刀；
　　
　　(3)半径为5毫米的球头铣刀；
　　
　　(4)直径为8毫米的平底铣刀。
　　
　　4.基于MaterCAM的数控加工工艺
　　
　　MaterCAM软件是一个基于PC机平台的CAD/CAM系统。Matercam软件因其硬件要求低、操作灵活、易学易用，被广泛应用于机械加工、模具制造、汽车工业和航空航天工业，具有二维几何设计、三维曲面设计、刀具轨迹仿真和加工实体仿真等功能。在本例中，MasterCAM9.1用于编译刀具路径。处理顺序如表1所示。
　　
　　以上加工步骤已通过实际加工验证，证明加工效果良好，尺寸精度和表面加工质量满足图纸要求。
　　
　　5.分析和总结
　　
　　(1)数控机床在加工复杂曲面的模具成型零件方面具有明显的优势。只要工艺设计合理，就能完成80%以上的加工能力。
　　
　　(2)模具的数控加工一般是单件小批量生产，因此通常采用通用夹具进行装夹，多道工序大多通过一次装夹完成。因此，在工艺设计中，应采用工艺集中的原则，使工艺尽可能集中，同时应尽量减少换刀次数，以减少待机时间，提高机床利用率。
　　
　　(3)成型零件一般可通过三个工序完成:粗加工→半精加工→精加工。在工艺设计中，必须注意定位基准的选择，尽可能保证定位基准和设计基准的重合，减少因基准不一致造成的误差。同时，定位基准的选择应使工件坐标系的设置变得简单。
　　
　　(4)选择刀具时，应综合考虑机床、工件材料和设计要求等多种因素。刀具参数的设置应基于刀具制造商改进的参数，并根据加工条件进行修改，以充分发挥刀具的潜力。在保证刀具不干涉工件的前提下，应尽可能缩短装刀长度，以减少刀具振动，延长刀具寿命，提高加工精度。