汽車覆蓋件模具CAM工藝技術(shù)的研究

一、引言

　　在汽車制造中，汽車覆蓋件與一般的機(jī)械產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)到制造工藝都有很大的區(qū)別，它具有曲面多、光順性高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、尺寸較大、精度要求高等特點(diǎn)，其模具制造技術(shù)難度大，成本高，開發(fā)周期和質(zhì)量均難以控制。汽車大型覆蓋件沖模CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)作為現(xiàn)代汽車設(shè)計制造方法，在縮短汽車車型設(shè)計、模具設(shè)計與調(diào)試周期、加快新車型開發(fā)速度等方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中汽車覆蓋件模具設(shè)計、工藝設(shè)計分析及模具制造是關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分。國家“九五”科技攻關(guān)項目“汽車覆蓋件沖壓成形工藝及模具技術(shù)研究”在這方面做了大量富有成效的工作，作為核心技術(shù)之一的CAM技術(shù)是模具制造中重要的一環(huán)。

　　在汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)系統(tǒng)中，可以充分利用CAD/CAM系統(tǒng)的較強(qiáng)的CAM功能來完成復(fù)雜型面的模具制造，但是在利用這些CAD/CAM軟件系統(tǒng)的便利功能的同時，又必須看到目前較成熟的商品化軟件的CAM系統(tǒng)，其基本特色均是面向曲面的加工編程方式，它們是以CAD模型的局部幾何特征為目標(biāo)對象來處理，而不是以面向工程的工藝特征來處理。CAM作為一項實用性、實踐性極強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)，直接面向數(shù)控生產(chǎn)實際，數(shù)控加工又是以模型為結(jié)果、以工藝為核心的工程過程，這樣，面向數(shù)控加工過程的CAM工藝的研究就變得非常重要，它也是當(dāng)前的應(yīng)用商品軟件如何提高CAM技術(shù)水平的關(guān)鍵所在。本文將結(jié)合汽車覆蓋件模具CAM的特點(diǎn)，對CAM實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行探討。

二、CAM工藝的前處理

1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　在CAM的上游數(shù)據(jù)信息中，設(shè)計和分析所采用的商品化CAD軟件系統(tǒng)不盡相同，CAM與CAD所采用的軟件系統(tǒng)也不一致，因此需要在不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。目前用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式有:IGES、STEP、PARASOLID等，這些標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式為在不同的CAD/CAM軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供了很大的方便。但就圖形數(shù)據(jù)的交換而論，這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式在實際應(yīng)用于各CAD/CAM系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換時都會產(chǎn)生一些缺陷，如:

(1)由于各CAD/CAM系統(tǒng)自身允許構(gòu)造自由曲面的最高階次不同，因而在自由曲面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時常導(dǎo)致新模型與原有模型有較大誤差。

(2)對裁剪后的復(fù)雜NURBS曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時容易產(chǎn)生二義性。

(3)復(fù)雜三維形體上的某些小特征(如復(fù)雜型面上的變半徑倒圓角)無法準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這就要求在CAM工藝設(shè)計和程序編制之前對于由中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來的曲面數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢查和校對，并對曲面的完整性、光順性進(jìn)行檢查。這種檢查除了直接檢查較大面積的曲面丟失信息外，較好的方法是利用現(xiàn)行CAD/CAM軟件系統(tǒng)所具有的曲面曲率分析功能分析其曲面的連續(xù)性和光順性，檢查有無畸變或細(xì)小的縫隙。對于丟失的較大面積的曲面片，可以首先用CAM系統(tǒng)所提供的曲面造型方法將其重構(gòu)，重構(gòu)時須注意保持它與周邊曲面的連續(xù)性和光順性(如圖1)。

　　對于細(xì)小縫隙同樣不能忽視，在曲面粗加工程序中，由于刀具半徑較大，這種細(xì)小縫隙所帶來的缺陷一般還不易反映出來，而在曲面精加工中，縫隙的存在將會帶來相當(dāng)嚴(yán)重的不良后果。因此，對于由中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來的有縫隙的曲面，首要的工作就是對曲面縫隙的縫補(bǔ)和光順(如圖2)。

2、負(fù)面檢查

　　由于五軸加工中心在生產(chǎn)實際中還不夠普及，現(xiàn)有汽車覆蓋件模具加工大多以三軸聯(lián)動加工為主，因此在CAM工藝處理時，對汽車覆蓋件型面上的負(fù)面部分(如圖3)的加工處理就必須特別注意。因汽車覆蓋件曲面形狀和沖壓工藝的復(fù)雜性，有些負(fù)面可以通過在沖壓工藝中使制件旋轉(zhuǎn)一定角度來消除，有些是考慮沖壓工藝后不允許旋轉(zhuǎn)而消除的，而有些負(fù)面即使在條件許可的情況下使其旋轉(zhuǎn)一定角度，其負(fù)面仍不可避免。同時對于拉伸模具因拉伸沖壓方向常是上下豎直方向，負(fù)面在拉伸時無法成形。對于這些負(fù)面的存在，在三坐標(biāo)數(shù)控加工中必須要加以考慮，因此在模具設(shè)計和加工工藝設(shè)計時，對于存在負(fù)面的曲面模型，工藝模型上沿凹模型面負(fù)面部分處的最大型面邊線(如圖中A點(diǎn)處)上下拉直并修正曲面模型，拉直的部分在后序工序(如整形工序)中修整過來。

3、凸、凹模型面的轉(zhuǎn)換

　　在汽車覆蓋件型腔加工中必須要考慮覆蓋件料厚在模具凸、凹模型面上反映的重要性。設(shè)計汽車覆蓋件型面時，考慮到本身組焊裝配等尺寸關(guān)系的要求，對外覆蓋件一般取其內(nèi)表面即模具上的凸模作為型面設(shè)計的數(shù)字化定義面。凹模型面與凸模型面正好相差一個料厚。在模具設(shè)計時對凹模無需再另外構(gòu)建模型面。在模具型面加工中，凸�？梢灾苯邮褂脭�(shù)字化定義面來編程加工，而凹模就要考慮料厚的因素，凹模型面的加工利用凸模型面將已有的凸模型面沿X軸(對于Z軸為刀具軸的情況)旋轉(zhuǎn)180°使之成為凹模型面來編程，其料厚的偏移量由CAM系統(tǒng)的加工余量這個加工參數(shù)來保證，當(dāng)選擇球頭立銑刀加工時可以由刀具半徑的補(bǔ)償量來保證。

4、CAD/CAM基準(zhǔn)的統(tǒng)一

　　汽車覆蓋件的沖壓工藝常包括板材下料、拉伸修邊、翻邊整形、修邊沖孔等工序，在這些工序的相應(yīng)模具中，為方便各模具零件的制造，在模具設(shè)計時最好選用同一個設(shè)計基準(zhǔn)。在汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計和造型時所選用的設(shè)計坐標(biāo)基準(zhǔn)是車身坐標(biāo)系，而模具型面的設(shè)計大多與此不一致，同時各工位的工序基準(zhǔn)也有所不同，如果處理不好則會給模具制造、檢查、測量帶來不便。因此，基準(zhǔn)變換一定要處理好，最好能實現(xiàn)基準(zhǔn)的統(tǒng)一。例如，在模具設(shè)計和制造時，采用把產(chǎn)品圖形平移到基準(zhǔn)點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)到模具的沖壓位置和沖壓方向上，基準(zhǔn)點(diǎn)最好與沖模中心重合，這樣可以減少由于基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的較大誤差。在制造含有凸、凹模鑲塊的模具零件時，為減少一些不必要的清根和修整，凸、凹模鑲塊往往要與模體分離進(jìn)行粗加工，然后裝配好再精加工型面。這樣就不可避免會產(chǎn)生一個問題，即分離件和合裝件間的基準(zhǔn)能否保證一致�；鶞�(zhǔn)的誤差主要是多次加工產(chǎn)生的累積誤差，它的存在則不能滿足合模的技術(shù)要求，這種情況就必須在模架上加工出X、Y、Z3個方向的工藝基準(zhǔn)面并在分離前后均以工藝基準(zhǔn)面來找正進(jìn)行編程加工，這樣加工后的型面就只有找正誤差和加工誤差而消除了基準(zhǔn)不重合的累積誤差。

三、覆蓋件模具CAM工藝技術(shù)

　　覆蓋件模具的數(shù)控加工與車身主模型的加工有所不同，車身主模型大多采用諸如油泥、硬塑等容易切削的軟質(zhì)材料，在數(shù)控加工時只要刀具的精度能夠保證，一般加工質(zhì)量均可以保證，需要考慮的問題較少。而沖壓模具材料為金屬材料且多為難加工材料，確定模具加工方式時要考慮的因素很多，如粗、精加工方案的確定、工藝路線的選擇、加工工藝參數(shù)的確定等。

1、粗加工工藝的確定

　　汽車覆蓋件模具型面的復(fù)雜性和模具的單件加工性，使得其粗加工工藝與一般產(chǎn)品的加工工藝有著較大的差別，下面僅介紹在大型覆蓋件模具數(shù)控加工中幾種典型加工工藝。

(1)增加試切工序

　　在模具零件粗加工中，無論是鑄造毛坯還是焊接毛坯都常會遇到型面加工余量超大的現(xiàn)象，若一次加工到尺寸，則由于切削余量太大，導(dǎo)致切削力太大，刀具的進(jìn)給阻力太大;若用分層的方法將粗加工分成多次進(jìn)行，無論是加工成本或加工效率都不合算;如果將工件整個型面抬高一個定值，型面一次加工成，這樣可減少加工時間，但有時會造成形面的個別地方加工余量不夠，因此需要在粗加工之前增加一個試加工工序，檢驗工件粗加工時的切削量。試加工程序采用劃分局部曲面加工來進(jìn)行，如圖4所示，在汽車頂蓋凸模的粗加工時，因毛坯余量過大而且分布不均勻，在正式粗加工之前，對CAM工藝模型進(jìn)行處理，如在長度方向上每隔300mm處劃分出一個局部加工面，在加工中心上抬刀15mm試切20mm寬的小槽，此時有個別地方?jīng)]有切上，將抬刀高度降低5mm，重復(fù)上面的試切程序，直至整個型面上的試切點(diǎn)均有加工余量，以后的粗加工和精加工在此狀態(tài)下進(jìn)行。實踐證明，增加此試加工程序可減少重復(fù)加工的次數(shù)，改善加工性能，縮短加工時間，對提高模具加工質(zhì)量和效率是一種行之有效的方法。

　　另外，對較復(fù)雜的模型曲面進(jìn)行加工時，有時須在粗加工之前對整個型面采用泡沫件進(jìn)行試加工，以便檢驗加工后的實物與圖紙所描述的形狀是否一致，補(bǔ)充面的結(jié)構(gòu)是否合理，通過試切加工，即檢查了設(shè)計的合理性與造型的準(zhǔn)確性，同時還檢查了加工程序的正確性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理之處及時修改造型，修改程序，避免在模具實物加工中造成無法彌補(bǔ)的錯誤。

(2)合理優(yōu)化走刀路線

　　為了提高模具加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在模具型面的數(shù)控加工中，必須根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)控加工工藝性，采用合理的走刀方式和走刀方向。理論上在三軸及三軸以上的數(shù)控機(jī)床上可以實現(xiàn)三維空間任意形狀的走刀。由于在汽車覆蓋件的表面造型中，除了大張平坦的主曲面之外，因結(jié)構(gòu)剛性的需要，還有許多的小曲面組成的凸臺和凹坑，同時覆蓋件模具表面上也有相同的形狀，當(dāng)對其模具型面進(jìn)行數(shù)控加工時，就必須根據(jù)表面形狀特征，采用不同的走刀方式或采用多種走刀方式的組合。雖然各種商品化CAM軟件中提供的走刀方式很多，但根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，汽車覆蓋件模具數(shù)控加工常用以下幾種走刀方式:

　　a)平行走刀也稱梳狀走刀或行切。這種走刀方式是模具加工中最常用的一種走刀方式，它多用于加工大張或較平坦的表面，在大型模具的精加工中常用這種走刀方式。

　　b)等高外形走刀。用于一些表面形狀復(fù)雜、凹坑凸臺多且難以加工的曲面加工。

　　c)曲面流線型走刀。用于一些對表面形狀精度要求較高的曲面加工。d)射線狀走刀。用于加工帶球狀或圓錐狀的曲面部分。

　　e)螺旋走刀。用于一些要求刀痕光滑連續(xù)的腔形或殼形與殼形表面的加工中。

　　f)殘料清角。用于一些直徑較大的刀具無法切削到的角落部位。

　　另外，選擇合理的走刀方向也是優(yōu)化走刀路線的一個因素。由于模具表面形狀復(fù)雜，往往需根據(jù)加工工藝性，對不同的部分用不同的進(jìn)給方向進(jìn)行加工。例如，根據(jù)銑削加工的特點(diǎn)，在粗加工中不允許“裁刀”和“順銑”;對于坡度變化急劇的形狀，應(yīng)沿坡度上升方向切削。

(3)加工工藝技術(shù)參數(shù)的確定。

　　由于粗加工的主要目的是高效快速地去除大量毛坯余量。對精度要求不高的模具加工，為提高切削效率，充分體現(xiàn)數(shù)控加工的高效性，宜采用大直徑的刀具，較大的切削深度，并利用機(jī)床在低速下恒扭矩的特點(diǎn)，用相對較慢的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行切削，同時加工步距也應(yīng)根據(jù)刀具直徑大小取相對較大的值，如一般用<50mm的立銑刀取步距為10～15mm，進(jìn)給量可依據(jù)所使用機(jī)床的剛性、功率、工件材質(zhì)和刀具材質(zhì)等具體確定情況，在條件許可的情況下，盡可能取較大值。

(4)刀具起刀點(diǎn)的確定。

　　大型汽車覆蓋件模具材料一般為鑄件或鍛件，其毛坯余量常不均勻，因此數(shù)控加工時刀具起刀點(diǎn)的位置要安排在模具型面上或型面以外相對較空的位置，以免誤碰刀具;其次就是要注意順銑和逆銑方式的選擇，在銑削加工中，為了使刀具處于良好的切削狀態(tài)，希望刀具在切削過程中盡量處于逆銑狀態(tài)。在確定走刀方式后，刀具的逆銑狀態(tài)則由編程設(shè)置的刀具起刀點(diǎn)位置決定，所以應(yīng)合理設(shè)置起刀點(diǎn)位置。

2、精加工工藝的確定

　　精加工是最后一道加工工序，所以精加工有精度高、切削量小而均勻等特點(diǎn)。精加工的走刀方式相對粗加工簡單，因為加工余量一般能均勻地保持在1mm以內(nèi)，故常采用球頭立銑刀雙向走刀，起刀點(diǎn)不受限制，同時加工中盡量避免單向抬刀動作，以節(jié)約切削時間。為保證精度要求，以選擇較小直徑的球頭立銑刀加工為宜。步距應(yīng)取較小值，在機(jī)床性能允許的情況下，將CAM中的精度參數(shù)值盡量設(shè)小一些，精加工一般取<20mm或<16mm的球刀，步距取1mm，精度為0.05mm。最后用最小半徑球頭立銑刀清根。

四、CAM先進(jìn)工藝的應(yīng)用

1、高速加工

　　高速加工技術(shù)隨著高速數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而日益成熟。高速、高精度數(shù)控銑削加工技術(shù)的引入很好地解決了模具中加工質(zhì)量與效率這一矛盾。高速銑削加工具有極高的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，對于大型汽車覆蓋件模具的加工而言，高速加工常指主軸轉(zhuǎn)速在15000r/min和進(jìn)給速度在5000mm/min以上的加工。這就為模具表面的高精度切削提供了條件，可以達(dá)到很高的形狀精度，極大地減少了鉗工拋光、修復(fù)時間，省略了砂輪機(jī)粗修磨模具表面這一工序，僅用砂輪、油石研磨模具表面即可，極大地提高了模具表面的加工精度，對提高模具質(zhì)量和縮短生產(chǎn)周期起了很大的作用。

2、采用高效的加工刀具

　　在汽車覆蓋件模具的精加工中，既要追求精度又要追求效率，這使得加工中刀具的選擇顯得尤為重要。對于高速、高精度的銑削來說，刀具的重要性僅次于機(jī)床設(shè)備本身，刀具質(zhì)量的好壞對加工效率影響很大，刀具的硬度和剛性不僅影響加工精度，也影響刀具本身的使用壽命，二者是衡量刀具使用性能的重要指標(biāo)。為了提高加工精度和效率，目前刀具制造商開發(fā)了許多新型刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、超硬質(zhì)合金刀具等。在涂層刀具方面，TiCN、TiALN、TiN等材料的涂層刀具也越來越廣泛地應(yīng)用于模具加工中。在刀柄的結(jié)構(gòu)形式上，為提高刀具系統(tǒng)的剛性，新型的短錐聯(lián)接刀柄、強(qiáng)力式夾頭、端面鍵傳遞扭矩新結(jié)構(gòu)的采用大大提高了刀具的定位精度，滿足了高速加工對刀具的要求。

3、五坐標(biāo)數(shù)控銑削的應(yīng)用

　　五坐標(biāo)數(shù)控銑削也稱五軸銑削，是目前模具加工中最先進(jìn)的一種加工方式，它可以實現(xiàn)三軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工無法完成的一些復(fù)雜曲面的加工功能，克服了三軸加工固有的一些先天缺陷，理論上可以加工任意復(fù)雜形狀的模具表面。五軸加工曲面，刀軸相對于被加工表面的法矢量方向可以恰當(dāng)?shù)囟ㄎ�，銑刀可以始終處于工作面的最佳切削位置，使刀具始終處在最有利的切削條件下，使加工時間縮短，被加工曲面范圍更廣，工件表面質(zhì)量提高。另外通過采用合適的編程方式，還可以在每一切削行程中讓刀具軸線相對被加工零件表面按指定的規(guī)律進(jìn)行擺動，使得垂直于進(jìn)給方向的法截面中，由刀尖軌跡形成的包絡(luò)面與理論曲面的法截線具有相同的幾何連續(xù)性，從而在保持精度不變的前提下，使實際切削行數(shù)大幅度減少，是目前曲面銑削加工中功能最全且效率最高的一種加工方法。

五、結(jié)束語

　　本研究結(jié)合國家“九五”攻關(guān)項目“汽車覆蓋件沖壓成形工藝及模具CAD/CAE/CAM一體化研究”對大型模具CAM的一些關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，這些技術(shù)涉及了計算機(jī)輔助設(shè)計、制造工藝、數(shù)控編程等領(lǐng)域的知識。實踐證明，這些技術(shù)在大型汽車覆蓋件模具CAM工藝中的成功運(yùn)用，對于高質(zhì)高效地加工汽車覆蓋件模具、提高汽車沖壓件質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)的競爭力等都具有重要的意義。下面介紹一款五軸龍門加工中心：

　　意大利西曼斯CMS五軸龍門加工中心ARES系列高速加工中心

　　ARES系列橋式高速龍門加工中心，適合于任何非金屬材料的三維輪廓型面的高速、高精度五軸加工。更適用于航空航天工業(yè)、汽車模具模型制造業(yè)、鐵道業(yè)、鑄造業(yè)、造船業(yè)和玻璃鋼產(chǎn)品業(yè)等等。

項目  X軸行程mm Y軸行程mm Z軸行程mm B軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) C軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 快速移動速度（X,Y軸）mm/min 快速移動速度（Z軸）mm/min 最大加速度（X,Y軸）m/s2 最大加速度（Z軸）m/s2 額定功率KW 最高轉(zhuǎn)速rpm 主軸冷卻 主軸追定 刀庫容量

ARES 3600/4800/6000 1800/2600 1200 80 70 5 5 +/-120°；9.000°/min；500°/s2 +/-270°；9.000°/min；500°/s2 12kw-12.000rpm 24.000rpm 液冷 HSK63/F  8-16把

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