汽車覆蓋件模具CAM工藝技術的研究

一、引言

　　在汽車制造中，汽車覆蓋件與一般的機械產品從結構到制造工藝都有很大的區別，它具有曲面多、光順性高、結構形狀復雜、尺寸較大、精度要求高等特點，其模具制造技術難度大，成本高，開發周期和質量均難以控制。汽車大型覆蓋件沖模CAD/CAE/CAM一體化技術作為現代汽車設計制造方法，在縮短汽車車型設計、模具設計與調試周期、加快新車型開發速度等方面都發揮著至關重要的作用，其中汽車覆蓋件模具設計、工藝設計分析及模具制造是關鍵技術的重要組成部分。國家“九五”科技攻關項目“汽車覆蓋件沖壓成形工藝及模具技術研究”在這方面做了大量富有成效的工作，作為核心技術之一的CAM技術是模具制造中重要的一環。

　　在汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM一體化技術系統中，可以充分利用CAD/CAM系統的較強的CAM功能來完成復雜型面的模具制造，但是在利用這些CAD/CAM軟件系統的便利功能的同時，又必須看到目前較成熟的商品化軟件的CAM系統，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、實踐性極強的專業技術，直接面向數控生產實際，數控加工又是以模型為結果、以工藝為核心的工程過程，這樣，面向數控加工過程的CAM工藝的研究就變得非常重要，它也是當前的應用商品軟件如何提高CAM技術水平的關鍵所在。本文將結合汽車覆蓋件模具CAM的特點，對CAM實現過程中的關鍵工藝技術進行探討。

二、CAM工藝的前處理

1、數據轉換

　　在CAM的上游數據信息中，設計和分析所采用的商品化CAD軟件系統不盡相同，CAM與CAD所采用的軟件系統也不一致，因此需要在不同的CAD/CAM系統之間做數據轉換。目前用于數據轉換的中間數據的標準格式有:IGES、STEP、PARASOLID等，這些標準的數據格式為在不同的CAD/CAM軟件系統之間的數據轉換提供了很大的方便。但就圖形數據的交換而論，這些標準數據格式在實際應用于各CAD/CAM系統之間的數據交換時都會產生一些缺陷，如:

(1)由于各CAD/CAM系統自身允許構造自由曲面的最高階次不同，因而在自由曲面的數據轉換時常導致新模型與原有模型有較大誤差。

(2)對裁剪后的復雜NURBS曲面進行數據轉換時容易產生二義性。

(3)復雜三維形體上的某些小特征(如復雜型面上的變半徑倒圓角)無法準確地進行數據交換，這就要求在CAM工藝設計和程序編制之前對于由中間數據轉換來的曲面數學模型進行檢查和校對，并對曲面的完整性、光順性進行檢查。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行CAD/CAM軟件系統所具有的曲面曲率分析功能分析其曲面的連續性和光順性，檢查有無畸變或細小的縫隙。對于丟失的較大面積的曲面片，可以首先用CAM系統所提供的曲面造型方法將其重構，重構時須注意保持它與周邊曲面的連續性和光順性(如圖1)。

　　對于細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嚴重的不良后果。因此，對于由中間數據轉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和光順(如圖2)。

2、負面檢查

　　由于五軸加工中心在生產實際中還不夠普及，現有汽車覆蓋件模具加工大多以三軸聯動加工為主，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雜性，有些負面可以通過在沖壓工藝中使制件旋轉一定角度來消除，有些是考慮沖壓工藝后不允許旋轉而消除的，而有些負面即使在條件許可的情況下使其旋轉一定角度，其負面仍不可避免。同時對于拉伸模具因拉伸沖壓方向常是上下豎直方向，負面在拉伸時無法成形。對于這些負面的存在，在三坐標數控加工中必須要加以考慮，因此在模具設計和加工工藝設計時，對于存在負面的曲面模型，工藝模型上沿凹模型面負面部分處的最大型面邊線(如圖中A點處)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。設計汽車覆蓋件型面時，考慮到本身組焊裝配等尺寸關系的要求，對外覆蓋件一般取其內表面即模具上的凸模作為型面設計的數字化定義面。凹模型面與凸模型面正好相差一個料厚。在模具設計時對凹模無需再另外構建模型面。在模具型面加工中，凸�？梢灾苯邮褂脭底只�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180°使之成為凹模型面來編程，其料厚的偏移量由CAM系統的加工余量這個加工參數來保證，當選擇球頭立銑刀加工時可以由刀具半徑的補償量來保證。

4、CAD/CAM基準的統一

　　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，在這些工序的相應模具中，為方便各模具零件的制造，在模具設計時最好選用同一個設計基準。在汽車覆蓋件產品設計和造型時所選用的設計坐標基準是車身坐標系，而模具型面的設計大多與此不一致，同時各工位的工序基準也有所不同，如果處理不好則會給模具制造、檢查、測量帶來不便。因此，基準變換一定要處理好，最好能實現基準的統一。例如，在模具設計和制造時，采用把產品圖形平移到基準點并旋轉到模具的沖壓位置和沖壓方向上，基準點最好與沖模中心重合，這樣可以減少由于基準不統一造成的較大誤差。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行粗加工，然后裝配好再精加工型面。這樣就不可避免會產生一個問題，即分離件和合裝件間的基準能否保證一致�；鶞实恼`差主要是多次加工產生的累積誤差，它的存在則不能滿足合模的技術要求，這種情況就必須在模架上加工出X、Y、Z3個方向的工藝基準面并在分離前后均以工藝基準面來找正進行編程加工，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不重合的累積誤差。

三、覆蓋件模具CAM工藝技術

　　覆蓋件模具的數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材料，在數控加工時只要刀具的精度能夠保證，一般加工質量均可以保證，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、加工工藝參數的確定等。

1、粗加工工藝的確定

　　汽車覆蓋件模具型面的復雜性和模具的單件加工性，使得其粗加工工藝與一般產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象，若一次加工到尺寸，則由于切削余量太大，導致切削力太大，刀具的進給阻力太大;若用分層的方法將粗加工分成多次進行，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，此時有個別地方沒有切上，將抬刀高度降低5mm，重復上面的試切程序，直至整個型面上的試切點均有加工余量，以后的粗加工和精加工在此狀態下進行。實踐證明，增加此試加工程序可減少重復加工的次數，改善加工性能，縮短加工時間，對提高模具加工質量和效率是一種行之有效的方法。

　　另外，對較復雜的模型曲面進行加工時，有時須在粗加工之前對整個型面采用泡沫件進行試加工，以便檢驗加工后的實物與圖紙所描述的形狀是否一致，補充面的結構是否合理，通過試切加工，即檢查了設計的合理性與造型的準確性，同時還檢查了加工程序的正確性，發現設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的錯誤。

(2)合理優化走刀路線

　　為了提高模具加工質量和生產效率，在模具型面的數控加工中，必須根據模具的結構特點和數控加工工藝性，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控機床上可以實現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，因結構剛性的需要，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，當對其模具型面進行數控加工時，就必須根據表面形狀特征，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，但根據生產經驗，汽車覆蓋件模具數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化走刀路線的一個因素。由于模具表面形狀復雜，往往需根據加工工藝性，對不同的部分用不同的進給方向進行加工。例如，根據銑削加工的特點，在粗加工中不允許“裁刀”和“順銑”;對于坡度變化急劇的形狀，應沿坡度上升方向切削。

(3)加工工藝技術參數的確定。

　　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，充分體現數控加工的高效性，宜采用大直徑的刀具，較大的切削深度，并利用機床在低速下恒扭矩的特點，用相對較慢的轉速來進行切削，同時加工步距也應根據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，進給量可依據所使用機床的剛性、功率、工件材質和刀具材質等具體確定情況，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，因此數控加工時刀具起刀點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，希望刀具在切削過程中盡量處于逆銑狀態。在確定走刀方式后，刀具的逆銑狀態則由編程設置的刀具起刀點位置決定，所以應合理設置起刀點位置。

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。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，故常采用球頭立銑刀雙向走刀，起刀點不受限制，同時加工中盡量避免單向抬刀動作，以節約切削時間。為保證精度要求，以選擇較小直徑的球頭立銑刀加工為宜。步距應取較小值，在機床性能允許的情況下，將CAM中的精度參數值盡量設小一些，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先進工藝的應用

1、高速加工

　　高速加工技術隨著高速數控加工設備與高性能加工刀具技術的發展而日益成熟。高速、高精度數控銑削加工技術的引入很好地解決了模具中加工質量與效率這一矛盾。高速銑削加工具有極高的主軸轉速和進給速度，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速在15000r/min和進給速度在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，可以達到很高的形狀精度，極大地減少了鉗工拋光、修復時間，省略了砂輪機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，對提高模具質量和縮短生產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床設備本身，刀具質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。為了提高加工精度和效率，目前刀具制造商開發了許多新型刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、超硬質合金刀具等。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用于模具加工中。在刀柄的結構形式上，為提高刀具系統的剛性，新型的短錐聯接刀柄、強力式夾頭、端面鍵傳遞扭矩新結構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、五坐標數控銑削的應用

　　五坐標數控銑削也稱五軸銑削，是目前模具加工中最先進的一種加工方式，它可以實現三軸聯動數控銑削加工無法完成的一些復雜曲面的加工功能，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地定位，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律進行擺動，使得垂直于進給方向的法截面中，由刀尖軌跡形成的包絡面與理論曲面的法截線具有相同的幾何連續性，從而在保持精度不變的前提下，使實際切削行數大幅度減少，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、結束語

　　本研究結合國家“九五”攻關項目“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的一些關鍵工藝技術進行了較為深入的研究，這些技術涉及了計算機輔助設計、制造工藝、數控編程等領域的知識。實踐證明，這些技術在大型汽車覆蓋件模具CAM工藝中的成功運用，對于高質高效地加工汽車覆蓋件模具、提高汽車沖壓件質量和增強企業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、汽車模具模型制造業、鐵道業、鑄造業、造船業和玻璃鋼產品業等等。

項目  X軸行程mm Y軸行程mm Z軸行程mm B軸旋轉坐標 C軸旋轉坐標 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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