铅笔刨面盖模具型芯的设计与加工

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一、前言

    在现代的模具设计和生产中，通常先应用Pro/ENGINEER、UG、MasterCAM等先进的CAD/CAM软件进行产品的3D图形设计，然后根据产品的图形特点设计模具结构，确定模具型腔、分型面和抽芯结构，生成模具型腔实体图，最后根据模具型腔实体图，编制加工程序在CNC加工中心上进行数控加工。这些步骤是现代化模具设计生产的工艺步骤和趋势，它使得复杂模具的设计和数控加工编程全过程都可以借助CAD/CAM软件在计算机上完成，它改变了传统的模具制造方法，有效地缩短了模具制造周期，大大提高了模具的质量、精度和生产效率。

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    传统的CNC加工中心虽然具有加工功率大、切削效率高和稳定性好等优点，但是主轴的最大转速一般不超过6000r/min，加工小零件时效率反而不高。高速CNC加工中心价格昂贵，用来加工小件很不经济。针对这种情况，我们充分利用了东莞理工学校自行设计的CNC电脑雕刻机，将用MasterCAM编制的CAM程序输送到雕刻机的控制系统来加工模具型芯。由于雕刻机的转速高达40000r/min，大大提高了加工效率和表面光洁度。

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 二、产品和模具结构分析

    铅笔刨各方面精度要求很高，壁厚均匀（2.5mm），表面要求蚀纹处理。铅笔刨主要由面盖、透明罩、底盖和电池盖等四部分组成，如图1所示。电池盖与面盖间的装配是通过三个扣位来完成的，其中两个扣位与面盖相配，另一个扣位则与底盖相配，底盖再以两颗镙钉固定到面盖上。为了方便清洁铅笔刨内部的碎屑，透明罩要能够单独装拆，仅通过长条形的凸条凹槽结构，用手压两边来和面盖进行装配。因四个部件均采用不同的材料或颜色，所以不能把所有部件设计在一套模具内。

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图1 铅笔刨外壳示意图

    图2所示的是铅笔刨面盖的3D图形，材料为ABS，收缩率为5‰。为了装配时的方便与美观，产品设计有四个扣位。

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图2 面盖的3D图形

    与电池盖装配的两个底扣位采取抽芯机构，沿产品边界圆弧的法线方向抽出，如图3所示的抽芯1和抽芯2。为避免间隙的不均匀，面盖上与透明罩装配的接触面没有设计脱模斜度。由于强制脱模会破坏表面，所以我们采用了如图3所示的抽芯3结构。两边和透明罩相配合的内扣位，则采取斜顶出机构，如图3所示。由于内扣位与抽芯3中间有一条无法避免的加强筋(见图2)，导致内扣位部分不能和抽芯3做成一个整体的抽芯结构，使模具结构变得比较复杂。因产品的表面要求较高，不能有流道和浇口的痕迹，故采用潜伏浇口，进料口设在顶针处。

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图3 产品的模具

 

    三、面盖零件的前后模型芯设计

 

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    这里用Pro/ENGINEER软件对面盖零件的3D图形进行分模处理，并设计了如图4所示的分型面。考虑到模具的设计加工工艺，设计前模时将抽芯3的分型面设计成为沿着倒圆角的边直接向圆角的法线方向延伸10mm而产生的平面，然后再沿抽芯抽出方向构建一个5°的斜面。加工此斜面时，须将前模型芯竖起来进行加工。
前模上面的铅笔孔，则直接在前模型芯上预留出来，加工时先用数控机床进行开粗加工，再加工铜电极进行电火花放电加工。

    后模设计成由后模型芯镶件和后模模板装配的结构。先利用线切割将后模型芯镶件和后模模板分别加工出来，再直接利用数控加工中心加工后模模板上的止口胶位。由于后模型芯镶件不便于装夹和定位，为保证加工精度，加工时需将其和后模模板装配在一起来装夹。加工时为了不碰伤分型面，将后模型芯镶件沿Z方向升高10mm来加工出顶部及四周的曲面。这样既简化了加工止口用的电火花铜电极，又方便了对止口胶位进行打磨和抛光。后模中的许多很窄很深的筋条、骨位等处无法直接加工出来，需另外加工铜电极，用电腐蚀方法进行加工。

    
图4 模具的分型面

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    四、面盖零件后模型芯的数控加工

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    我们根据图4所设计的面盖零件后模型芯加工示意图，拟定了数控加工工艺，主要分成如下几个步骤。
    1. 曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)
    因为模具型腔的材料为较硬的钢件，所以选用φ25的镶合金平底飞刀进行加工。留下0.4mm的加工余量，进给率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主轴转速S为2000r/min。采用Parallel Spiral平行螺旋线铣削，Z方向最大步距(Max Stepdown)0.3mm，刀具重叠间距14.0mm，在工件的外部下刀，开启Filter刀具过滤功能，公差(tolerance)取0.025。由于后模型芯四周的面几乎是垂直的，为提高加工效率和质量，此处挖槽粗加工只加工型芯的上曲面。刀路轨迹如图5所示。

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    图5 曲面挖槽粗加工时的刀路轨迹

    2. 曲面等高外形半精加工(Surface Finish contour)
采用Pocket挖槽粗加工型芯的上曲面后，用等高外形(Surface Finish contour)半精加工四周垂直面。仍选用φ25的镶合金平底飞刀，加工余量不变。Z方向最大步距取0.25mm，为提高加工效率，Direction of open contours选取Zig-zag来回方式。刀路轨迹如图6所示。

     图6 曲面等高外形粗加工时的刀路轨迹

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    前面这两道粗加工工序，因加工余量较大，为提高加工效率，采用了φ25的大直径镶合金平底飞刀，先在加工中心上进行粗加工。
    3. 铅笔孔的粗加工
    用φ6的平底合金刀，选用曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)的刀路方式加工曲面顶部的铅笔孔。进给率500mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主轴转速S为6000r/min。采用平行螺旋线(Parallel Spiral)铣削，Z方向最大步距0.05mm，进刀要求在铅笔孔的型腔内螺旋下刀，先留下0.15mm的加工余量。粗加工完成后，选用外形加工Contour刀路，仍用φ6的平底硬质合金刀，采用Multi Pass多层铣削方式，进退刀在型腔内采用圆弧轨迹来保证加工面的光滑。刀路轨迹如图7所示。

    
    图7 粗加工铅笔孔时的刀路轨迹

    4.曲面等高外形精加工(Surface Finish contour)
    粗加工型芯面后，选用φ16的平底合金刀进行曲面的等高外形(Surface Finish contour)精加工。进给率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主轴转速S为6000r/min，切削公差0.01，Z方向最大步距0.5mm。进退刀具采用圆弧轨迹来保证加工面的光滑。由于装夹时将后模型芯镶件沿Z方向升高了10mm，故在深度上留有1mm的余量来控制加工，防止伤及分型面。刀路轨迹如图8所示。

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    5. 平行式精加工(Surface Finish Parallel)
    用等高外形刀路精加工完型芯面后，竖直边的四周已达到要求，但型芯顶面仍很粗糙。再选用(Spherical End Mill)φ1两刃合金球头刀，采用平行式精加工(Surface Finish Parallel)方式进一步精加工。进给率800mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主轴转速S为12000r/min。切削最大步距0.05mm，加工角度（Machine Angle）45°，采用Zig-Zag往复式切削。刀路轨迹如图9所示。

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    经过后面这三道工序，因工件已经在前面进行了粗加工，留有很小的加工余量，又都是采用很小的切削刀具，故放在了CNC电脑雕刻机上进行加工。采用了很高的主轴转速、较大的进给率和较小的切削步距，大大提高了加工效率和表面光洁度。除了进行模具型芯钢件的精加工外，我们还在电脑雕刻机上完成了整套模具的铜电极粗精加工，将加工中心和电脑雕刻机有机地结合起来，有效地降低了生产成本，提高了加工效率。

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五、结束语

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    为了提高模具的质量、精度和生产效率，在模具生产过程中，越来越广泛地使用CAD设计和CNC数控加工的制造方式。如何使模具结构更合理，数控加工效率更高，精度更高，一直是模具设计和数控技术研究人员努力研究的方向。CNC雕刻机与其他CNC设备(如CNC加工中心和CNC数控铣)一样，其加工基础也是CAD数据。和传统的CNC数控设备相比，CNC电脑雕刻机有着性价比高、转速高，加工软质材料效率高、光洁度好等优点。因此，应用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先进的软件进行CAD/CAM设计加工，并将最终的CAM程序传输给电脑雕刻机执行，也就是将CNC电脑雕刻和数控加工有机地结合起来，对小型模具加工来说将是很好的选择。