汽车覆盖件模具CAM工艺技术的研究

发布日期:2016-06-15    兰生客服中心    浏览:9703

一、引言

  在汽车制造中,汽车覆盖件与一般的机械产品从结构到制造工艺都有很大的区别,它具有曲面多、光顺性高、结构形状复杂、尺寸较大、精度要求高等特点,其模具制造技术难度大,成本高,开发周期和质量均难以控制。汽车大型覆盖件冲模CAD/CAE/CAM一体化技术作为现代汽车设计制造方法,在缩短汽车车型设计、模具设计与调试周期、加快新车型开发速度等方面都发挥着至关重要的作用,其中汽车覆盖件模具设计、工艺设计分析及模具制造是关键技术的重要组成部分。国家“九五”科技攻关项目“汽车覆盖件冲压成形工艺及模具技术研究”在这方面做了大量富有成效的工作,作为核心技术之一的CAM技术是模具制造中重要的一环。

  在汽车覆盖件模具CAD/CAE/CAM一体化技术系统中,可以充分利用CAD/CAM系统的较强的CAM功能来完成复杂型面的模具制造,但是在利用这些CAD/CAM软件系统的便利功能的同时,又必须看到目前较成熟的商品化软件的CAM系统,其基本特色均是面向曲面的加工编程方式,它们是以CAD模型的局部几何特征为目标对象来处理,而不是以面向工程的工艺特征来处理。CAM作为一项实用性、实践性极强的专业技术,直接面向数控生产实际,数控加工又是以模型为结果、以工艺为核心的工程过程,这样,面向数控加工过程的CAM工艺的研究就变得非常重要,它也是当前的应用商品软件如何提高CAM技术水平的关键所在。本文将结合汽车覆盖件模具CAM的特点,对CAM实现过程中的关键工艺技术进行探讨。

二、CAM工艺的前处理

1、数据转换

  在CAM的上游数据信息中,设计和分析所采用的商品化CAD软件系统不尽相同,CAM与CAD所采用的软件系统也不一致,因此需要在不同的CAD/CAM系统之间做数据转换。目前用于数据转换的中间数据的标准格式有:IGES、STEP、PARASOLID等,这些标准的数据格式为在不同的CAD/CAM软件系统之间的数据转换提供了很大的方便。但就图形数据的交换而论,这些标准数据格式在实际应用于各CAD/CAM系统之间的数据交换时都会产生一些缺陷,如:

(1)由于各CAD/CAM系统自身允许构造自由曲面的最高阶次不同,因而在自由曲面的数据转换时常导致新模型与原有模型有较大误差。

(2)对裁剪后的复杂NURBS曲面进行数据转换时容易产生二义性。

(3)复杂三维形体上的某些小特征(如复杂型面上的变半径倒圆角)无法准确地进行数据交换,这就要求在CAM工艺设计和程序编制之前对于由中间数据转换来的曲面数学模型进行检查和校对,并对曲面的完整性、光顺性进行检查。这种检查除了直接检查较大面积的曲面丢失信息外,较好的方法是利用现行CAD/CAM软件系统所具有的曲面曲率分析功能分析其曲面的连续性和光顺性,检查有无畸变或细小的缝隙。对于丢失的较大面积的曲面片,可以首先用CAM系统所提供的曲面造型方法将其重构,重构时须注意保持它与周边曲面的连续性和光顺性(如图1)。

  对于细小缝隙同样不能忽视,在曲面粗加工程序中,由于刀具半径较大,这种细小缝隙所带来的缺陷一般还不易反映出来,而在曲面精加工中,缝隙的存在将会带来相当严重的不良后果。因此,对于由中间数据转换而来的有缝隙的曲面,首要的工作就是对曲面缝隙的缝补和光顺(如图2)。

2、负面检查

  由于五轴加工中心在生产实际中还不够普及,现有汽车覆盖件模具加工大多以三轴联动加工为主,因此在CAM工艺处理时,对汽车覆盖件型面上的负面部分(如图3)的加工处理就必须特别注意。因汽车覆盖件曲面形状和冲压工艺的复杂性,有些负面可以通过在冲压工艺中使制件旋转一定角度来消除,有些是考虑冲压工艺后不允许旋转而消除的,而有些负面即使在条件许可的情况下使其旋转一定角度,其负面仍不可避免。同时对于拉伸模具因拉伸冲压方向常是上下竖直方向,负面在拉伸时无法成形。对于这些负面的存在,在三坐标数控加工中必须要加以考虑,因此在模具设计和加工工艺设计时,对于存在负面的曲面模型,工艺模型上沿凹模型面负面部分处的最大型面边线(如图中A点处)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)中修整过来。

3、凸、凹模型面的转换

  在汽车覆盖件型腔加工中必须要考虑覆盖件料厚在模具凸、凹模型面上反映的重要性。设计汽车覆盖件型面时,考虑到本身组焊装配等尺寸关系的要求,对外覆盖件一般取其内表面即模具上的凸模作为型面设计的数字化定义面。凹模型面与凸模型面正好相差一个料厚。在模具设计时对凹模无需再另外构建模型面。在模具型面加工中,凸模可以直接使用数字化定义面来编程加工,而凹模就要考虑料厚的因素,凹模型面的加工利用凸模型面将已有的凸模型面沿X轴(对于Z轴为刀具轴的情况)旋转180°使之成为凹模型面来编程,其料厚的偏移量由CAM系统的加工余量这个加工参数来保证,当选择球头立铣刀加工时可以由刀具半径的补偿量来保证。

4、CAD/CAM基准的统一

  汽车覆盖件的冲压工艺常包括板材下料、拉伸修边、翻边整形、修边冲孔等工序,在这些工序的相应模具中,为方便各模具零件的制造,在模具设计时最好选用同一个设计基准。在汽车覆盖件产品设计和造型时所选用的设计坐标基准是车身坐标系,而模具型面的设计大多与此不一致,同时各工位的工序基准也有所不同,如果处理不好则会给模具制造、检查、测量带来不便。因此,基准变换一定要处理好,最好能实现基准的统一。例如,在模具设计和制造时,采用把产品图形平移到基准点并旋转到模具的冲压位置和冲压方向上,基准点最好与冲模中心重合,这样可以减少由于基准不统一造成的较大误差。在制造含有凸、凹模镶块的模具零件时,为减少一些不必要的清根和修整,凸、凹模镶块往往要与模体分离进行粗加工,然后装配好再精加工型面。这样就不可避免会产生一个问题,即分离件和合装件间的基准能否保证一致。基准的误差主要是多次加工产生的累积误差,它的存在则不能满足合模的技术要求,这种情况就必须在模架上加工出X、Y、Z3个方向的工艺基准面并在分离前后均以工艺基准面来找正进行编程加工,这样加工后的型面就只有找正误差和加工误差而消除了基准不重合的累积误差。

三、覆盖件模具CAM工艺技术

  覆盖件模具的数控加工与车身主模型的加工有所不同,车身主模型大多采用诸如油泥、硬塑等容易切削的软质材料,在数控加工时只要刀具的精度能够保证,一般加工质量均可以保证,需要考虑的问题较少。而冲压模具材料为金属材料且多为难加工材料,确定模具加工方式时要考虑的因素很多,如粗、精加工方案的确定、工艺路线的选择、加工工艺参数的确定等。

1、粗加工工艺的确定

  汽车覆盖件模具型面的复杂性和模具的单件加工性,使得其粗加工工艺与一般产品的加工工艺有着较大的差别,下面仅介绍在大型覆盖件模具数控加工中几种典型加工工艺。

(1)增加试切工序

  在模具零件粗加工中,无论是铸造毛坯还是焊接毛坯都常会遇到型面加工余量超大的现象,若一次加工到尺寸,则由于切削余量太大,导致切削力太大,刀具的进给阻力太大;若用分层的方法将粗加工分成多次进行,无论是加工成本或加工效率都不合算;如果将工件整个型面抬高一个定值,型面一次加工成,这样可减少加工时间,但有时会造成形面的个别地方加工余量不够,因此需要在粗加工之前增加一个试加工工序,检验工件粗加工时的切削量。试加工程序采用划分局部曲面加工来进行,如图4所示,在汽车顶盖凸模的粗加工时,因毛坯余量过大而且分布不均匀,在正式粗加工之前,对CAM工艺模型进行处理,如在长度方向上每隔300mm处划分出一个局部加工面,在加工中心上抬刀15mm试切20mm宽的小槽,此时有个别地方没有切上,将抬刀高度降低5mm,重复上面的试切程序,直至整个型面上的试切点均有加工余量,以后的粗加工和精加工在此状态下进行。实践证明,增加此试加工程序可减少重复加工的次数,改善加工性能,缩短加工时间,对提高模具加工质量和效率是一种行之有效的方法。

  另外,对较复杂的模型曲面进行加工时,有时须在粗加工之前对整个型面采用泡沫件进行试加工,以便检验加工后的实物与图纸所描述的形状是否一致,补充面的结构是否合理,通过试切加工,即检查了设计的合理性与造型的准确性,同时还检查了加工程序的正确性,发现设计不合理之处及时修改造型,修改程序,避免在模具实物加工中造成无法弥补的错误。

(2)合理优化走刀路线

  为了提高模具加工质量和生产效率,在模具型面的数控加工中,必须根据模具的结构特点和数控加工工艺性,采用合理的走刀方式和走刀方向。理论上在三轴及三轴以上的数控机床上可以实现三维空间任意形状的走刀。由于在汽车覆盖件的表面造型中,除了大张平坦的主曲面之外,因结构刚性的需要,还有许多的小曲面组成的凸台和凹坑,同时覆盖件模具表面上也有相同的形状,当对其模具型面进行数控加工时,就必须根据表面形状特征,采用不同的走刀方式或采用多种走刀方式的组合。虽然各种商品化CAM软件中提供的走刀方式很多,但根据生产经验,汽车覆盖件模具数控加工常用以下几种走刀方式:

  a)平行走刀也称梳状走刀或行切。这种走刀方式是模具加工中最常用的一种走刀方式,它多用于加工大张或较平坦的表面,在大型模具的精加工中常用这种走刀方式。

  b)等高外形走刀。用于一些表面形状复杂、凹坑凸台多且难以加工的曲面加工。

  c)曲面流线型走刀。用于一些对表面形状精度要求较高的曲面加工。d)射线状走刀。用于加工带球状或圆锥状的曲面部分。

  e)螺旋走刀。用于一些要求刀痕光滑连续的腔形或壳形与壳形表面的加工中。

  f)残料清角。用于一些直径较大的刀具无法切削到的角落部位。

  另外,选择合理的走刀方向也是优化走刀路线的一个因素。由于模具表面形状复杂,往往需根据加工工艺性,对不同的部分用不同的进给方向进行加工。例如,根据铣削加工的特点,在粗加工中不允许“裁刀”和“顺铣”;对于坡度变化急剧的形状,应沿坡度上升方向切削。

(3)加工工艺技术参数的确定。

  由于粗加工的主要目的是高效快速地去除大量毛坯余量。对精度要求不高的模具加工,为提高切削效率,充分体现数控加工的高效性,宜采用大直径的刀具,较大的切削深度,并利用机床在低速下恒扭矩的特点,用相对较慢的转速来进行切削,同时加工步距也应根据刀具直径大小取相对较大的值,如一般用<50mm的立铣刀取步距为10~15mm,进给量可依据所使用机床的刚性、功率、工件材质和刀具材质等具体确定情况,在条件许可的情况下,尽可能取较大值。

(4)刀具起刀点的确定。

  大型汽车覆盖件模具材料一般为铸件或锻件,其毛坯余量常不均匀,因此数控加工时刀具起刀点的位置要安排在模具型面上或型面以外相对较空的位置,以免误碰刀具;其次就是要注意顺铣和逆铣方式的选择,在铣削加工中,为了使刀具处于良好的切削状态,希望刀具在切削过程中尽量处于逆铣状态。在确定走刀方式后,刀具的逆铣状态则由编程设置的刀具起刀点位置决定,所以应合理设置起刀点位置。

2、精加工工艺的确定

  精加工是最后一道加工工序,所以精加工有精度高、切削量小而均匀等特点。精加工的走刀方式相对粗加工简单,因为加工余量一般能均匀地保持在1mm以内,故常采用球头立铣刀双向走刀,起刀点不受限制,同时加工中尽量避免单向抬刀动作,以节约切削时间。为保证精度要求,以选择较小直径的球头立铣刀加工为宜。步距应取较小值,在机床性能允许的情况下,将CAM中的精度参数值尽量设小一些,精加工一般取<20mm或<16mm的球刀,步距取1mm,精度为0.05mm。最后用最小半径球头立铣刀清根。

四、CAM先进工艺的应用

1、高速加工

  高速加工技术随着高速数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日益成熟。高速、高精度数控铣削加工技术的引入很好地解决了模具中加工质量与效率这一矛盾。高速铣削加工具有极高的主轴转速和进给速度,对于大型汽车覆盖件模具的加工而言,高速加工常指主轴转速在15000r/min和进给速度在5000mm/min以上的加工。这就为模具表面的高精度切削提供了条件,可以达到很高的形状精度,极大地减少了钳工抛光、修复时间,省略了砂轮机粗修磨模具表面这一工序,仅用砂轮、油石研磨模具表面即可,极大地提高了模具表面的加工精度,对提高模具质量和缩短生产周期起了很大的作用。

2、采用高效的加工刀具

  在汽车覆盖件模具的精加工中,既要追求精度又要追求效率,这使得加工中刀具的选择显得尤为重要。对于高速、高精度的铣削来说,刀具的重要性仅次于机床设备本身,刀具质量的好坏对加工效率影响很大,刀具的硬度和刚性不仅影响加工精度,也影响刀具本身的使用寿命,二者是衡量刀具使用性能的重要指标。为了提高加工精度和效率,目前刀具制造商开发了许多新型刀具,如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、超硬质合金刀具等。在涂层刀具方面,TiCN、TiALN、TiN等材料的涂层刀具也越来越广泛地应用于模具加工中。在刀柄的结构形式上,为提高刀具系统的刚性,新型的短锥联接刀柄、强力式夹头、端面键传递扭矩新结构的采用大大提高了刀具的定位精度,满足了高速加工对刀具的要求。

3、五坐标数控铣削的应用

  五坐标数控铣削也称五轴铣削,是目前模具加工中最先进的一种加工方式,它可以实现三轴联动数控铣削加工无法完成的一些复杂曲面的加工功能,克服了三轴加工固有的一些先天缺陷,理论上可以加工任意复杂形状的模具表面。五轴加工曲面,刀轴相对于被加工表面的法矢量方向可以恰当地定位,铣刀可以始终处于工作面的最佳切削位置,使刀具始终处在最有利的切削条件下,使加工时间缩短,被加工曲面范围更广,工件表面质量提高。另外通过采用合适的编程方式,还可以在每一切削行程中让刀具轴线相对被加工零件表面按指定的规律进行摆动,使得垂直于进给方向的法截面中,由刀尖轨迹形成的包络面与理论曲面的法截线具有相同的几何连续性,从而在保持精度不变的前提下,使实际切削行数大幅度减少,是目前曲面铣削加工中功能最全且效率最高的一种加工方法。

五、结束语

  本研究结合国家“九五”攻关项目“汽车覆盖件冲压成形工艺及模具CAD/CAE/CAM一体化研究”对大型模具CAM的一些关键工艺技术进行了较为深入的研究,这些技术涉及了计算机辅助设计、制造工艺、数控编程等领域的知识。实践证明,这些技术在大型汽车覆盖件模具CAM工艺中的成功运用,对于高质高效地加工汽车覆盖件模具、提高汽车冲压件质量和增强企业的竞争力等都具有重要的意义。下面介绍一款五轴龙门加工中心:

  意大利西曼斯CMS五轴龙门加工中心ARES系列高速加工中心

  ARES系列桥式高速龙门加工中心,适合于任何非金属材料的三维轮廓型面的高速、高精度五轴加工。更适用于航空航天工业、汽车模具模型制造业、铁道业、铸造业、造船业和玻璃钢产品业等等。

项目 
X轴行程mm
Y轴行程mm
Z轴行程mm
B轴旋转坐标
C轴旋转坐标
快速移动速度(X,Y轴)mm/min
快速移动速度(Z轴)mm/min
最大加速度(X,Y轴)m/s2
最大加速度(Z轴)m/s2
额定功率KW
最高转速rpm
主轴冷却
主轴追定
刀库容量
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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