五轴策略在相机壳注塑模具加工上的应用研究

孙建明

（云南机电职业技术学院， 云南 昆明 650203）

0 引言

2019 年模具设计与加工赛项由教育部、 科学技术部、人力资源和社会保障部、中国机械工业联合会、国家发展和改革委员会等10 余个国家部门共同举办。 赛项要求3 名参赛选手在连续不间断的6 小时内密切配合，完成产品设计，模具设计，模具主要零件加工，模具装配调试，产品试模成形，考核参赛选手多方面的能力。 本次比赛本人指导的参赛队取得云南省第一名的成绩，将代表云南省参加国赛。

欧美工业发达国家将模具比喻为“进入富裕社会的原动力”， 在我国把模具称为 “工业之母”。 注塑模具广泛应用于汽车、家电、3C、儿童玩具、航空航天等日常生产生活中。 随着人民生活水平的提高，消费者对注塑产品质量的要求越来越高，既要求产品耐用的同时又要求产品外观漂亮且质量轻。 这就迫使注塑模具设计越来越复杂，多轴CNC 加工中心在注塑模具加工中发挥着举足轻重的作用。

本次以五轴加工策略在莱卡相机壳注塑模具设计及加工的实际应用，研究五轴加工策略生成的刀路轨迹应用到三轴加工中心上加工方法， 打破传统的加工工艺方法及思路，高质量，高效率，低耗能完成相机壳加工。为参赛选手及企业生产类似产品提供技术革新借鉴参考作用。

1 产品分析

如图1 所示，莱卡相机壳壳体厚度仅1.5mm，壳体形状复杂，特征较多，由3 个主按钮孔，3 个侧按钮孔， 1 个凹槽，1 个切口，4 个半月槽组成， 并且周边都是斜面。该塑件材料为ABS，塑件表面光洁度要求较高，不允许有飞边， 不能出现气泡、划痕、裂纹等缺陷。故型芯，型腔的结构尺寸比较复杂。

图1 产品图示Fig.1 Product photographs

1.1 分模设计

分模设计是注塑模具设计中最重要及最关键的环节。 莱卡相机壳分模有两种方法，一种是把顶面按钮分在型芯上，另一种是把顶面按钮分在型腔上，分在型腔上刀具切削刃长度至少需要26.62mm，Φ4mm 的刀具有效切削刃长度仅为15mm， 后者分模方法不利益数控机床加工。故选择前者分模方法。 侧面按钮不论分在型芯还是型腔上都不能保证侧壁上的按钮凸台清角加工， 因为不论多小直径的刀具都存在R 角。 故侧面按钮采用嵌件方式。

1.1.1 创建分型线

分型线的选取决定了分型面的使用， 打开Power-Shape Toolmaker 模块开关，选择型芯/型腔，创建复合曲线，选取最大外轮廓线，作为分型线。

1.1.2 创建分型面

分型面的创建影响模具加工，塑件质量及最终的使用功能。 因此必须创建合理的分型面。 创建分型面之前需要把相机壳体孔修补缝合，如不修补缝合进行分模时软件不知道孔特征分在型芯还是型腔上。 选择孔边缘线，构造复合曲线，应用PowerShape 智能曲面，缝补相应的孔。 应用之前创建好的分型线，创建分型面。

1.1.3 分割型芯型腔

运行PowerShape Toolmaker 自动模具镶嵌块向导，对应选取产品和分模面，设置收缩率，镶块尺寸，分模方向三个重要参数，模具型芯型腔设计完成，爆炸图如图2 所示。

图2 分模爆炸图Fig.2 Split mode explosion diagram

1.2 分模后续处理

对型芯， 型腔进行分析，把机加工加工不到的地方进行补面处理。 设计型芯，型腔模锁，模架安装孔，冷却水道，注塑孔尺寸及位置。

为了保证型芯， 型腔合模平稳顺利， 型芯及型腔的模锁设计成5°斜面。

2 数控加工过程

2.1 加工工艺设计

对型芯进行分析，型芯由模锁，半圆台，凹槽，斜面组成，且斜面深度有26.6mm，这是本文研究的重点，技术要求型芯表面光滑，无明显接刀痕。

本次比赛在有限的6 小时时间内， 要完成塑件产品的分模，模具设计，模具分析，模具主要零件加工，装配。为了在有效的时间内完成产品的加工， 并且符合模具产品尺寸精度及粗糙度要求。 在粗加工时应采用高速高精高效加工策略，尽量节约时间。在精加工时采用优化的高效精加工策略，既节约时间又保证产品的表面质量。本次加工在反复研究对比加工策略， 多次实际加工比较的基础上， 对各种不同的加工策略对相机壳模具加工质量及加工效率进行分析， 得出各加工策略最优使用范围及方法，为相机壳模具加工提供了最优加工方案。

2.2 重要加工策略方法

2.2.1 旋风铣高效粗加工策略

图3 旋风铣刀路轨迹Fig.3 Path path of cyclone milling cutter

图4 铝屑形状及尺寸Fig.4 Shape and size of aluminum

粗加工有3 种加工方法，一是层切方法，该加工方法在一般的传统加工中用的比较多， 多用在无轮廓光顺功能的CAM 编程软件及转速低刚性差的机床。 在加工过程中机床存在加减速现象， 造成机床在加工拐角处出现震动情况，导致加工效率低，产品表面质量差，能耗高。二是插铣方式， 插铣方式是刀具从顶部向下一直铣削到工件根部，通过X-Y 平面的简单平移，即可加工出极其复杂的表面几何形状。 加工过程中， 参数不稳定容易导致刀具崩刃，整把刀具报废。 三是旋风铣加工方式，该加工方式是采用刀具侧刃切削工件， 切削深度可达刀具直径的3 倍， 侧刃吃刀量可达刀具直径的0.2 倍， 高速切削时，切削就像龙卷风一样飞出，因而得名。计算出来的刀路轨迹采用轮廓光顺功能，刀路轨迹类似赛车跑道线一样，没有直角拐弯，都是圆弧光顺刀路，不存在机床加减速及机床震动现象。通过计算生成刀路轨迹，层切加工提刀100 次，加工时间21 分44 秒。 插铣加工提刀353 次，加工时间33 分12 秒。 旋风铣提刀26 次， 加工时间6 分29 秒，旋风铣刀路轨迹如图3 所示。 通过对比以上三种相机壳开粗加工刀路轨迹，得出本次采用旋风铣加工工艺策略， 旋风铣加工产生的铝屑如图4 所示，铝屑成松针状，细长形。 此加工策略可以快速去除材料，有效提高加工效率。

2.2.2 五轴精加工策略在三轴加工中心上应用

相机壳型芯周边都是呈1.5°斜面， 要加工斜面并且是用FANUC 0i MD 立式三轴数控加工中心加工。 按照传统的加工工艺思路，编程工艺技术人员要么选择用等高精加工策略，要么选择用平行精加工策略。 查阅了很多文献， 发现用五轴加工策略计算刀路轨迹生成程序，用在三轴立式加工中心上运行加工的加工工艺方案文献凤毛麟角。 例如高雯在《科技传播》期刊上发表的题为《五轴加工中心在模具加工中的应用》论文，该论文研究的是三轴加工中心加工过程存在刀具零点切削缺陷问题可以应用五轴加工中心主轴偏摆一定角度后加工，解决零点切削问题。 并没有研究五轴加工工艺方案策略在三轴数控加工中心上实际应用方法。

本次研究经过对几种加工工艺方案对比分析， 发现等高精加工方案和平行精加工方案都存在斜边底面加工不到位的地方， 如图5 所示。 只有五轴精加工方案曲面精加工策略与参考线精加工策略两者结合优化处理产生的刀路轨迹才能把斜面底部顺利加工完成，故本次采用五轴精加工方案曲面精加工策略与参考线精加工策略两者优化组合产生的精加工刀路轨迹加工型芯斜面。 具体的操作如下：打开曲面精加工策略对话栏，鼠标左键选择待加工的曲面，设置行距为0.15mm，加工顺序为双向，切入切出为无，连接为曲面上，主轴转速6000r/min，进给速度1200mm/min，计算生成刀路轨迹。发现此刀路轨迹凸台上面有很多红色的刀路，比较凌乱，经过分析发现红色刀路轨迹是连接移动刀路轨迹， 该刀路轨迹还要再次处理优化才是最理想的斜面加工刀路轨迹。 应用参考线精加工策略处理优化， 打开参考线精加工策略对话栏，把该曲面精加工刀路轨迹当做参考线， 下限底部位置设置为驱动曲线。 计算产生刀路轨迹，该刀路轨迹完美贴合斜面，作为最终的斜面精加工方案。 等高精加工刀路轨迹如图5 所示。 斜面优化精加工刀路轨迹如图6 所示。

图5 等高精加工刀路轨迹Fig.5 High precision machining tool path track

图6 斜面优化精加工刀路轨迹Fig.6 Bevel plane optimization of finishing tool path trajectory

2.2.3 关键工艺参数

表1 加工工序及关键工艺参数是相机模具型芯加工的主要参数。 型腔加工相比型芯加工简单，型芯加工要用33 个加工工序，型腔加工只用10 个加工工序。合理选择型芯部分加工工艺，就能把型腔加工完成。

2.3 数控机床运行加工

2.3.1 设备选择

表1 加工工序及关键工艺参数表Tab.1 Processing process and key process parameters table

本次竞赛选用的数控机床型号是CY-VMC1060 立式加工中心，配置FANUC 0i MD 数控系统，主轴最高转速6000 r/min，最快进给速度6000mm/min，重复定位精度0.02mm， 机床重量7000KG，X/Y/Z 行程分别为1000mm/600mm/600mm，刀库容量20 个刀杯位，外接DNC。

2.3.2 后置处理

通过CAM 软件产生的刀路轨迹， 是刀位源文件，而不是数控程序，必须经过后置处理器处理才能转化成对应机床系统能识别的数控NC 代码。 通过DNC 传入机床数控系统，数控系统才能读取NC 程序进行加工。

2.3.3 机床运行加工

严格按照加工工序表，把刀具准备好，依次把刀具装入刀库， 把对应刀路轨迹用后处理器处理， 并且应用CIMCOEdit 检查校验程序。 确认无误后，通过DNC 把程序传入机床控制系统，运行程序加工。 加工过程及装夹如图7 所示，加工完成的相机模具如图8 所示。

图7 加工过程及装夹Fig.7 Processing and clamping

图8 成品相机模具Fig.8 Finished camera mould

3 结束语

应用PowerShape 对相机壳进行分析， 并优化处理相机壳模具型芯及型腔。 应用PowerMill 旋风铣高效加工策略粗加工相机壳模具， 详细论述PowerMill 五轴加工策略精加工相机壳模具斜面的方法，在5.5 个小时内加工完成， 经HEXAGON GLOBAL SDL 07 10 07 三坐标测量机检测，尺寸精度及表面质量均到达要求。 有效提高了相机壳加工效率及加工精度。 本次的产品分析，模具分析方法， 加工方案及加工策略参数可为企业生产注塑模模具提供技术参考， 为竞赛及培训提供借鉴参考作用。