变坐标系法加工局部复杂曲面工艺研究

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Machining Process Research of Local Complicated Surfaces Based onM anufacturing Coordinate System TransformSHEN Xingang ，SUN Qian-li ，FAN Jin-zhen ，XIE Liang bo ，BA0 Kai。hua(1.Department of Electromechanical Engineering，Ningbo Polytechnic，Ningbo 3 1 5800，China；2.Ningbo Polytechnic Precision Machinery Co.，Ltd，Ningbo 315800，China)Abstract：Machining process applied in mold local complicated surfaces was discussed which was tochange the relative location between machining surfaces and the tool spindle. CAM software and UG wasapplied to produce machining NC program，SO as to machine the local complicated surfaces on the general 3-axises NC machine tools instead of multi。axis NC machine tools，to simplify machining process，save cost andincrease enterprise economic eficiency。

Keywords： Blowing Mold； Local Complicated Surface； Coordinate System Transform；Machining Process在模具加工过程中，-些局部较为复杂的曲面特征，由于其结构的特殊性与复杂性，在普通三坐标固定轴数控机床上无法-次性装夹即完成加工，或需要在高级的多轴机床上加工 (-般为 5轴)。但采用多轴机床加工这些局部复杂特征将大大提高模具的制造成本，非-些中小模具企业能够承受，同时为防止加工过程中发生干涉等问题，多轴机床加工对工艺要求更高，编程的复杂程度也大大增加。因此，应用普通三坐标数控机床加工局部复杂曲面的工艺研究具有较好的现实意义。

目前，模具制造企业对于复杂模具型腔曲面的加工，方法主要有多轴机床加工 J，定位五轴法加工 3-4 J， 分区域法加工 等。本文对应用普通三坐标固定轴数控铣床加工局部复杂曲面的工艺与方法进行了研究，并将其加工工艺在吹塑模具加工中进行了实际检验。

图 1 550 mL饮料瓶Fig 1 550mL beverage bottle以某模具制造公司550 mL圆柱形带条状花纹饮料瓶 (如图 1所示)的吹塑模加工为例，应用普通三坐标固定轴数控铣床，完成了该模具型腔曲面轮廓的粗、精加工，包括-些用普通三坐标数控铣床通常浙江侍育厅 2012年度科研计划项 目 (Y201224174)，浙江侍育厅 2012年度科研计划项目 (Y201224129)作者简介：沈鑫刚，男，1978年生，讲师/工程师 ，硕士，主要研究方向为 CAD/CAM技术 、现代制造技术。

sxg7824### 163.com· 58· 塑 料 工 业无法完成铣削加工的局部复杂曲面，通过采用变坐标系的方法进行编程与数控加工，较好地控制了模具加工精度。

1 模具型腔结构分析图2 550 mL饮料瓶吹塑模型腔Fig 2 Blowing mold cavity of 550 mL beverage botle该550 mL饮料瓶吹塑模型腔如图 2所示，模具毛坯尺寸238 mm×227 mm×60 mm，材料为铝合金7075，六个面经过精加工，各面具有较高的表面精度。该模具型腔的结构特点主要有以下两个方面：(1)基本特征为回转体 在用球刀做型腔曲面精加工时，在其底部曲面部分，刀轴接近垂直于被切削的曲面时 (即刀轴倾角为零度)，此时刀具对曲面产生的切削线速度理论上接近于零，因此刀具处于不良的切削状态，刀具与被加工曲面之间产生挤压，曲面加工质量差，如图 3所示。

图3 刀轴倾角为0o，情况Fig 3 Condition of tool axis tilt angle 0。

(2)局部曲面结构复杂或位置特殊，加工工艺性不佳 为了增加瓶体的刚性、防滑易握性以及外形美观，设计时在瓶体以及瓶底增加了-些带状的花纹特征和沟槽特征。瓶体花纹增加了模具型腔曲面结构的复杂性，如模具型腔的侧面花纹 (如图 4中的I)。瓶底的侧面凸缘下半部分曲面法向与刀轴的夹角超过了90。(如图4中的Ⅱ、Ⅲ)，处于无法加工的位置。因此，这些局部曲面的结构复杂性与位置特殊性给吹塑模型腔曲面的铣削加工增加了难度。

图4 吹塑模局部复杂曲面Fig 4 Local complicated Sul'faees of blowing mold2 变坐标系法加工工艺方案基于上述的型腔曲面结构特点，采用普通三坐标固定轴数控铣床通常情况下难以完成曲面的全部精加工，-般则需应用5轴机床进行加工，即通过旋转轴B轴 (或者 C轴)旋转-定的角度，改变刀轴与加工曲面法向间的夹角，使其位于 10。～300的最佳倾角范围 ，改善加工质量。

模具捌腔理想轮廓曲图5 改变刀轴倾角Fig 5 Change the tool axis tilt angle由于普通三坐标固定轴数控铣床没有旋转轴，因此，通过相对运动原理，通过设计-个专用工装，将工件置于工装后能够旋转-个角度 ，间接实现加工坐标系的旋转，从而获得合适的加工位置，其原理如图 5所示。

3 加工区域划分及工件旋转角度的确定将模具型腔曲面中的局部复杂曲面划分出来，作为精加工中第二道工序的加工曲面，如图4中的 I、Ⅱ、Ⅲ曲面区域等。

曲面划分不能太多，以避免区域太多导致的刀轴倾角太多，从而需要使用多套夹工装，多次装夹找正，引入加工误差。

后，该模具型腔中的 I、Ⅱ、Ⅲ等曲面区域具有良好的刀轴倾角，适合切削加工。

第 41卷第 4期 沈鑫刚，等 ：变坐标系法加工局部复杂曲面工艺研究4 型腔曲面加工工序设计4.1 粗加工及部分精JjN-r该吹塑模的机加工分两道工序来完成，第-道工序对毛坯进行粗加工及部分曲面的精加工，加工工步如表 1所示。为了提高加工效率，粗加工及部分精加工时可将两套模具型腔并列装夹在同-道工序中进行型腔加工，加工刀路如图6所示，先生成第-个型腔曲面轮廓的铣削加工刀路，其他的五个型腔刀路从第-个型腔刀路中复制，提高刀路生成速度，节省刀路计算时间 (由于图片显示局限及篇幅所限，此处将详细刀路略去)。

表 1 粗加工及部分精加工工序”Tab 1 Machining process of rough machining and part of finish machining注：1)其中的加工方式来 自于 SIEMENS UG NX7.5。

图6 粗加工及部分精加工刀路Fig 6 Rough machining and part of finish machining tool path4.2 局部曲面的精JjD-r对于局部复杂曲面区域的精加工将在第二道工序中铣削加工。编程时将工件模型旋转 40。，生成的刀路如图7所示，加工工步如表 2所示。

由于所加工曲面的对称性，对-侧曲面加工后，须将工装掉头，使另-侧的曲面也产生 40。的旋转，从而完成另-侧的局部复杂曲面区域的精加工。

图 7 局部曲面的精加工刀路Fig 7 Finish machining tool path of local surfaces表 2 局部复杂曲面加工工序 (工件旋转 40。)Tab 2 Machining process of local complicated surfaces(work piece rotate 40。)5 精加工对刀及机床加工夹具与模具体各面都经过精加工，保证了工件与工装间的相对位置精确。由于精加工切削用量小，刀具产生的切削力小，将工件置于专用工装后，可采用强力胶水将工件粘贴于工装上。工件经过第-道工序的粗加工后，模具上没有合适的对刀点，因此将对刀点设置于工装上便于找正的位置，再通过对刀点与编程原点间的相对位置建立加工坐标系，如图 8所示。

· 60· 塑 料 工 业图8 工件找正与对刀Fig 8 Work piece alignment and tool seting局部复杂曲面 的精加工实际加工情况如 图 9所示。

图9 局部复杂曲面加工Fig 9 Local complicated surfaces machining6 总结通过对吹塑模加工工艺的研究与实际切削证明，对于中小模具，在局部复杂曲面分布相对集中的情况下，通过设计简单的专用工装，从而变换局部复杂曲面与刀轴间的相对位置，获得适合切削加工的刀轴倾角，进而实现在普通三轴数控铣床上加工局部复杂曲面的目的，在保证制造精度的前提下简化了加工工艺，并大大节省了模具的制造成本。该方法在宁波普立特精密机械制造有限公司的模具制造上得到了成熟的应用，取得了显著的经济效益。

图 l0 机加工后的模具型腔Fig 10 Mold cavity after machining