模具特殊凹凸花纹加工工艺

童金芳,李程

泰尔茂医疗产品（杭州）有限公司 浙江杭州 310018

   摘要：数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。数控技术的水准、拥有和普及程度已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志之一。近30年来数控设备和加工技术发展的非常成熟，在现代工业生产中，模具是生产各种产品的重要工艺装备，模具已成为世界装备制造业的基础，为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，数控加工技术得到了广泛的应用。

    关键词：模具加工、火花机、加工中心、凹凸花纹

  引言

模具是一种高效率的工艺装备，用模具进行各种材料成型，可以实现高速的批量生产，并能在批量生产中保证稳定的产品质量。同时，模具也是实现少切削与无切削加工技术不可缺少的工具，可节约原材料，降低产品成本。模具是机械制造业的核心，在国民经济中占 有重要地位。数控加工技术作为目前世界主流的加工技术，在智能化、自动化生产中数控加工技术也越来越重要，在本文中阐述数控加工技术在模具加工的应用。

技术使用背景

    在模具制作过程中，偶尔会碰到一些类似手柄类产品表面的滚花凹凸纹，在医疗产品模具中这种花纹要求精度比较高，如果使用激光加工或者3D打印不但成本都比较高，且表面加工出来的光洁度不高，需要的加工周期也比较长，本文介绍出一种加工中心与火花机配合的加工方法，相比激光加工和3D打印加工周期短，光洁度高，成本低。

    整体的工艺设计

整体加工工艺分为三部分：电极设计、电极加工和放电加工。电极的设计要考虑到电极加工的效率和精度保证，结构上面避免产生应力集中产生变形风险的结构，安装校正的基准等。电极加工要考虑装夹的稳定性，可靠性和重复装夹的精度，以及加工时刀路的顺畅合理性，避免加工时出现断差。放电加工要考虑安装的顺序和检查校正的部分。

1.电极设计

先确定放电工艺确定电极的设计方向：⑴.放电加工时选择圆形频动放电加工，该工艺能保证圆柱的外轮廓的精度，台阶圆弧的轮廓精度，⑵.根据放电工艺电极设定圆柱轴线方向为Z轴方向，圆周方向设定为X、Y方向，电极设计成选择180度可以重复使用，提高效率和精度（一个电极可以打两个工件）；⑶. 根据放电工艺，电极设计进行圆周方向收缩，圆柱轴线方向理论上保持不变，实际上放电加工时，圆柱轴线方向也会产生电腐蚀产生过切现象，实际操作时需要对轴线方向（Z轴）会进行整体缩放0.02mm，⑷.电极使用3R夹具，3R夹具的重复定位精度在0.002mm，所以在加工时能保证电极重复安装精度。

该工艺执行的难点，凹凸花纹电极加工复杂，重复加工定位要求精度高，很容易出现断差错位的情况，造成轮廓错位和尺寸超差。该形状的模具一般都是采用滑块结构，凹凸花纹都在滑块镶件上面，模具设计时都对凹凸花纹颗粒脱模角度进行了校正：无负角度、避免倒扣面产生无法脱模的情况。我们只需要检查一下就好，看看有没有与分型面有负角度凹凸纹颗粒面产生倒扣导致无法脱模的情况即可。

    拆铜工：根据图纸要求绘画出3D，⑴.先画出单颗凹凸花纹颗粒，再进行阵列、旋转复制，所有的花纹类型颗粒都完成后与基体合并；⑵.检查从凹凸纹的间距尺寸与形状尺寸是否与图纸一致，所有颗粒类型是否已经全部画出，位置是否与图纸要求一致；如果有3D模型就省略该步骤，直接用软件进行压凹或者组合删减来获得电极，⑶.成型部分设计好后，设计出过渡加工工艺面、基准台和一个基准角（电极用来判断方向与测量用），⑷.对电极进行加工模拟分析，如果凹凸颗粒间隙太小无法加工或者加工效率太低，对电极进行拆分，删除临近的一个凹凸纹颗粒，减少凹凸纹颗粒、增大凹凸纹颗粒之间的间距，直到刀具能快速加工到位，这样一个电极就会拆分成二个或者3个电极，以保证加工效率和精度为原则来拆分电极；⑸.对电极进行圆周方向进行收缩，收缩的尺寸为火花机放电间隙参数，不易太大，精工电极建议取比较小的参数(建议单边收缩0.05mm)，容易获得比较高的轮廓精度，圆柱轴线方向整体缩放0.02mm，避免放电加工时圆柱轴线（Z）方向过切，造成尺寸误差。⑹.软件上进行3D电极装配，检查各个部位间隙是否一致，有无装配干涉的地方；⑺.出电极尺寸二维图与放电加工位置图，并标注出基准面以及放电加工火花间隙参数。

    2.电极加工

    因为电极设计时圆周方向360度都需要加工，因此首选4轴立式加工中心，没有4轴立式加工中心用3轴也可以。这里重点讲一下3轴加工中心的加工方法，⑴.先电极立放安装到3R夹具底座上，电极凹凸花纹部位留0.1mm余量，其余形状部位能加工到位的都加工完成，有加工不到的地方留到后面工序。这步工序设计目标是为了减少后续电极横向悬空时的加工量，提高加工效率。⑵.3R夹具底座由立放改为90度并固定在安装板上或者用平口钳装夹（3R夹具轴线与X轴平行进行安装），进行水平校正和设备的X、Y、Z轴平行校正，用3R圆柱型校正夹具测试不同安装位（沿轴线旋转4个安装位）的重复安装精度，控制在0.003mm以内，⑶.电极横放固定到3R夹具底座上，以圆柱轴线为中心进行工件中心设置（Y/Z轴原点设定为圆柱中心），X原点设置在电极基准台的基准面上，⑷.对平放电极加工进行模拟，主要是测试刀具能加工到的区域，并测试4次加工是否能全部加工完成，⑸.电极加工按圆周方向分四次加工，设计加工顺序，逐步加工完成。⑹.如果第4步加工模拟分4次加工完成不了，那就分8次，第一次4个面加工完成后，再次调整第2步，把3R基准座轴向旋转45度，再重复第2步至第5步。如果是4轴立式加工中心，只需要前面重复第⑴步，后面直接安装到用旋转轴进行一次即可加工完成。

   电极加工，首先要保证多次装夹的精度控制，如果设备精度不够就没有办法采用该方法。第二进行编程加工时要设计好加工顺序，并做好防错措施，比如刻字标识等，第三编程加工时要考虑电极的受力情况，避免集中受力或者加工大负载的情况造成电极变形。

   3.放电加工

   一个电极加工两个工件（即一组：两个半圆部件为一组，组装起来就是一个产品），保证两个零件安装合模时轮廓完全重合，减少断差。⑴.工件摆放时，一组两个部件相对摆放（需要放电加工的半圆部位相对摆放），避免重新旋装180度安装电极再加工下一个工件，减少重复安装的误差累计和加工效率。⑵.把工件校正校准后，进行工件坐标设定，⑶.根据电极基准面安装电极，校正电极，⑷.测量设定电极参数，根据电极圆形方向的收缩数据作为火花机加工参数进行圆形频动放电加工。

   注意事项：1.电极的基准方向不能弄错，2.多电极放电加工时电极顺序不能搞错。

   结论

   经过投影仪测量，加工中心、火花机加工出来的凹凸花纹尺寸精度达到±0.01mm，表面粗糙度可以达到Ra0.3，加工速度比激光加工和3D打印有优势，成本分别只有激光加工的15%和3D打印的10%，该工艺在生产中，避免连续生产中断发外协的时间不可控，还有成本低、质量可靠稳定和效率高的优点。

作者简介：李程 数控铣工技师、数控车工技师，从事数控加工23年

         童金芳 模具钳工技师 从事模具行业20余年

参考文献：SOLIDWORKS、CAM-TOOL软件教程

          三菱火花机厂家资料