一、前言

　　在現代的模具設計和生產中，通常先應用Pro/ENGINEER、UG、MasterCAM等先進的CAD/CAM軟件進行產品的3D圖形設計，然后根據產品的圖形特點設計模具結構，確定模具型腔、分型面和抽芯結構，生成模具型腔實體圖，最后根據模具型腔實體圖，編制加工程序在CNC加工中心上進行數控加工。這些步驟是現代化模具設計生產的工藝步驟和趨勢，它使得復雜模具的設計和數控加工編程全過程都可以借助CAD/CAM軟件在計算機上完成，它改變了傳統的模具制造方法，有效地縮短了模具制造周期，大大提高了模具的質量、精度和生產效率。

　　傳統的CNC加工中心雖然具有加工功率大、切削效率高和穩定性好等優點，但是主軸的最大轉速一般不超過6000r/min，加工小零件時效率反而不高。高速CNC加工中心價格昂貴，用來加工小件很不經濟。針對這種情況，我們充分利用了東莞理工學校自行設計的CNC電腦雕刻機，將用MasterCAM編制的CAM程序輸送到雕刻機的控制系統來加工模具型芯。由于雕刻機的轉速高達40000r/min，大大提高了加工效率和表面光潔度。

　　二、產品和模具結構分析

　　鉛筆刨各方面精度要求很高，壁厚均勻(2.5mm)，表面要求蝕紋處理。鉛筆刨主要由面蓋、透明罩、底蓋和電池蓋等四部分組成，如圖1所示。電池蓋與面蓋間的裝配是通過三個扣位來完成的，其中兩個扣位與面蓋相配，另一個扣位則與底蓋相配，底蓋再以兩顆鏍釘固定到面蓋上。為了方便清潔鉛筆刨內部的碎屑，透明罩要能夠單獨裝拆，僅通過長條形的凸條凹槽結構，用手壓兩邊來和面蓋進行裝配。因四個部件均采用不同的材料或顏色，所以不能把所有部件設計在一套模具內。

　　圖1 鉛筆刨外殼示意圖

　　圖2所示的是鉛筆刨面蓋的3D圖形，材料為ABS，收縮率為5‰。為了裝配時的方便與美觀，產品設計有四個扣位。

　　圖2 面蓋的3D圖形

　　與電池蓋裝配的兩個底扣位采取抽芯機構，沿產品邊界圓弧的法線方向抽出，如圖3所示的抽芯1和抽芯2。為避免間隙的不均勻，面蓋上與透明罩裝配的接觸面沒有設計脫模斜度。由于強制脫模會破壞表面，所以我們采用了如圖3所示的抽芯3結構。兩邊和透明罩相配合的內扣位，則采取斜頂出機構，如圖3所示。由于內扣位與抽芯3中間有一條無法避免的加強筋(見圖2)，導致內扣位部分不能和抽芯3做成一個整體的抽芯結構，使模具結構變得比較復雜。因產品的表面要求較高，不能有流道和澆口的痕跡，故采用潛伏澆口，進料口設在頂針處。

　　圖3 產品的模具

　　三、面蓋零件的前后模型芯設計

　　這里用Pro/ENGINEER軟件對面蓋零件的3D圖形進行分模處理，并設計了如圖4所示的分型面。考慮到模具的設計加工工藝，設計前模時將抽芯3的分型面設計成為沿著倒圓角的邊直接向圓角的法線方向延伸10mm而產生的平面，然后再沿抽芯抽出方向構建一個5°的斜面。加工此斜面時，須將前模型芯豎起來進行加工。

　　前模上面的鉛筆孔，則直接在前模型芯上預留出來，加工時先用數控機床進行開粗加工，再加工銅電極進行電火花放電加工。

　　后模設計成由后模型芯鑲件和后模模板裝配的結構。先利用線切割將后模型芯鑲件和后模模板分別加工出來，再直接利用數控加工中心加工后模模板上的止口膠位。由于后模型芯鑲件不便于裝夾和定位，為保證加工精度，加工時需將其和后模模板裝配在一起來裝夾。加工時為了不碰傷分型面，將后模型芯鑲件沿Z方向升高10mm來加工出頂部及四周的曲面。這樣既簡化了加工止口用的電火花銅電極，又方便了對止口膠位進行打磨和拋光。后模中的許多很窄很深的筋條、骨位等處無法直接加工出來，需另外加工銅電極，用電腐蝕方法進行加工。

　　圖4 模具的分型面

　　四、面蓋零件后模型芯的數控加工

　　我們根據圖4所設計的面蓋零件后模型芯加工示意圖，擬定了數控加工工藝，主要分成如下幾個步驟。

　　1. 曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)

　　因為模具型腔的材料為較硬的鋼件，所以選用φ25的鑲合金平底飛刀進行加工。留下0.4mm的加工余量，進給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉速S為2000r/min。采用Parallel Spiral平行螺旋線銑削，Z方向最大步距(Max Stepdown)0.3mm，刀具重疊間距14.0mm，在工件的外部下刀，開啟Filter刀具過濾功能，公差(tolerance)取0.025。由于后模型芯四周的面幾乎是垂直的，為提高加工效率和質量，此處挖槽粗加工只加工型芯的上曲面。刀路軌跡如圖5所示。

　　圖5 曲面挖槽粗加工時的刀路軌跡

　　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。仍選用φ25的鑲合金平底飛刀，加工余量不變。Z方向最大步距取0.25mm，為提高加工效率，Direction of open contours選取Zig-zag來回方式。刀路軌跡如圖6所示。

　　圖6 曲面等高外形粗加工時的刀路軌跡

　　前面這兩道粗加工工序，因加工余量較大，為提高加工效率，采用了φ25的大直徑鑲合金平底飛刀，先在加工中心上進行粗加工。

　　3. 鉛筆孔的粗加工

　　用φ6的平底合金刀，選用曲面挖槽粗加工(Surface rough pocket)的刀路方式加工曲面頂部的鉛筆孔。進給率500mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉速S為6000r/min。采用平行螺旋線(Parallel Spiral)銑削，Z方向最大步距0.05mm，進刀要求在鉛筆孔的型腔內螺旋下刀，先留下0.15mm的加工余量。粗加工完成后，選用外形加工Contour刀路，仍用φ6的平底硬質合金刀，采用Multi Pass多層銑削方式，進退刀在型腔內采用圓弧軌跡來保證加工面的光滑。刀路軌跡如圖7所示。

　　此主題相關圖片如下：

　　圖7 粗加工鉛筆孔時的刀路軌跡

　　4.曲面等高外形精加工(Surface Finish contour)

　　粗加工型芯面后，選用φ16的平底合金刀進行曲面的等高外形(Surface Finish contour)精加工。進給率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉速S為6000r/min，切削公差0.01，Z方向最大步距0.5mm。進退刀具采用圓弧軌跡來保證加工面的光滑。由于裝夾時將后模型芯鑲件沿Z方向升高了10mm，故在深度上留有1mm的余量來控制加工，防止傷及分型面。刀路軌跡如圖8所示。

　　圖8

　　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，豎直邊的四周已達到要求，但型芯頂面仍很粗糙。再選用(Spherical End Mill)φ1兩刃合金球頭刀，采用平行式精加工(Surface Finish Parallel)方式進一步精加工。進給率800mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主軸轉速S為12000r/min。切削最大步距0.05mm，加工角度(Machine Angle)45°，采用Zig-Zag往復式切削。刀路軌跡如圖9所示

　　圖9

　　經過后面這三道工序，因工件已經在前面進行了粗加工，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電腦雕刻機上進行加工。采用了很高的主軸轉速、較大的進給率和較小的切削步距，大大提高了加工效率和表面光潔度。除了進行模具型芯鋼件的精加工外，我們還在電腦雕刻機上完成了整套模具的銅電極粗精加工，將加工中心和電腦雕刻機有機地結合起來，有效地降低了生產成本，提高了加工效率。

　　五、結束語

　　為了提高模具的質量、精度和生產效率，在模具生產過程中，越來越廣泛地使用CAD設計和CNC數控加工的制造方式。如何使模具結構更合理，數控加工效率更高，精度更高，一直是模具設計和數控技術研究人員努力研究的方向。CNC雕刻機與其他CNC設備(如CNC加工中心和CNC數控銑)一樣，其加工基礎也是CAD數據。和傳統的CNC數控設備相比，CNC電腦雕刻機有著性價比高、轉速高，加工軟質材料效率高、光潔度好等優點。因此，應用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先進的軟件進行CAD/CAM設計加工，并將最終的CAM程序傳輸給電腦雕刻機執行，也就是將CNC電腦雕刻和數控加工有機地結合起來，對小型模具加工來說將是很好的選擇。