模具加工的数据处理及CNC编程

关键词：CAD数据处理；模具加工工艺；翻砂泡沫的制作

这次TTA培训的地点在Wolfsburg，时间2003.10.18~2003.11.16，培训的主要内容是模具加工的数据处理和CNC编程技术。现把这次培训总结为以下三个方面：一、CAD的数据处理；二、模具加工工艺；三、翻砂泡沫的制作。

一、CAD的数据处理

一般的模具加工分为基础加工和型面加工。模具的加工过程为：基础加工结束后，安装好与型面相关的组件，再进行型面加工。相应的模具加工数据处理也主要分为基础加工数据处理和型面加工数据处理两种。模具的数据处理主要由模具设计部门和模具加工部门共同完成的，具体数据流见下表：

模具设计数据模具设计部门 模具装配数据WOP针对CNC编程的数据处理 模具单件数据模具单件数据泡沫加工数据处理 加工程序BOP模具加工的 数据处理 已处理好的数据模具加工部门数控机床加工泡沫 加工分层泡沫模型制作部门CNC编程室模型工修补装配 加工程序数控机床加工模具翻砂模具翻砂模型

表一 模具加工的数据流

由表一可以看出模具设计数据在传给CNC编程室之前已进行了两次处理。模具设计结束时，CAD数据一般为模具的装配数据。这样的数据还不能用于加工编程，所以设计数据在交给加工部门之前需设计部门进行处理。这一工作主要是WOP来完成的，具体内容有三项： 1．把模具设计的装配数据拆为单件数据；

2．对单件完成相当于图纸的标注工作，用特定的颜色表示特定的加工元素及加工精度，具体颜色的定义如表二； 3．提取与型面相关的加工元素

WOP处理好的数据已相当于画好的图纸，任何加工人员根据颜色的定义都能明白零件哪些部位需要加工，加工精度是多少。 在委托加工部门加工模具时已经不需再出二维图纸，只需如附录一的数据说明。

Farbnummer in CATIA（颜色号） 01 (weiss) Bezeichnung（说明） Teilabhaengige Geometrien (z.B. Einweiser nach ermittelter Platine) bzw.Bohrungen, die erst im ZSB eingebracht werden (z.B. Verstiftung vonMessern)(各种基准) Feingewinde（细牙螺纹） Feinbearbeitung RZDIN = 6.3μm（一般加工） Schlichten RZDIN = 2μm（精加工） Schruppen RZDIN =100μm(粗加工) Karosserieteilabhaengige Umrisse und Formflaechen轮廓和型面 Passbohrung H 11（通孔） Passbohrung H 8 （通孔） Passbohrung H 7 （通孔） Gewinde（螺纹） Stufenbohrung（锪孔） Freibohrung (自由孔) Anlageflaechen zwischen Messern (Tol. -0,05 bis -0,02) nur VW(刀口拼接面) Flaechen mit Toleranzmass+0,1(in RZDIN = 2m) nur AUDI NSU Führungsflaechen (Tol. + 0,1) nur VW （导板面） 表二 数据处理的颜色定义

06 (orange) 21 (elfenbein) 11 (rosa) 30 (dunkelrot) 9 (lindgruen) 63 (blaugrau) 64 (lila dunkel) 65 (blau) 80 (gelb) 95 (magenta) 105 (cyan) 07 (rosa) 08 (indian rot) 10 (khaki) 由WOP交给加工部门的模具数据，直接用于加工还是有很多问题的。编程员在编程同时，还要花更多的精力整理数据。所以模具加工部门对模具加工的数据仍需进一步处理，主要完成模具加工工艺的编排，并根据工艺需要提取、整理加工元素，划分加工区域，构造加工辅助面等。加工部门在完成加工数据的处理后同样会出一份如附录二的工艺单。CNC编程室在拿到加工部门处理好的数据后就能直接进行编程加工了，大大节省了机床因编程员处理数据而待工的时间。

模具数据在各部门的流动过程中起着数据说明作用的是过滤器（layer filter）和层（layer）的管理。正是有了layer filter和layer的规范管理，数据处理人员或编程人员才能一目了然的读懂模具数据，避免或减少整理数据时因大家的交流

偏差而产生的错误。

模具设计部WOP的filter和layer的管理主要是对设计数据和加工元素的说明，具体Filter规范如表三,相应layer规范如表四

Layer filter name A002 SEGEL +NC-AXIS SOHLE UNTEN BAS1=X- A003 BASISLOCHLAGE B006 UMRISS NACH ANGABE B004 OBERFALECHE TEILFORM+STOERFLAECHEN C005 MATERIAL BECTOR S= MM D007 FRAESBEGRENZUN E008 SOLID OBERFL+UMRISS NUR ZUR ANSICHT W000 ---------------------------------------------------------- W001 WEISS TEILABHAENGIGE BOHR,+UMR,+FORM …… 表三 设计数据layer filter 的规范

过滤器名 加工坐标系 加工定位点 型面轮廓线 模具型面 料厚方向线 加工范围 加工参考实体 以下为各颜色定义说明 …… Layer 001 002 003 004 005 006 007 …… 层内容 各颜色定义说明及数据有关信息说明 加工坐标系 加工定位点 模具型面 料厚方向线 型面轮廓线 加工范围 …… 表四 设计数据layer的规范

而加工部门的数据说明更偏重于加工工艺的说明，规范如下表。

Layer filter name(layer name) ***A-L006 ZUERST FREIFRAESE (WALZEN) 90-GRAD ANSTELLEN TOL+/-0.05 ***B-DANACH ANBAUTEILE EINBAUEN ***C-L005 UMRISS UML,-0.5 KLEINER FRAESEN TOL +/-0.05 ***D-L004 OBERFLAECHE FRAESE WANDSTAERKE –0.65 ***Z ---------------------------------------------------------------------------------------- *L002 -ACHSE+BASISLOCHLAGE *L005-UMRISSKURVE TEILAUFLAGE …… 表五 加工数据layer filter（layer）的大概规范

过滤器名(层名) 铣各平面 然后安装镶块 轮廓间隙-0.5 型面放料厚-0.65 以下为加工数据说明 加工坐标系及定位点 型面轮廓 …… 加工编程人员在拿到模具加工数据后，只需查看layer filter和 layer的内容就能了解模具零件哪些部位需加工，加工的工艺是什么以及需要达到的加工精度是多少等加工信息。这时的加工数据信息已不仅包含相当于图纸的信息，还同时具有工件加工工艺单的内容。

而加工编程人员数据处理时，在layer filter资源方面的利用是在前两个部门数据处理的基础上，参照前面数据处理部门的规范，详细说明加工程序所在的层的内容和每道加工的步骤及加工参数，大概规范见表六；在layer资源方面，编程员编制的程序一般放在100层～200层内，层名包含加工所用的刀具、余量、步距甚至工序的信息，200层以后为打孔程序，同样包括各加工参数信息，具体规范参照表六。

---------------------------UMRISS------------------------------------- *L101--SF80R0 REST +3MM …… ---------------------------OBERFLAECHE-------------------------- *L150--KF20 REST +0.5MM ZUSTELLUNG 1MM SCHRUPPEN …… ---------------------------HSC------------------------------------------- *L180--KF16 REST +0.15MM ZUSTELLUNG 0.5MM VORSCHLICHTEN …… ---------------------------BOHRUNG---------------------------------- *L201—SP20 M20x30 轮廓加工 101层 80平底刀 余量 ＋3mm …… 型面加工 150层 20球头刀 余量 ＋0.5mm 步距 1mm 粗加工 …… 型面高速铣光刀 180层 16球头刀 余量＋0.15mm 步距0.5mm 半精加工 …… 打孔 201层 直径20钻头 M20x30螺孔 表六 加工程序layer filter（layer）的规范

编程员编程结束时的CAD数据，已经包含从设计到模具加工完毕几乎所有的信息。这样的CAD数据加以备份，对以后模具制造各个环节上的人都有参考作用。工艺人员再次编排相似零件的加工工艺时，可以参考以前的工艺，一方面可以避免重复劳动，另一方面也可根据前一次模具实际加工的反馈情况，改正前一次工艺不合理的地方，起到优化工艺的作用。而编程人员编程也可以参照前一副模具的编程工艺，看看以前相同的问题是怎样处理的，同时也可以根据前一副模具加工的实际效果，调整相应加工参数，甚至可以避免前一次加工中出现的问题，从而在整体上提高模具的加工质量。所以模具加工结束时数据的备份有很大的价值。

二模具加工工艺

模具的加工工艺笼统的说，一般分为三步：

1．AFO-------- 0601---------Grundbearbeitung 基础加工 2．AFO-------- 0602---------Umriss + Form 轮廓和型面加工 3．AFO-------- 0603---------HSC － schlichten 高速铣精加工

基础加工一般指与型面无关的加工，具体包括如模座底面、导板面、镶块安装面、靠山面、各种孔等的加工，一般都是由机床操作工自己编程加工。模座在进行基础加工的同时，其它镶块也在小机床上完成各安装面的加工，然后由钳工安装镶块等与型面有关的组件，为模具加工的第二步0602做好准备。

型面和轮廓的加工VW有两种机床：一种是大仿形铣床或龙门铣床。这与我们车间相似，都是用φ50球头铣刀做粗加工，φ32或φ25球头铣刀半精加工，然后用φ16球头铣刀修R角；另一种是HSG高速铣粗加工机床（据说也可以用作精加工），主要用φ66R8平底刀做粗加工，切深ap=1mm，步距St＝30～40mm，然后用φ32R8平底刀修R角，用Tebis中Rplan功能及前一步加工算出的mesh做毛坯，切深ap=1mm,步距St＝10～20mm，最后用φ16球头铣刀修R角。0602的型面加工一般留0.5mm余量给高速铣加工，轮廓一般做到0位。对于要进行热处理的切边刀等，轮廓光刀做到0.3mm，热处理后再加工到0位。关键轮廓需检验加工质量，检验的主要工具是百分表，用其它辅助工具标定百分表的零点，具体操作及用具见附录三

0603高速铣精加工主要是模具型面的加工，一般工序为先做型面半精加工,余量＋0.15mm，然后再做型面精加工。编程的一般遵循先修R角再加工大型面的原则，并且修R角较加工大型面留的余量稍小，以改善加工整个型面时切削的不均匀。具体加工参数的选用以前盖卸料板为例，见表七：

程序名 Kf16re 步距(mm) 0.6 0.5 0.6 0.15 0.15 余量(mm) 0.15 0.1 0.15 0.1 0.1 备注 型面修R角，前一把刀选φ32 型面修R角，前一把刀选φ16或φ20 型面半精加工 型面修R角，前一把刀选φ20 型面修R角，前一把刀选φ10 型面半精加工Kf12re Kf20 Kf8 Kf6 Kf4 Ok20 0.1 0.3 0.15 0.1 0.08 0.05 0.1 0 0.02 0.02 0.02 0.02 型面修R角，前一把刀选φ8 型面精加工 S10000 V6000 型面修R角，前一把刀选φ22 型面修R角，前一把刀选φ12 型面修R角，前一把刀选φ7 型面修R角，前一把刀选φ5 型面精加工Ok10re Ok6re Ok4re Ok2re 并且最后修R角时留有0.02mm的余量，目的是减小修R角时型面的接刀痕。高速铣精加工的目的不再是去除余量，而是追求高精度的表面质量，所以一般加工基本忽略的接刀已经成为影响HSC型面加工质量的较大问题，一般在改变加工方式、换刀片、修R角时经常出现。在实际加工编程时主要采用以下几种方法减小接刀痕：

1、加工区域的划分 一般大的型面需要采用几种编程方法才能完成整个型面的加工，所以要把型面根据明显特征划分为几个加工区域，不同的区域采用各自最佳的走刀方法。划分加工区域的原则一般是把边界划在圆角处，如下图。

图一 型面分割区域

圆角处一般由相邻两区域的程序加工两次，从而减小接刀痕迹。

2、对于较陡型面一般需采用Z－constant 和axis parallel两种加工方法，需采用slope angle来划分两种加工方法的加工区域，一般slope angle需保证2度重叠，从而能证加工程序在接刀处能够重叠，减少接刀痕迹。

3、修R角时，选前一把已加工刀具稍大一点，保持修R角程序与大型面加工程序有一定重叠。另外修R角时，同样的加工参数，刀具的切入量明显比大型面加工时切入量大，所以最后修R角一般留0.02mm的余量来加以补偿。

4、换刀片时处理接刀的方法 一般在较平缓的型面处换刀片，换好刀片后，

表七 HSC精加工参数

由表可以看出，修R角时选前一把刀具一般比实际加工用的刀具要稍大，

程序提前10000句或提前至与换刀片处间距20～30mm的地方，Z向抬高0.3mm走空刀，在10000句或间距20～30mm的范围内把Z向逐步减回至原来高度，从而达到减小接刀的目的。

高速铣型面加工总的编程思路是根据型面的明显特征划分加工区域，从而能采用适合各型面特征的加工方法，编程过程中需注意保证程序在接刀处保持重叠，减小接刀。另外精加工时Tebis中HSC－parameter选项应由standard改为synchron，程序的逼近误差由0.1改为0.05。

三、翻砂泡沫的制作

表一中模具翻砂模型基本由专用数控机床加工，然后由模型工修补装配而成。加工模型的数据处理是由设计部门的WOP和模型加工编程室完成，数据处理的规范与模具加工的数据规范大致相同。

数据处理时，模型的缩水率：模座1％，刀口材料2％。各加工表面的泡沫余量如下表

加工需放余量表面 Karosserieteilfläche und Karosserieteilumriß (Die Aufmaße müssen nicht als SOLID ausgeführt werden)（车身零件型面和型面轮廓） Normales Aufmaß (标准余量) (Spiegel Distanzen, Spannschlitz … ) Lauffläche Sohle Schieber（滑块导向面） Messersohle（刀底面） Formbacke（镶块固定面） Sohle, Anlagefläche, Stoßfläche(底面、拼接面、靠山面) Werkzeug Sohle（模具底面） bis 2000 mm ab 2000 mm ab 3500 mm 表八 加工表面放余量规范

Aufmaß（余量） + 20 mm + 10 mm + 20 mm + 5 mm + 5 mm + 10 mm + 15 mm + 20 mm 以上是我这次培训的总结。这次培训总的感觉是我们的模具制造水平比德国大众至少落后了10年，泡沫制作落后大概有20～30年。他们的优势主要是有大批先进的加工设备及高素质的模具制造队伍。而我们可称得上优势的是众多的钳工队伍。其它的设计、加工等的不足，都是通过钳工手工加工加以弥补的。钳工如果没有守住模具制造的最后一道“关”，我们制造的模具就可能是次品。我们要制造高质量的模具，要实现模具制造从“手工作坊”到“工业化”的飞跃，还需要大大提高我们模具制造队伍的整体素质，需要积累和学习更多好的模具制造经验，需要制作系统的模具制造规范，需要更多的人来做“奠基”工作。同志们，努力吧。

王本日

附录一 设计部门WOP的数据说明

附录二 加工部门的数据说明

附录三 型面轮廓的测量装置

使用方法：

1、把定位锥销A安装在机床头上。

2、通过定位锥销A确定定位标定块B的坐标。 3、机床头上的定位锥销A换为百分表C。 4、通过定位标定块B标定百分表C零点。

5、用标定好的百分表走编好的加工程序，从而测出轮廓的加工误差

附件四 五轴精加工定位调整装置

使用方法：

1、粗定位工件C。

2、测量工件C上的定位销，得知工件C的定位偏差及调整位置。 3、把百分表移到需调整位置处

4、把调整块放在工件C需调整位置处的T行槽内如上图。

5、一边扭动调整螺栓A一边观察百分表指针的摆动，从而把工件C调整到规定的误差范围内。