大型双曲率蒙皮拉伸模高效数控加工技术

.模具制造技术.
大型双曲率蒙皮拉伸模高效数控加工技术
锁聪
沈阳飞机工业（集团）有限公司（辽宁沈阳110034)
【摘要】为了提高大型双曲率蒙皮拉伸模的加工效率，设计了 一种优质高效的数控加工工 艺3借助三维CAM 软件，编制数控加工程序，合理排布粗加工、半精加工、精加工的刀具轨 迹，生成数控机床专用NC 代码。

利用几何仿真软件，对NC 代码进行仿真检查，避免撞刀、 过切等意外情况的发生。

最后，对拉伸模进行实际的切削加工，模具工作型面质量良好， 加工精度符合设计图样要求，表明了此加工工艺的可行性，为大型双曲率蒙皮拉伸模的高 效数控加工提供了一种工艺方案。

关键词：拉伸模;双曲率；高效加工;数控加工;仿真检查 中图分类号:TG 659
文献标识码：B
DOI ： 10.12147/j .cnki . 1671 -3508.2020.06.019
Efficient CNC Machining Technology for Large Double-Curvature Skin Drawing Die
[A bstract 】 In order to improve the processing efficiency of large double-curvature skin drawing
dies , a high-quality and efficient CNC machining process was designed.With the help of 3D CAM software , compile CNC machining programs , reasonably arrange tool paths for roughing , semi-finishing and finishing,and generate NC codes dedicated to CNC machine tools.The geometric simulation software is used to simulate the NC codes to avoid unexpected situations such as collisions and overcuts . Finally , the die is cut , and the quality of the working surface of the die is good , and the machining accuracy meets the requirements of the design drawing , which indicates the possibility of this processing technology and provides a process solution for the efficient numerical control processing of large double-curvature skin drawing dies .
Key words ： drawing die ; double curvature ; efficient machining ; CNC machining ; simulation check
l 引言
蒙皮是构成飞机理论外形的外层零件，随着各类 飞机的不断更新换代，蒙皮零件的设计也朝着一体 化、大型化的趋势发展，大型民用飞机的蒙皮外廓尺 寸已可达到10米以上。

在飞机研制阶段，飞机设计一 般处于反复迭代、不断优化的过程，而随着计算机信 息技术的飞速发展和三维数字化产品定义在飞机设 计中的广泛应用，对新型飞机蒙皮零件的研制也提出 了更高的要求。

飞机蒙皮类零件外廓尺寸各异，外形曲率复杂，单件产品单机需求量低，整体呈现出多品种、小批量的生 产趋势。

从蒙皮制造的角度来说，最优质的成形方法 就是拉伸成形，几乎所有的铝合金蒙皮都可以通过这 种工艺制造。

拉伸成形以蒙皮理论数模为基础，设计 制造专用拉伸模，以有限元仿真优化后的拉形轨迹代 码为依据进行蒙皮拉伸，以数控加工的拉伸模为依据 进行蒙皮检验。

从上述可知，蒙皮零件生产的最关键 因素就是拉伸模，由于成形工艺的特殊性，每项蒙皮零 件均需要一套实体模具,其制造所耗工时约占零件整 体研制周期的60%〜80%。

因此，为了满足现代飞机
《模具制造》2020年第6期
• 69
•
•模具制造技术.
高精度、低成本、短周期的研制需求，需要研究一种优 质高效的加工技术，实现大型蒙皮拉伸模的高效加工。

2模具分析
为了保证蒙皮零件的成形精度，拉伸模需具备足
够的冲击韧性，模具材料选取合金结构钢，材料牌号为 25CrNiMo 。

拉伸模依据蒙皮零件三维数据集设计，整 体结构形式为凸模，外观类似马鞍形，整体外廓尺寸较 大，达到了 4,600x 1，950x 500mm 。

针对最重要的模具 工作型面，则依据蒙皮外表面设计，与飞机理论气动外 形保持一致，为复杂双曲面。

考虑到模具形状复杂，体 积庞大，在对比了多种毛坯制备方式之后，决定采用铸 造的方式制备模具毛坯。

由于模具尺寸较大，整体铸 造十分困难，故将模具从中间部位一分为二，采取分段 铸造的形式形成模具毛坯，之后采用焊接的方式进行 连接，待焊接牢固后，再进行工作型面的整体加工。

为 了保证蒙皮零件在拉伸过程中的制造精度，加工后的 型面不允许有气孔、夹杂、裂纹等铸造缺陷，加工公差 为-0.2 ~ +0.1mm ，表面粗植度值不大于7?a l .6|xm 。

3加工方案 3.1粗加工
在粗加工阶段，主要追求单位时间内的金属材料 去除率，即以最快的速度、最短的时间去除毛坯表面 的多余材料，为半精加工做好准备，基本形成半精加 工所需要的几何轮廓。

一
般来讲，粗加工对于表面质
量和轮廓精度并没有太高要求，重要的是保证机床在 工作过程中保持平稳的切削状态，避免切削方向和载 荷发生急剧变化。

铸造毛坯的工作型面理论余量为25mm ，但由于铸 件整体尺寸较大，工艺流程复杂，铸造之后又进行了焊 接、热处理等多道工序，铸件毛坯发生了一定程度的变 形，铸造实物与理论数模有较大偏差。

对铸造毛坯进 行实际测量，发现毛坯余量严重不均，若想加工出全部 工作型面，大约需去除余量40mm ，远超预期，如何提升 粗加工效率也就成为了提升整体加工效率的关键。

一般来讲，复杂双曲面的加工选用球头铣刀进行 行切加工,但由于此模具材料硬度较高，尺寸较大，余 量不均，若仍采用这种方式，将极大地耗费加工时 间。

为了缩短粗加工周期，提升加工效率，拟选用五 坐标数控加工中心进行加工，摒弃以往的粗加工方式，选用立铣刀进行5轴联动的切削方式，尽量减少粗 加工时间。

在粗加工过程中，刀具轴线角度时时变 化，始终与模具型面接触点的法向保持一致，刀具轨 迹示意图如图1所示。

这种随形加工的方式极大地提 高了加工效率，减少了空走刀时间，此外还降低了对 刀具的长度要求，提高了切削系统的整体刚性。

考虑到模具余量较大，并结合粗加工阶段的切削 特点，故选取直径较大的刀具进行粗加工。

选取 (/>63mm 快进给铣刀刀体，配以可转位快进给铣刀刀 片，进行粗加工，每个刀片可转位3次。

依据“浅切快 跑”的原则，切削深度每层0.5mm ,尽可能地提升切削 速度，以进给速度的加快弥补切削深度的不足。

而在 切削宽度方面，则要充分发挥大直径刀具的优势，在刀 具可承受范围内尽量加大切削宽度，一般选取刀具直径 的70%〜80%,本次粗加工选取的切削宽度为45 mm 。

3.2
半精加工
在半精加工阶段，主要目的是使模具加工表面的 形状平整，同时去除局部区域粗加工后的较大残留， 保证工作型面余量均匀，为后续精加工的高速铣削做 好准备。

半精加工应沿着粗加工后的轮廓形状进行 加工，以使切削过程稳定，减少切削力波动对刀具的 不良影响。

此外，在半精加工过程中，应避免频繁的 进、退刀，尽量保证切削过程的连续性。

模具的半精加工选用球头铣刀，采用固定摆角的 方式进行行切加工。

综合考虑加工效率和表面精度的 问题,合理选择半精加工切削用量，轴向去除量一般为 0.3~0.5mm ，径向行切步距一般为l ~2mm 。

但由于模具 整体尺寸较大，材料本身硬度较高，粗加工后局部余量 大，若采用这种切削方式，无法高效的完成半精加工。

基于上述情况，决定在半精加工中不采用传统的 方式，仍然采用5轴联动的加工方式。

在走刀形式上与 粗加工一致，而刀具直径及切削宽度略有减小。

选取
• 70 •
《模具制造》2020年第6
期
.模具制造技术.
(H 〇mm 快进给铣刀刀体，配以快进给铣刀刀片进行半 精加工，切削宽度设置为10mm 。

这种切削方式，既可 以节省大量加工时间，又可以满足半精加工的表面精 度要求。

通过估算，这种半精加工方式相对于传统方式 效率提升了 10倍，极大地缩短了模具的整体制造周期。

3.3精加工
精加工在整个模具加工过程中尤为重要，既要考 虑模具的加工精度和表面粗糙度，又要考虑加工效 率，缩短加工周期。

一■般来讲，在精加工过程中，均米 用较高的切削速度，在高速切削过程中，受机床加速 度的限制，急停或者急动都会影响表面精度。

在精加工过程中，刀具轨迹的设置、刀具切入和 切出的方式等都要遵循高速切削加工的基本原则，尽 量减少刀具的急速换向,选择单一路径切削模式进行 加工，切削过程和刀具路径保持连续，尽量减少刀具 的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。

在本次精加T .过程中，选用(|)32/?16mni球头铣刀 进行，采用固定角度行切的方式，沿模具长度方向往 复运动，完成加工。

在半精加工之后，模具工作型面 表面留有余量〇.3mm ,综合考虑加工效率及表面质 量，选择精加工行切步距〇.3mm ，加工完成后理论的 表面残余高度应小于0.01mm ,经过简单抛光处理后 即可达到使用要求。

4
仿真检查
大型模具铸造成本高昂，且在精加工过程中速度 较高，若发生撞刀、过切等意外情况，将对机床、产品和 刀具产生灾难性的后果。

因此，有必要针对编制好的 数控加工程序进行仿真检查，避免意外情况的发生。

VERICUT 是一种数控加工专用仿真软件,采用先 进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程进行 真实模拟，比传统意义上的刀路轨迹仿真更接近于实 际加工情况。

它可以取代传统的切削试验，真实模拟 加工过程中零件、夹具、工作台、机床及刀具切削的实 际情况，不仅可以对机床运动状态进行仿真，还能够对 数控加工程序进行验证、优化，帮助编程人员修正编程 错误,该软件已经成为提高数控加工质量的高效工具。

VERICUT 系统环境下实现数控加工过程的仿真， 通过以下3个步骤实现:①建立机床的几何模型和运 动学模型;②建立仿真过程所需相关信息，包括零件 模型、毛坯模型、刀具几何模型、数控加工程序等;③配置仿真过程相应参数，进行数控加工过程的仿真及 仿真后处理分析。

按照上述步骤对模具加工过程进行仿真，对数控 加工程序进行切伤及残余检验，通过软件参数的设 定，切伤及残余可以用不同颜色显示出来。

VERICUT
仿真可以使用前置程序，也可以使用后置程序，在本 次仿真时使用后置程序，保证仿真程序与最终加工程 序一致，避免中间环节错误导致意外情况发生。

依据 仿真结果,不断修改完善数控加工程序，直至没有切 伤及残余发生，VERICUT 仿真结果如图2所示。

图2 VERICUT 加T .仿真
5结论
设计了一种优质高效的大型铸钢模具数控加工
工艺，采用5轴联动的方式进行粗加工，提升加工效 率，采用合适的切削用量进行精加工，保证模具工作 型面质量。

通过VERICUT 软件对数控加工程序进行 仿真，避免加工过程中意外情况的发生。

最后，使用 大型五坐标数控加工中心对模具进行了实际加工，加 工效率相比于传统方式提升了 30%左右，模具工作型 面质量良好，完全符合使用要求。

切削结果表明，该 工艺方案可以完成大型蒙皮拉伸模的数控加工，加工 效果良好，具有相似结构的模具均可以使用此种数控 加工工艺完成加工。

参考文献
丨I ]冯之敬.机械制造工程原理[M ].北京:清华大学出版社.2008. [2]赵玉刚,宋现春.数控技术北京:机械T .业出版社,2004_ 【3]詹熙达• CATIA V 5R 20数控加下教程[M ].北京:机械T .业
出版社,2013.
[4]杨胜群.V E R IC U T 数控加工仿真技术|Mj .北京:清华大学
出版社,2013.
作者简介：锁聪，男，丨988年6月生，从事工作：数 控加工。

(收稿日期：2020-03-28)
《模具制造》2020年第6期
.71
•。