高跟鞋底塑料模具设计与前模型腔的数控加工

　　现代化的模具生产中，随着塑件结构越来越复杂。相应的模具结构也设计得越来越复杂。一套复杂模具的设计和加工，往往需要集结多种现代化的设计加工方法。在现代的模具设计生产中，通常运 用Pro/ENGINEER、NX和MasterCAM等先进的CAD/CAM软件先进行产品的3D图形设计，然后根据产品的特点设计模具结构，确定模具型腔、分模面，生成模具型腔实体图、工程图，最后根据模具型腔的特点，拟定数控加工工艺，输入加工参数，生成刀具路径，生成加工程序并输送到数控机床的控制系统进行自动化加工。模具制造的主要工作流程如下。

　　(1)建立或获取客户的产品数据模型;

　　(2)在产品模型的基础上进行面向制造的设计;

　　(3)根据设计的结果，选配合适的模架，设计必要的电极，生成生产所需的数据模型和图样;

　　(4)数控编程部门根据模具的设计模型，进行工艺分析，选择合适的加工方式;

　　(5)编制型芯、型腔和电极及镶块加工的程序;

　　(6)数控加工后，同步进行型腔、型芯的电加工;

　　(7)进行必要的研配、抛光和安装等工作，即可进行试模。

　　一、产品分析及模具结构

　　如图1所示为一对高跟鞋底，材料为PVC，收缩率为25‰。鞋底的形状较为复杂，全部由曲面构成，曲面之间的圆角半径小，过渡圆滑。

　　首先用Pro/ENGINEER软件绘制了零件的3D图形，从注塑、加工及经济角度综合考虑，一模设计出一对鞋底，采用标准模架，精度要求较高，材料选用模具钢。模具排位设计2D工程图如图2所示，图中标注了后模铜公的中心到模具中心的尺寸。

　　高跟鞋底的形状很复杂，表面粗糙度要求也很高，前、后模的分模线不能明显。但鞋底的尺寸精度要求并不高，且鞋跟的部位看似复杂，但实际上也和Z方向平行，不影响脱模。故模具中也没有复杂的抽芯机构及镶件，模具结构简单。模具的分型面是复杂曲面，模具设计时，如何绘制分型线和分型面是此套模具的难点。必须明确属于前、后模部分的曲面。为保证脱模时，塑胶留后模，将鞋跟部位设计在后模，为便于鞋跟部位的电火花加工，须将此部位设计成通孔，鞋跟的底部的三个小圆柱采用镶件。

　　二、前模图形处理

　　此塑件我们用MasterCAM进行分模。依次点击File/Converters/IIGS/Read file选项，读入鞋底的3D图形文件，将图形乘以塑胶材料的缩水率25‰，在前视图将零件旋转180°，将分属前、 后模的曲面配置不同的颜色，前后模分模图如图3所示。

　　由于鞋底的分模线为复杂的3D曲线，首先要确定分型线，将3D分模线向YOZ坐标平面投影，得到图4中的分型线，将分型线向两边延伸绘制模具的分型面。将属于前、后模部分的曲面分别复制到前、后模部分，并用鞋底的外形曲线去裁剪模具分型面，得到图4 的分型面。

　　根据前模数控加工工艺的要求，绘制了前模相应的切削曲线及加工边界。如图5所示为设计好的前模加工3D图。

　　绘图进行了分层管理，分为七层，第1层标注了前模的尺寸，第2层partsurface绘制了鞋底模具的分型面，第3层surfaceforcut绘制了前模加工曲面，第4层curve绘制了前模的绘图曲线，第10层curveforcut绘制了2D编制刀路时要使用的曲线及加工边界，为了保 护已加工好的前模型腔，避免后续工序误伤到已加工面，将鞋底曲面沿Z 方向升高0.3mm，即第13层checksurface的前模检查面，第15层surfacet绘制了前模的3D曲面。层管理图如图6所示。前模加工2D曲线及边界图如图5中。图形坐标原点放在前模XY 方向的中心处，分型面顶部前面的一部分平面的Z方向尺寸为0.0mm。

　　三、前模加工工艺分析

　　此模具前模成型鞋底的上表面，光洁度要求较高，结构不算复杂，加工时有以下的难点。

　　(1)前模零件体积较大，重量大，加工余量大，加工时间长，工件和刀具发热大，刀具损耗多。

　　(2)前模曲面为凹面，曲面复杂，曲面间圆角过渡圆滑，倒角半径较小，难于清角加工，要采取合适的数控工艺。

　　(3)因零件体积大，而鞋底模具价格不高，若设计铜电极进行清角，成本很可观，应尽量避免设计铜电极。

　　(4)鞋模的尺寸要求不高，加工的重点是分型面，前模型腔曲面为凸面，分型面和前模曲面成直角相交，但为降低成本，前模没有设计铜公进行清角加工。数控加工时要尽量采用小刀清角，清角加 工时，为保证前模图中的型腔曲面和分型面四周相交处的加工质量，须规划设计不同的加工范围，编程时同时变化加工角度。

　　(5)鞋底的分型面为复杂曲面，如图5中所示，A和B处的凹圆弧半径较小，须设计专门刀路进行清角加工。

　　(6)为了保护已加工好的前模型腔，避免后续工序误伤到已加工面，将鞋底曲面沿Z方向升高0.3mm。

　　(7)因前模顶面是曲面，数控加工时可加工出和后模相对应的半个流道，为后续加工提供方便。

　　(8)数控加工时要尽量采用小刀清角，确实加工不到的部分可在数控加工完毕后采用手工打磨清角。

　　在通用设备加工出340×290×110 的标准毛坯，要求保证上下面的平行度及四周面之间的相互垂直度。选择相互垂直的三个面作为加工和定位的基准面，为便于辨认基准，要打上字码。在零件的底面钻四个孔并攻牙M12，用螺钉固定在布满孔阵的装夹固定板上，再将装夹固定板用压板固定在数控机床的工作台上进行加工。

　　四、前模型腔加工刀路

　　(1)由于采用的是标准模架，前模毛坯的外形已经在通用机床上加工好，这里只需要加工前模的型腔和分型面。首先选取Φ25R5镶合金刀粒圆鼻刀，进给率1000mm/min，下刀速率500mm/min，抬刀速率2000mm/min，主轴转速S=2000转/min。用3D曲面挖槽刀路对前模型腔曲面粗加工。Z方向每刀下刀步距0.5mm，加工余量0.35mm。由于使用的VMC850的机床，所以采用了Φ25的刀具，若机床的规格大，采用大直径的刀具更为合适。此处为保证刀具的强度，这个刀路刀具的装夹长度为60.0mm。

　　(2)继续选取Φ25R5镶合金刀粒圆鼻刀，将最大深度和最小深度都设置成0.0mm，用3D曲面挖槽刀路精加工分型面前后两个平面。加工余量0.0mm。

　　(3)如图5中所示，分型面A处圆角较小，并且和前模曲面之间的距离很小，第一步工序的粗加工所使用的刀具直径大，留下了较大的加工余量。这里选取Φ10合金球头刀，用直纹铣削刀路对分型面的A部位的粗加工。

　　(4)继续使用选取Φ10的合金球头刀，用曲面精加工平行铣削刀路半精加工前模曲面。加工余量为0.14mm，加工角度45°。

　　(5)为保证鞋底前模型腔曲面和分型面四周相交处的加工质量，选取Φ8平底合金刀，分别选取图5中的Chain1～chain4，同时变化加工角度。

　　用曲面精加工平行铣削刀路对前模右部鞋底的右后部、左后部、右前部和左前部进行清角加工，加工余量为0.16mm。选取Φ8平底合金刀，用曲面精加工平行铣削刀路对前模左底的左前部清角加 工，加工余量为0.16mm。

　　(6)选取Φ8平底合金刀，分别选取图5中的Chain5～chain8，同时变化加工角度。用曲面精加工平行铣削刀路对前模左部鞋底的右后部、左后部、右前部和左前部进行清角加工，加工余量为0.16mm。

　　(7)使用选取Φ12 的合金球头刀，用曲面精加工平行铣削刀路精加工前模曲面。加工余量为0.0mm，加工角度45°。

　　(8)打开第2、3、4、10和13 层，关闭其他层。分别选取图5中的Chain1～chain4，同时变化加工角度。 选取Φ6平底合金刀，用曲面精加工平行铣削刀路对前模右部鞋底的右后部、左后部、右前部和左前部进行清角加工， 加工余量为0.0mm。

　　(9)选取Φ6平底合金刀，分别选取图5中的Chain5～chain8，同时变化加工角度。用曲面精加工平行铣削刀路对前模左部鞋底的右后部、左后部、右前部和左前部进行清角加工，加工余量为0.0mm。 前模层管理图如图6所示。

　　前模加工模拟效果图如图7所示。

　　五、前模加工注意事项

　　(1)前模成型的是塑件的外表面，表面粗糙度要求高，型芯的材料比较硬，加工时要谨慎，减少差错，不能轻易烧焊。

　　(2)编写刀路之前，须将图形中心移动到系统默认坐标原点，最高点移动到Z 原点，并将长边放在X 轴方向，短边放在Y 轴方向，基准位置的长边向着自己。

　　(3)加工前必须检查工件的装夹方向与计算机中的图形方向是否一致，在模具中的排位是否正确，装夹具是否妨碍加工，前后模的方向是否相配。

　　(4)检查加工所用的刀具是否齐全，装夹长度是否符合要求，校表分中的基准是否正确。

　　(5)前模加工的刀路大致顺序：大直径刀粗加工→小直径刀粗加工和清角→大直径刀精加工→小直径刀清角和精加工。

　　(6)前模材料硬，应尽量用镶合金刀粒的大直径刀具进行加工，不要用太小的刀，小刀容易弹刀。刀具直径大、刚性好、经济耐用。粗加工通常先用刀具(圆鼻刀)，精加工时尽量用圆鼻刀或球头刀，因圆鼻刀足够大，有力，而球刀主要用于曲面加工。

　　(7)前模粗、精加工时，通常要限定刀路范围，一般系统默认参数以刀具中心产生刀具路径，而不是刀具边界范围。所以实际加工区域比所选刀路范围单边大一个刀具半径。合理设置刀路范围，可以 优化刀路，避免加工范围超出实际加工需要。

　　(8)由于前模多为型腔面，结构复杂，较难加工，在制造时一般都有与之配套的铜公，以粗加工和半精加工为主，辅以局部曲面精加工。

　　(9)前模的粗加工一般优先选取镶合金刀粒的大直径圆鼻刀，采用3D曲面挖槽刀路进行加工(留0.35mm的余量)。

　　(10)半精加工一般选取镶合金刀粒的刀具(或合金刀)，采用等高外形刀路进行加工(留0.2mm的余量)。

　　(11)精加工一般选取镶合金刀粒的球头刀(尺寸小时选小直径整体球头刀)，采用平行铣削来进行加工(留0.1mm的余量)。

　　(12)当模具带有分型面和枕位面，要一起加工时，分型面、枕位面加工到位，不留余量。型腔部位留余量0.2mm~0.5mm，以便电火花加工。设计前模时，可以将模具型腔表面朝正向补正0.2mm～0.5mm，编写刀路时，将一般将分型面的加工余量设为0.0mm。

　　(13)前模碰穿位、擦穿位可留余量0.1mm，用于前后模装模时，采用钳工加工。

　　六、结束语

　　使用Pro/ENGINEER、NX和MasterCAM等先进的CADCAM软件，对产品先进行的3D实体图的设计，然后根据塑件，合理设计模具结构，进行前、后模分模设计，绘制模具零部件和型芯的3D实体图，拟定数控加工工艺，编写加工程序，生成刀具路径，输送到数控机床的控制系统进行自动化加工，最后进行模具装配、试模等，这些加工步骤是现代化模具生产的过程和发展趋势，它改变了传统的模具制造手段，有效地缩短了模具制造周期，大大提高了模具的质量、精度和生产效率。