模具制造智能化技術(shù)在東風(fēng)模具的應(yīng)用

東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司技術(shù)部主管 楊 興

東風(fēng)汽車模具公司是國內(nèi)轎車覆蓋件模具制造骨干企業(yè)之一。本公司不僅承擔(dān)了東風(fēng)集團(tuán)公司大部分模具加工任務(wù)，還為眾多國內(nèi)汽車廠家加工模具，成為集汽車產(chǎn)品開發(fā)、模具制造、檢具加工、沖焊產(chǎn)品一體化的企業(yè)。具備強(qiáng)大的汽車模具、檢具設(shè)計制造和沖壓件生產(chǎn)開發(fā)能力。生產(chǎn)車間如圖1所示。

圖1 車間現(xiàn)場

模具產(chǎn)品的特點

模具產(chǎn)品目前采用的主要加工技術(shù)包括復(fù)合加工、多軸加工和數(shù)字化加工，主要特點有：

（1）數(shù)字化技術(shù)。CAE/CAD/CAPP/CAM/PDM/SAP高度集成：通過軟件公司和高校研發(fā)機(jī)構(gòu)，配合公司具體研發(fā)要求，構(gòu)建了完備的數(shù)字化前期的技術(shù)體系和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。形成了全參數(shù)化的模具設(shè)計技術(shù)→CAPP智能化設(shè)計技術(shù)→交互式3D工藝技術(shù)→數(shù)控編程自動化的核心技術(shù)鏈條。

（2）專業(yè)化：①側(cè)重高端汽車零部件（如：PV側(cè)圍、翼子板、車門、發(fā)動機(jī)罩和行李箱等）掌握A級車四門兩蓋技術(shù)。②實行專業(yè)化分工，精細(xì)化制造，逐步完善重點覆蓋件研發(fā)及制造技術(shù)儲備。

（3）復(fù)合化：①沖壓工序、模具結(jié)構(gòu)高度復(fù)合減少工序，降低制造成本，形成競爭力。②吸收日產(chǎn)BP0先進(jìn)技術(shù)。③逐步完善CAE輔助工藝設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計

（4）高端化：①激光拼焊鋼板、高強(qiáng)度和高韌性鋼板、復(fù)合材料、鎂鋁合金板開發(fā)液壓成型及熱沖壓成型等先進(jìn)制造技術(shù)。②成功開發(fā)吉利保險杠熱成型模具；③初步具備高強(qiáng)板焊接技術(shù)。

（5）自動化：①機(jī)器人(機(jī)械手) 、自動傳送機(jī)構(gòu)和裝置、無人值守化加工。②掌握自動換刀技術(shù)。③初步掌握數(shù)控加工自動化加工技術(shù)。

模具數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用情況

1.CBN新刀具技術(shù)的應(yīng)用

CBN刀具是一種新型的數(shù)控加工刀具，在超高壓、高溫下燒結(jié)而成，具有超高的的硬度、耐磨性和熱傳導(dǎo)性，在高溫下保持切削性能穩(wěn)定，與鐵的親和力較低，CBN刀具的線速度可達(dá)500m/min，能夠加工60～70HRC的淬火鋼，使得高速加工耐熱鋼成為可能。

通過CBN刀具的推廣應(yīng)用，在大型模具拉延模型面加工中，一片CBN刀片可以連續(xù)加工22～26h，是硬質(zhì)合金刀片的5～6倍的壽命，切削進(jìn)給速度為8 000mm/min，比硬質(zhì)合金切削進(jìn)給速度6 000mm/min提高數(shù)控加工效率33%，加工過程中不用換刀，可以減少3～4次以上換刀對刀次數(shù)，一次加工完成一個完整的大型面，避免接刀痕跡，提高了模具的表面加工質(zhì)量，減少了鉗工研修量和縮短了數(shù)控加工時間。CBN刀具在大型模具的加工中推廣應(yīng)用，已經(jīng)取得了顯著的成效。

2.分層清根技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

（1）清根存在的問題：通過現(xiàn)場加工調(diào)研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，清根加工時間約占型面加工時1/3左右所占的比例較大。清根加工余量是隨型面根部夾角的變化而變化，根部夾角越小其殘留越大，切削力時大時小頻繁變化，且清根刀具比較細(xì)長剛性不足，在加工過程中出現(xiàn)讓刀、刀具折斷和清根過切現(xiàn)象，使模具的根部加工不到位，造成模具上下模之間R角干涉，導(dǎo)致研修工作量巨大。清根加工進(jìn)給速度較慢，需要操作者手工調(diào)整控制進(jìn)給速度提高效率，工人的神經(jīng)保持高度緊張容易導(dǎo)致疲勞而引發(fā)加工事故，不利于無人值守和數(shù)控加工自動化的實現(xiàn)。

（2）用殘留毛坯進(jìn)行分層清根：改變傳統(tǒng)的清根方式，引進(jìn)殘留毛坯新概念，在PowerMill軟件上開發(fā)分層清根工具，計算出角部的殘留量，再把型面清根余量按要求進(jìn)行分層切削，使切削余量均勻化，保持刀具的切削力恒定。根據(jù)角部殘留余量計算清根的分層次數(shù)和加工刀軌，使用殘留毛坯裁剪掉多余的刀軌，避免數(shù)控加工空程。

分層清根與原有清根程序?qū)Ρ?，分層清根在余量大的地方增加刀路，加工余量均勻，切削力變化相對較小，φ16mm的刀具清根加工進(jìn)給速度可達(dá)4 000～6 000mm/min，切削加工狀態(tài)較平穩(wěn)，驗證了分層加工方法的可行性。

側(cè)圍基準(zhǔn)件凸模加工技術(shù)

轎車外覆蓋件產(chǎn)品不僅對功能尺寸精度有嚴(yán)格的要求，而且對轎車外觀質(zhì)量也有嚴(yán)格的要求。因此在其模具（特別是拉延模）的制造過程中，也有比較高的精度要求和外觀要求。針對不同的產(chǎn)品特點，結(jié)合機(jī)床和刀具的特點編制合理的加工程序，特別是如何數(shù)控加工整體側(cè)圍這種形狀復(fù)雜的模具，對于提升公司的行業(yè)競爭力和品牌價值具有重要意義。

本公司的武漢模具陣地引進(jìn)了5臺三菱數(shù)控機(jī)床，工作臺面達(dá)到5 000mm×2 500mm，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到12 000r/min，在設(shè)備能力上能夠保證這次加工的順利實施。

1. 對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

東風(fēng)裕隆GPK1項目整體側(cè)圍是單動拉延模，型面部分包含五大工作部件：凸模、外壓料圈、內(nèi)壓料芯（兩件）（見圖2）和凹模（見圖3）。

圖2 下模部件

圖3 上模部件

2. 凸模型面加工程序編制

（1）凸模作為模具的基準(zhǔn)件，精度方面要求更高一些，在加工策略的選擇上顯得尤為重要。凸模層切開粗程序在PowerMILL軟件中進(jìn)行，型面留1.2mm余量，半精、精加工和清根程序在UG平臺上進(jìn)行編制。側(cè)圍凸模型面起伏大，高低落差大，考慮到UG軟件在側(cè)壁加工方面存在的缺陷，編程前需要將型面進(jìn)行區(qū)域劃分。經(jīng)過多次嘗試后，確定了大的加工方案，首先把整個凸模分成如圖4所示的8個區(qū)域。

圖4 對凸模劃分區(qū)域

（2）為凸模各區(qū)域選擇最佳的走刀方式：①為了保證主面（即制件在汽車上外露的部分）的加工精度，最好能在不更換刀片的情況下一次加工完成，在加工A區(qū)域主面時采用比較保險的行切方式如圖5所示，刀軌均勻，在側(cè)壁上不會留下明顯的刀痕和缺陷。②其余各區(qū)域走刀方式如圖6所示，B區(qū)域，為了和主面搭接好，采用的是“on part”行切方式，和主面有10mm的重疊區(qū)，便于操作者接刀；C區(qū)域，同主面一樣，采用行切走刀，保證側(cè)壁加工質(zhì)量，此區(qū)域刀軌與B區(qū)域有10mm重疊區(qū)，刀具接觸主面，在凹R處與主面搭接；D區(qū)域，采用發(fā)散方式走刀，便于搭接A區(qū)和C區(qū)；E區(qū)域，采用X方向行切走刀，在凸R上搭接G區(qū)和H區(qū)；F區(qū)域，三角窗位置，根據(jù)此區(qū)域形狀特征，采用由外往里圈銑方式加工；G、H區(qū)域，在選擇加工方式時做了各種嘗試，考慮到武漢陣地機(jī)床的性能與精度有保障，兩區(qū)域也屬于內(nèi)板件的范疇，最終還是參照區(qū)域特征，采用往里收縮的方式進(jìn)行圈切。

圖5 主型面加工方式

圖6 凸模其余各區(qū)域走刀方式

3. 清根加工

武漢模具陣地使用的三菱機(jī)床都是3+2軸，法向清根時只能定角度加工，在刀長不夠的較深地方，必須把這些區(qū)域劃分開來，選擇好各區(qū)域合適的角度進(jìn)行編程，如圖7和圖8所示；同時，為了避免區(qū)域劃分太多而搭接不好，編程時采用的原則是“盡量采用三軸加工”。

在加工過程中，清根主要出現(xiàn)了如下兩個問題：①為了機(jī)床提高加工效率，此次精加工采用φ30mm球刀代替以往用φ20mm球刀精加工的方法，由于半精加工和精加工前只進(jìn)行了φ31刀留0.3mm余量（與半精加工余量一致）的清根，在根部R略大于φ31mm的地方余量比較大，半精和精加工時刀具在此處因為阻力突然增大而產(chǎn)生震蕩，進(jìn)而產(chǎn)生不可消失的波紋（見圖9），甚至可能導(dǎo)致加工過切。②相鄰區(qū)域之間的立軸清根和法向清根搭接不好，容易出現(xiàn)或深或淺的臺階。此問題在加工凸模和凹模上都有發(fā)生。

圖7 凸模法向清根

圖8 凹模法向清根

圖9 加工后零件表面的波紋

今后智能化加工新技術(shù)、新裝備在模具加工制造中的應(yīng)用

1. CAD/CAPP/ CAM/CAE無縫集成數(shù)字化虛擬制造

CAD／CAPP/CAM／CAE過程以產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)為中心，CAE模擬分析、模具設(shè)計、模具NC加工以及模具CMM（三坐標(biāo)）檢測均使用同一數(shù)據(jù)流，用于車間的工藝文檔可直接由CAD生成傳輸?shù)紺APP中使最終模具產(chǎn)品和設(shè)計者的意圖保持高度一致。這就是CAD／CAPP/CAM／CAE一體化技術(shù)。三維模型的同一性保證了CAX鏈的閉環(huán)特性，難于產(chǎn)生設(shè)計、加工錯誤，從而提高模具的開發(fā)效率。

CAX的無縫集成使虛擬制造技術(shù)成為現(xiàn)實。從根本上改變了設(shè)計、試制、修改設(shè)計和規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中，對其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場變化的能力。

2. 借助白光掃描技術(shù)，進(jìn)行鑄件毛坯掃描，建立鑄件數(shù)字化毛坯最終實現(xiàn)自動化加工和自適應(yīng)加工

國內(nèi)鑄件普遍存在鑄造變形大、實物毛坯與理論毛坯不符的問題，造成在后期的加工過程中（結(jié)構(gòu)加工、型面粗加工）存在加工余量不均勻、易出現(xiàn)干涉碰撞等安全問題，需要機(jī)床操作者實時監(jiān)控。