汽車覆蓋件模具數(shù)控加工機(jī)床的選型及應(yīng)用

■ 東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心 （湖北武漢 430058） 楊 興 李慶豐

技術(shù)主管、高級(jí)工程師 楊 興

汽車覆蓋件模具生產(chǎn)制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)日漸成熟，作為汽車的外衣，覆蓋件模具的質(zhì)量直接關(guān)系到外觀感知，即用戶所能感受到的一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造的精心程度、顧客的印象及認(rèn)可度的綜合表現(xiàn)，也稱感知質(zhì)量。汽車是一種工業(yè)產(chǎn)品，更是一種工藝品，糅合時(shí)尚、科技、安全和環(huán)保等多種元素設(shè)計(jì)結(jié)晶，集中體現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝及制造。在國(guó)際市場(chǎng)方面，跨國(guó)公司到我國(guó)來采購模具的趨勢(shì)和市場(chǎng)份額不斷加大，模具行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入加速競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，各模具公司均加大了先進(jìn)技術(shù)和裝備的投入。數(shù)控加工機(jī)床作為大型汽車覆蓋件模具生產(chǎn)的核心裝備，在模具生產(chǎn)質(zhì)量、周期和成本控制上起著關(guān)鍵作用。工欲善其事，必先利其器，數(shù)控加工設(shè)備選型在模具生產(chǎn)中有著核心的作用。大型汽車覆蓋件加工使用的數(shù)控機(jī)床選型主要從以下幾方面綜合選擇。

1. 數(shù)控床身剛性結(jié)構(gòu)配置特點(diǎn)

選擇具有粗加工能力的設(shè)備，數(shù)控龍門機(jī)床為典型結(jié)構(gòu)。只用于數(shù)控精加工則可采用動(dòng)梁式結(jié)構(gòu)的機(jī)床。圖1所示為數(shù)控龍門五面體機(jī)床。

1）X軸采用全行程軌道支撐設(shè)計(jì)，大幅提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗振性。X/Y軸采用高剛性、高精度滾柱式線性滑軌，Z軸采用方形硬軌式主軸頭，提供最大的切削能力。Z軸也可選高剛性、高精度滾柱式線性滑軌，提供最佳的三軸進(jìn)給匹配性能。

2）主軸頭采用的雙油壓配重，其中心線緊靠于主軸頭重心位置，主軸位于主軸電動(dòng)機(jī)、Z軸螺桿及雙對(duì)稱配重油壓缸中心之最佳位置，可排除不平衡力矩產(chǎn)生，確保微量進(jìn)給的確動(dòng)性及長(zhǎng)時(shí)間加工精度。

圖1 數(shù)控龍門五面體機(jī)床

3）X軸采用三軌高荷重高剛性、高精度滾柱式線性滑軌，三主軌大跨距式設(shè)計(jì)，加大工作臺(tái)載重承載跨距，有效提升工作臺(tái)載重能力和工件的動(dòng)態(tài)水平精度，提供最佳進(jìn)給剛性。

4）主結(jié)構(gòu)件皆采用高級(jí)強(qiáng)韌鑄鐵（X軸行程6m以上底座，可選用焊接制造，見圖2）。所有主結(jié)構(gòu)件都經(jīng)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力，確保最佳剛性與精度持久性。對(duì)切削振動(dòng)有高度抗性的機(jī)床結(jié)構(gòu)能夠滿足加工中剛性需求。

5）底座采用V形結(jié)構(gòu)肋高剛性設(shè)計(jì)，工作臺(tái)滑道最佳跨距計(jì)算，寬大承載面，確保最大載重時(shí)的最佳動(dòng)態(tài)水平精度。

6）橫梁采用方型截面設(shè)計(jì)，機(jī)頭重心均勻緊靠于橫梁中心，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)精度及重切削能力。

7）最佳主軸配置，主軸中心線緊靠Z軸滑軌，大幅減少因熱變位的影響及切削力矩可能產(chǎn)生的彎曲變形，確保最佳精度。超大立柱結(jié)構(gòu)及大橫梁之支撐面，確保最佳結(jié)構(gòu)剛性。

2. 高精度性能機(jī)構(gòu)零部件配置要點(diǎn)

高精度性能機(jī)構(gòu)零部件配置要點(diǎn)如下：

1）三軸C3級(jí)螺桿搭配P4級(jí)斜角滾珠軸承，并在行程4m以上的X軸上增加特殊設(shè)計(jì)的螺桿支撐防振裝置，以提供最佳軸向進(jìn)給剛性。

2）Y軸采用齒形皮帶傳動(dòng)提升扭力機(jī)構(gòu)（減速比2∶1），X軸采用齒輪式傳動(dòng)扭力提升機(jī)構(gòu)，Z軸直結(jié)式傳動(dòng)搭配高速配重液壓缸，提供全機(jī)最佳化的進(jìn)給推力及剛性。

3）Z軸雙配重液壓缸，搭配自動(dòng)定位校正機(jī)構(gòu)及高速響應(yīng)氣壓式蓄壓系統(tǒng)，提供Z軸高速進(jìn)給之平滑性，實(shí)現(xiàn)高加減速性能。

4）主軸、軸承及齒輪箱采用強(qiáng)制自動(dòng)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，大幅降低熱變位并提升使用壽命。

5）主軸采用高剛性P4級(jí)精密軸承并于專業(yè)主軸廠制造，確保最佳動(dòng)態(tài)精度與使用壽命。

6）齒輪式兩段速度變換主軸，低轉(zhuǎn)速時(shí)出力大，適合重切削，數(shù)控側(cè)銑重切試驗(yàn)如圖3所示；高轉(zhuǎn)速時(shí)加工效果精細(xì)。采用JIS 0級(jí)研磨齒輪，具有噪聲低、壽命高及傳動(dòng)功率損失低等最佳性能。

7）主軸浮動(dòng)式鎖放刀機(jī)構(gòu)，保護(hù)主軸軸承，確保長(zhǎng)期精度與壽命。

3. 高速加工對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)

大型覆蓋件的零件加工質(zhì)量要求提高，特別是模具基準(zhǔn)件（見圖4）的加工要求，具體體現(xiàn)在：加工型面整體精度公差控制在0.2mm以下；無明顯數(shù)控加工形成的段差和數(shù)控加工接刀痕跡；孔位尺寸公差＜0.02mm。

為實(shí)現(xiàn)高速加工，數(shù)控機(jī)床需要對(duì)應(yīng)以下技術(shù)參數(shù)。

圖2 數(shù)控機(jī)床鑄鐵結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)控側(cè)銑重切試驗(yàn)

圖4 覆蓋件模具凸?；鶞?zhǔn)件

（1）高速高剛性主軸 ①主軸直徑100mm轉(zhuǎn)速≥12 000r/min；歐洲大型數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)速24 000 r/min。②標(biāo)準(zhǔn)兩面約束主軸（對(duì)應(yīng)BIG+規(guī)格，見圖5）；HSK高速刀柄。

圖5 兩面約束BBT主軸

（2）高速進(jìn)給具體選用參數(shù) X和Y軸切削速度30m/min，Z軸10m/min，W軸4.8m/min（選用），可以通過反向函數(shù)控制高精度、高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1）平滑補(bǔ)償功能的應(yīng)用。以往的補(bǔ)償功能由數(shù)控程序作出平滑的曲線（見圖6），根據(jù)曲線與數(shù)控程序的誤差（公差）用平滑補(bǔ)償處理修正，有時(shí)曲面邊界也會(huì)受到平滑處理，以致發(fā)生變形。新型補(bǔ)償方式（見圖7）由數(shù)控程序識(shí)別曲面邊界，曲面內(nèi)部受到平滑補(bǔ)償處理，曲面邊界不受平滑處理影響，曲面內(nèi)部更加順滑，邊緣輪廓更加清晰。

圖6 以往的補(bǔ)償方式

圖7 新型補(bǔ)償方式

2）進(jìn)給軸振動(dòng)補(bǔ)償。沿面加工中，指令點(diǎn)在曲面內(nèi)常不按照理想情況排列機(jī)械按指令點(diǎn)路徑運(yùn)動(dòng)，造成減速，使加工面不平整，不受程序環(huán)境影響實(shí)現(xiàn)平滑的速度節(jié)奏。進(jìn)行進(jìn)給軸振動(dòng)補(bǔ)償（見圖8）后能夠改善加工效果。

（3）編程策略和機(jī)床功能匹配 通常在曲面形狀中，單憑掃描線或等高線不能使點(diǎn)距均一排列，所以要用混合型或沿面型（見圖9）。沿同一面編成路徑時(shí)，路徑數(shù)越少，進(jìn)給時(shí)的減速次數(shù)越少，效率越高。

刀具路徑發(fā)生急速轉(zhuǎn)折時(shí)，進(jìn)給減速導(dǎo)致刀具、機(jī)械上的撓曲變化，在加工面形成創(chuàng)傷，如圖10所示，其中S為轉(zhuǎn)速（r/min）；F為進(jìn)給速度（mm/min）；v為切削速度（m/min）。因此平滑的刀具路徑很重要。

（4）高速ATC（自動(dòng)換刀裝備）的使用參數(shù)要求 ①刀對(duì)刀時(shí)間（Tool to tool）：5s。②總換刀時(shí)間（Chip to chip）：15s。ATC換刀系統(tǒng)如圖11所示。

4. 熱補(bǔ)償和刀尖補(bǔ)償功能

覆蓋件模具對(duì)于零件的段差要求嚴(yán)格，通過機(jī)床功能有效減少段差對(duì)于后期模具調(diào)試的不利因素，通常段差控制在0.02mm以下。先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床在數(shù)控加工中會(huì)考慮制造的累積誤差，進(jìn)行合理消除和微調(diào)機(jī)床參數(shù)，盡可能消除機(jī)床變形的誤差。

（1）抑制熱變形的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ①主軸滑塊熱變位補(bǔ)償主軸冷卻系統(tǒng)抑制發(fā)熱的同時(shí)，溫度感應(yīng)器進(jìn)行熱變位補(bǔ)償。②附件頭熱變位補(bǔ)償（可選），附件頭也安裝溫度感應(yīng)器，配合加工條件進(jìn)行補(bǔ)償。③立柱熱變位補(bǔ)償（可選），受到周圍環(huán)境變化的影響，立柱會(huì)發(fā)生傾斜，可通過溫度感應(yīng)器及水平儀進(jìn)行高度補(bǔ)償。

圖8 振動(dòng)補(bǔ)償示意

圖9 線型示意

圖10 刀具路徑發(fā)生急速轉(zhuǎn)折

圖11 ATC換刀系統(tǒng)

（2）刀尖補(bǔ)償功能 從三個(gè)方向?qū)Ω郊^圓心偏移、旋轉(zhuǎn)位置偏移進(jìn)行測(cè)定并補(bǔ)償（包括熱變位在內(nèi)的工作臺(tái)與刀尖的相對(duì)誤差），如圖12所示。

5. 機(jī)床加工模式的選擇

機(jī)床加工模式的選擇如圖13所示。

（1）加工模式的種類 根據(jù)零件的加工要求，加工模式可以劃分成高精度、標(biāo)準(zhǔn)及高速加工，用戶可以根據(jù)相應(yīng)的加工模式，靈活地進(jìn)行數(shù)控加工，在保證質(zhì)量的前提下，提升加工效能。

（2）圓滑處理設(shè)定 自動(dòng)推定數(shù)控系統(tǒng)誤差，以最適合的參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工。

（3）數(shù)控程序公差 檢測(cè)元件匹配相應(yīng)的加工參數(shù)，可以使加工進(jìn)給平順性更好。

（4）工件質(zhì)量設(shè)定 采用龍門數(shù)控機(jī)床、工作臺(tái)移動(dòng)的設(shè)備，工件在移動(dòng)中加減速對(duì)于加工質(zhì)量還是有影響的。在不同質(zhì)量加工時(shí)，適當(dāng)調(diào)整伺服系統(tǒng)的參數(shù)可以保證數(shù)控加工的平順性，同時(shí)能夠合理保持機(jī)床精度的穩(wěn)定性。

6. 機(jī)床擴(kuò)展功能選擇和相關(guān)技術(shù)文件制訂

模具生產(chǎn)過程是典型的單件、小批量工藝類型。大型模具加工過程中，需要具備有相關(guān)技能等級(jí)的人員操作。為了盡量降低加工過程對(duì)技能素質(zhì)的依賴，模具生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)需求可以訂制相關(guān)宏指令功能、虛擬軸功能和局部區(qū)域限位等功能。大型模具的加工周期較長(zhǎng)，機(jī)床的加工穩(wěn)定性顯得非常重要。機(jī)床選型中應(yīng)該考慮機(jī)床本身對(duì)環(huán)境因素、振動(dòng)及強(qiáng)電環(huán)境下的抗干擾能力。機(jī)床的技術(shù)文件包含：產(chǎn)品的生產(chǎn)管理檢驗(yàn)過程符合ISO 9001標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)器精度檢測(cè)記錄表、地基圖、CNC控制器操作手冊(cè)、機(jī)械操作手冊(cè)、電控操作手冊(cè)、電控線路圖、階梯圖和參數(shù)表。交貨、安裝、驗(yàn)收和售后服務(wù)也是選型的重要考慮要素，企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)要求可以在招標(biāo)前規(guī)定好相關(guān)事項(xiàng)。

圖12 刀尖補(bǔ)償功能

圖13 加工模式的選擇

7. CAD/CAPP/CAM/CAE無縫集成數(shù)字化虛擬制造的數(shù)控機(jī)床選型

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(jì)、模具NC加工以及模具CMM（三坐標(biāo)）檢測(cè)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(jì)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，難以產(chǎn)生設(shè)計(jì)、加工錯(cuò)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(shí)，從根本上改變了設(shè)計(jì)→試制→修改設(shè)計(jì)→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(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(chǎng)變化的能力。在高集成化數(shù)字化生產(chǎn)中，數(shù)控加工機(jī)床選型要求良好的數(shù)據(jù)傳輸能力、自適應(yīng)加工能力和柔性化制造能力。

隨著技術(shù)水平的不斷提升，國(guó)內(nèi)模具制造企業(yè)已經(jīng)縮小了與國(guó)際先進(jìn)制造模具企業(yè)的差距。模具企業(yè)單從價(jià)格進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，今后除了在數(shù)控加工裝備選型上參數(shù)不斷細(xì)化外，必須從技能、技術(shù)和管理水平上突破，才能最大限度發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效能，制造出高端模具，這些仍需國(guó)內(nèi)各模具企業(yè)不斷研究和探索。