精密多腔模具零件加工

■珠海格力精密模具有限公司 （廣東珠海 519070） 鐘曉鷗 林松福 曾增權(quán) 鄭啟貴

近年來，模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快，大型、精密、復(fù)雜和長壽命模具發(fā)展速度明顯高于行業(yè)的總體發(fā)展速度。模具的質(zhì)量和壽命相互關(guān)聯(lián)，影響模具壽命的主要因素有模具的材質(zhì)和坯料處理、相關(guān)的熱處理、模具的加工精度（輪廓精度和位置精度等）以及模具的表面質(zhì)量（包括表面粗糙度、硬度和表面層金相組織結(jié)構(gòu)）等，其中最關(guān)鍵的影響因素是模具的精度，特別是模具的裝配精度。因此，要制作高精度模具，特別是多腔精密模具（見圖1），最重要的就是采用優(yōu)質(zhì)的工藝方案，以提高零件的加工精度和加工效率，適應(yīng)市場(chǎng)需求。

圖1 1出128腔精密模具

1. 加工現(xiàn)狀及改善目標(biāo)

已加工完成的1出8腔試驗(yàn)?zāi)Ｈ鐖D2所示，各工序加工機(jī)床生產(chǎn)過程工時(shí)數(shù)據(jù)記錄見表1。此加工工藝方案模具加工總工時(shí)達(dá)到1 304h，由此推算1出128腔模具加工總工時(shí)需要20 864h，以45天為一套模具加工周期，共需要208臺(tái)加工設(shè)備，設(shè)備需求量過大，加工方案低效，無法滿足客戶實(shí)際訂單周期需求。

圖2 1出8腔精密模具

表1 1出8腔試驗(yàn)?zāi)?shù)據(jù)

從成本、周期、資源綜合考慮，必須進(jìn)行加工提效，才能滿足模具交付周期。目標(biāo)是各工序平均提效30%，加工合格率達(dá)到95%，各工序提效目標(biāo)分解見表2。

表2 工時(shí)及電極數(shù)量?jī)?yōu)化目標(biāo)

2. 原方案的分析與優(yōu)化

通過分析1出8腔試驗(yàn)?zāi)＞呱a(chǎn)過程出現(xiàn)的低效問題記錄，制定對(duì)應(yīng)的、可行性的優(yōu)化方案，見表3。

（1） CNC粗銑工序 優(yōu)化 C A M程序策略優(yōu)化使用的PowerMILL軟件是由英國Delcam公司開發(fā)的專業(yè)CAM編程軟件，該軟件安全性能高且粗、精加工策略多，運(yùn)用靈活。利用軟件特性，加工方法由原來的“偏置粗銑策略”優(yōu)化為“預(yù)鉆孔＋等高策略”后，切削刀路軌跡化繁為簡(jiǎn)，效率提升較明顯，可提效32%，見表4。

設(shè)計(jì)專用工裝夾具可有效縮短停機(jī)等待時(shí)間，提高機(jī)床稼動(dòng)率。根據(jù)零件特性，設(shè)計(jì)排位6個(gè)槽可裝夾6個(gè)零件的工裝，其質(zhì)量剛好適合手工安全搬運(yùn)，裝夾后單個(gè)零件不需要再分中和校表找正，一次裝夾可加工6個(gè)零件的正、反兩側(cè)共4面的特征，優(yōu)化之前現(xiàn)場(chǎng)的低效操作，實(shí)現(xiàn)了快速裝夾、批量加工，大幅縮短了現(xiàn)場(chǎng)操作導(dǎo)致的停機(jī)等待時(shí)間。原加工方案是單件加工，每件需要4次裝夾，6件共需24次裝夾，6件加工總工時(shí)達(dá)12.6h。新加工方案使用專用工裝夾具，6件共需4次裝夾，單件零件的切削時(shí)間是1.3h（不含刀具切換時(shí)間），以每個(gè)工位裝夾時(shí)間0.2h計(jì)算，加工總工時(shí)為8.6h，可提效46%，見表5。

（2）T U R工序 原加工方案單件加工尾部預(yù)留15mm工藝腳，新加工方案采用長圓坯料，一次裝夾車削8個(gè)零件，批量加工優(yōu)化后可提效35%，見表6。

表3 問題點(diǎn)及優(yōu)化方案

表4 CAM編程策略提效

表5 工裝設(shè)計(jì)批量加工快速切換

1）采用組合備料，一次裝夾完成加工分件，減少去除工藝腳線切割工時(shí)0.5h/件。

2）密封圈槽和擋水片槽車削工序加工完成，減少熱處理后磨床精加工工時(shí)0.3h/件。

3）車削余量由原來的0.3mm調(diào)整為0.15mm，減少熱處理后車床半精加工工時(shí)0.5h/件。

4）材料成本縮減25%，加工8件原來需要340mm，新工藝加工8件只需260mm。

（3）GRI工序設(shè)計(jì)工裝 原加工方案單件加工尾部預(yù)留藝腳，新加工方案使用專用工裝夾具，無需每件都用校表找正，優(yōu)化后可實(shí)現(xiàn)快速切換加工，提效30%，見表7。

1）使用專用工裝夾具，實(shí)現(xiàn)批量快速切換加工，減少零件裝夾校正時(shí)間0.3h/件。

2）密封圈槽、擋水片槽采用車削直接加工完成，減少精磨時(shí)間0.3h/件。

（4）WEDM 工序設(shè)計(jì)工裝 原加工方案為單件裝夾加工，每件需2次裝夾，6件共12次，6件總裝夾校正時(shí)間2.4h，6件總加工時(shí)間需7.2h。新加工方案使用專用工裝夾具實(shí)現(xiàn)批量快速切換加工，無需每件都校正，6件總裝夾校正時(shí)間0.2h，6件總加工時(shí)間為5h，優(yōu)化后提效44%，見表8。

1）使用專用工裝夾具，實(shí)現(xiàn)批量快速裝夾加工，減少零件裝夾校正時(shí)間0.2h/工位。

2）零件切削時(shí)間只有0.4h/工位，單件裝夾難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，大大降低設(shè)備稼動(dòng)率。

（5）CNC-RDS精銑工序設(shè)計(jì)工裝 原加工方案采用單件裝夾加工，每件需在機(jī)校正，6件加工總工時(shí)為7.2h。新加工方案使用專用工裝夾具實(shí)現(xiàn)快速切換加工，無需每件都校正，6件總加工時(shí)間為5.3h，優(yōu)化后提效36%，見表9。

1）使用專用工裝夾具，配合CMM機(jī)外抄數(shù)，單件裝夾校正時(shí)間減少0.2h/件。

表6 TUR批量加工提效

表7 GRI工序設(shè)計(jì)工裝

表8 WEDM工序設(shè)計(jì)工裝

表9 CNC工序設(shè)計(jì)工裝

2）配合程序串聯(lián)軟件實(shí)現(xiàn)加工程序串聯(lián)，減少刀具切換時(shí)間（精加工刀具預(yù)熱時(shí)間為300s）、零件切削時(shí)間0.8h/件（不含刀具切換時(shí)間），涉及需要預(yù)熱的精加工刀具3支，可減少3次對(duì)刀和3次主軸預(yù)熱。

（6）EDM工序 進(jìn)行放電優(yōu)化。

1）如圖3所示，采用自動(dòng)化刀庫加工，實(shí)現(xiàn)24h無人化高效加工。

圖3 EDM自動(dòng)化刀庫24h無人化

2）電極設(shè)計(jì)優(yōu)化：合并電極，優(yōu)化放電參數(shù)，減少電極切換時(shí)間，提升電打效率83%，見表10。

表10 電極設(shè)計(jì)合并優(yōu)化及參數(shù)優(yōu)化

3）變更傳統(tǒng)電極設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化電打加工方案，由單一銅或單一石墨，轉(zhuǎn)換成混合電打的方式，細(xì)顆粒石墨粗打，高純度純銅精打（見圖4）。

4）調(diào)整加工參數(shù)，電打加工到VDI-14#紋號(hào)（表面粗糙度值Ra為0.56μm），實(shí)現(xiàn)加工后不拋光（見圖5）。

圖4 電極設(shè)計(jì)合并優(yōu)化

圖5 電打VDI-14#紋號(hào)

5）優(yōu)化電極加工程序，調(diào)整電打參數(shù)（模型號(hào)E、起始段號(hào)I、結(jié)束段號(hào)J、精修段號(hào)O、跳躍幅度S、跳躍周期T、跳躍速度F、精修開始段號(hào)M、精修時(shí)間U），提升電打效率，EDM放電代碼詳見表11。原加工方案需4.58h，現(xiàn)加工方案僅耗時(shí)2.4h。

3. 夾具的開發(fā)運(yùn)用

為提高機(jī)床加工效率，縮短停機(jī)等待時(shí)間，設(shè)計(jì)了各類零件的裝夾工裝，實(shí)現(xiàn)批量加工，將模具傳統(tǒng)單件加工理念向批量零件加工理念轉(zhuǎn)換。各工序加工均使用專用工裝夾具固定，不僅大大縮短了零件加工時(shí)間，提升了設(shè)備稼動(dòng)率，而且能更好地控制零件加工質(zhì)量。

1）CNC 批量裝夾高效加工，實(shí)現(xiàn)一次裝夾加工多個(gè)零件，如圖6所示。

圖6 CNC工裝設(shè)計(jì)批量加工快速切換

2）WEDM批量裝夾高效加工，實(shí)現(xiàn)一次裝夾加工多個(gè)零件，如圖7所示。

表11 EDM放電代碼

圖7 WEDM工序設(shè)計(jì)工裝

3）如圖8所示，GRI實(shí)現(xiàn)一次裝夾、多面磨削加工。

圖8 一次裝夾、多面磨削工裝

4. 坐標(biāo)磨床的使用

高精密模具除了需要高精密鑲件，還需要高精度模架來保證，因此坐標(biāo)磨床尤為重要。坐標(biāo)磨床是近代在坐標(biāo)鏜床加工原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密機(jī)床，它是精密模具加工的關(guān)鍵設(shè)備，可用于磨削模具中的精度很高的各類模具零件特征、各種精密機(jī)械零件和各類坐標(biāo)孔（見圖9）。

坐標(biāo)磨床上常磨削各種淬硬鋼，模具加工中常磨削一些韌性好、難磨且高硬度的模具鋼材料，對(duì)砂輪要求較高。CBN砂輪有很高的硬度與耐磨性，硬度達(dá)到8 000～9 000HV，僅次于金剛石，有較低的摩擦系數(shù)、很好的導(dǎo)熱性和耐熱性，可承受1 400～1 500℃的高溫，能將磨削點(diǎn)上產(chǎn)生的熱迅速地轉(zhuǎn)移到砂輪上，把對(duì)工件的熱損傷抑制在最小限度，還可使工件增加壓縮殘余應(yīng)力。因此“坐標(biāo)磨床＋C B N砂輪”可以很好地保證模架導(dǎo)柱、導(dǎo)套等關(guān)鍵特征的位置精度和形狀精度，為整套模具提供高精度的裝配保證。

圖9 坐標(biāo)磨床磨削高精零件

5. 在機(jī)檢測(cè)精度管控

在檢具設(shè)計(jì)開發(fā)之初，應(yīng)該考慮到其完整性、人機(jī)工程、穩(wěn)定性及成本等方面。根據(jù)零件精度要求，結(jié)合檢具開發(fā)需注意的問題點(diǎn)，開發(fā)制作適合零件檢測(cè)的檢具，并配合CMM首檢，實(shí)現(xiàn)精密零件在機(jī)批量檢測(cè)，提升一次加工合格率，降低加工成本，縮短加工周期，同時(shí)避免因尺寸超差而重復(fù)上機(jī)帶來的重復(fù)定位誤差和加工操作錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

（1）檢具“通、止規(guī)”的發(fā)明運(yùn)用 該檢具適用于側(cè)壁90°面特征。如圖10所示，零件圓特征為φ 13mm，公差要求0.01～0.02mm，設(shè)計(jì)制作兩個(gè)高精度的圓柱，一個(gè)為13.01mm，可以放入φ 13mm圓孔特征內(nèi)為通規(guī)；另一個(gè)為13.02m m，無法放入φ 13mm圓孔特征內(nèi)為止規(guī)。如果用通規(guī)檢測(cè)能進(jìn)入、止規(guī)檢測(cè)不能進(jìn)入，代表零件特征加工合格；如果不合格，檢后可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)并在機(jī)重新加工，直到達(dá)到公差要求。

（2）檢具“側(cè)面斜度檢規(guī)”的發(fā)明運(yùn)用 該檢具適用于精度要求極高的側(cè)壁斜面特征（如公差0～0.003mm）。如圖11所示，側(cè)壁為3°的圓凹槽特征，把“緊配高度規(guī)”徒手摁進(jìn)去后（不能用工具敲），在CNC機(jī)床用千分表測(cè)量“緊配高度檢規(guī)頂面”和“零件頂面”的高度差，如果兩平面高度差在0～0.02mm，則側(cè)面間隙為0.001mm，達(dá)到公差要求。如果不合格，檢測(cè)后可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)并在機(jī)重新加工，直到達(dá)到公差要求。

圖10 檢具“通、止規(guī)”運(yùn)用

圖11 檢具“側(cè)面斜度檢規(guī)”

6. 結(jié)語

通過優(yōu)化C A M編程方法、電極設(shè)計(jì)合并方案、優(yōu)化放電參數(shù)、設(shè)計(jì)裝夾工裝等一系列的研究改善，達(dá)到了各工序平均提效30%、合格率達(dá)到90%的初期目標(biāo)，較好地解決了精密模具零件加工過程中的實(shí)際問題，并提高了生產(chǎn)效率，保證了加工質(zhì)量。同時(shí)，這種實(shí)用工藝方法也可為精密模具零件加工提供有益的借鑒參考，適合在實(shí)際生產(chǎn)加工中運(yùn)用推廣。