模具鑄造鑲塊的標(biāo)準(zhǔn)化制造

何軍，龔俊林

1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北十堰 442000

2.上海有助精密模具有限公司 上海 201139

1 序言

模具是定形、定值、精密、高效且經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工具，其發(fā)展水平體現(xiàn)了國(guó)家商品生產(chǎn)的發(fā)展程度，為加快商品上市，搶占市場(chǎng)先機(jī)，就必須縮短模具的生產(chǎn)周期。傳統(tǒng)模具是典型的單件生產(chǎn)，裝配主要采用修配，工作零件的互換性較差、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

模具的標(biāo)準(zhǔn)化有利于設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量和效率的提高，從而使模具生產(chǎn)由單件生產(chǎn)轉(zhuǎn)為成批、通用的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期。模具零件可分為結(jié)構(gòu)零件和工藝零件，模具結(jié)構(gòu)零件的標(biāo)準(zhǔn)在模具生產(chǎn)中已得到廣泛的推廣，裝配時(shí)調(diào)整少，甚至不調(diào)整，對(duì)于縮短制造周期、降低采購(gòu)成本和提高模具質(zhì)量，有著極大的促進(jìn)作用。由于模具工藝零件的差異性大，裝配過(guò)程研配工作較復(fù)雜，所以對(duì)模具工藝零件制造的標(biāo)準(zhǔn)化研究可以將模具制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和推廣，加速模具商品化進(jìn)程，使得模具的流水線制造成為可能，為企業(yè)帶來(lái)巨大生產(chǎn)力。

2 原鑄造鑲塊制造工藝介紹

鑄造鑲塊在覆蓋件模具中廣泛應(yīng)用于修邊、整形結(jié)構(gòu)中，其數(shù)量大、形狀復(fù)雜，材料為空冷鋼（材料牌號(hào)7CrSiMnMoV，代號(hào)CH-1），該材料是一種以鑄代鍛的高碳低合金鋼，熱處理方式采用表面火焰淬火，淬火后硬度為50～55HBC，具有熱處理變形小的優(yōu)點(diǎn)，在沖壓模具生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛。圖1所示為修邊鑲塊的典型結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到裝配和維護(hù)的要求，一般鑲塊長(zhǎng)度L控制在300mm左右、質(zhì)量＜20kg。

圖1 修邊鑲塊的典型結(jié)構(gòu)

一套雙槽門(mén)板修邊模的鑲塊數(shù)量在100塊以上，為保證模具裝配精度，傳統(tǒng)制造工藝將鑲塊單獨(dú)完成底面銑削、磨削后，進(jìn)行靠山面、結(jié)合面的精加工，再由鉗工研修底面和結(jié)合面，安裝在底板上合銑型面和輪廓。該工藝的主要弊端為：①生產(chǎn)組織上，底板加工完成后才能安裝鑲塊，最后在底板上合銑，不能做到制造過(guò)程中的并行生產(chǎn)，耽誤制造周期。②鑲塊裝配時(shí)鉗工研修工作量大，鑲塊拼裝質(zhì)量取決于鉗工的經(jīng)驗(yàn)和技能水平。③占用了大型CNC數(shù)控加工時(shí)間，機(jī)床有等待時(shí)間，增加了制造成本。④由于鑲塊數(shù)量多，在鉗工拼裝時(shí)存在累計(jì)誤差，從而使得單件鑲塊的結(jié)合面、螺釘孔和銷(xiāo)孔偏差大，互換性差，更換時(shí)必須回原廠修配制造，加大了維護(hù)成本。

3 鑲塊標(biāo)準(zhǔn)化工藝研究

（1）鑲塊的標(biāo)準(zhǔn)化制造的難點(diǎn) ①加工的工序內(nèi)容多，不僅有型面、輪廓加工，還有結(jié)合面、靠山面、標(biāo)識(shí)平面和孔加工等。②加工型面復(fù)雜，型面起伏大，對(duì)于不同區(qū)域需采用不同的加工策略。③毛坯不規(guī)則，毛坯余量不均勻，從而使得單件制造過(guò)程中耗費(fèi)的裝夾、對(duì)刀時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)機(jī)床操作人員來(lái)說(shuō)，頻繁的裝夾、換刀和程序調(diào)用，勞動(dòng)強(qiáng)度加大，還增加了出錯(cuò)的可能性。④對(duì)工藝編程人員的要求較高，編程人員不僅要掌握扎實(shí)的建模、刀具和編程知識(shí)，還需要有模具設(shè)計(jì)和裝配制造的工藝經(jīng)驗(yàn)。

（2）鑲塊標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝方案 在提高單個(gè)鑲塊制造精度的前提下保證整體合模精度，雖然增加了鑲塊的制造成本，但可以有效地縮短工藝流程，減少工藝等待時(shí)間，將順序生產(chǎn)組織方式變?yōu)椴⑿猩a(chǎn)方式，改變模具單件配做制造理念，將鑲塊視為商品化制造產(chǎn)品來(lái)生產(chǎn)，保證了單個(gè)鑲塊的互換性，減少了維護(hù)等待時(shí)間，提升了后期服務(wù)滿意度，縮短了模具整體制造周期。

對(duì)比表1、表2的新舊加工方案可以看到，修邊模具鑲塊的工藝流程縮短，裝夾次數(shù)減少，加工集中化程度提高，減少了累計(jì)誤差，充分發(fā)揮了加工中心自動(dòng)化、高精度的優(yōu)勢(shì)，減少了手工出錯(cuò)。采用新工藝方案的優(yōu)點(diǎn)有：①制造過(guò)程自動(dòng)化，采用加工中心單元，充分利用了加工中心刀庫(kù)高效自動(dòng)換刀功能，一次裝夾即可完成粗、精加工，避免了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。②制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定了鑲塊統(tǒng)一的裝夾定位方法，按標(biāo)準(zhǔn)工藝流程數(shù)控加工。③加工數(shù)據(jù)規(guī)范化，將鑲塊上產(chǎn)品制造信息（PMI）顯式表述，根據(jù)鑲塊功能、精度和工藝要求建立統(tǒng)一涂色標(biāo)準(zhǔn)。④數(shù)控編程模板化，制訂的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)則最終是靠數(shù)控程序來(lái)體現(xiàn)，為提高編程效率，規(guī)范程序質(zhì)量，減少人為差錯(cuò)，各個(gè)工序均采用標(biāo)準(zhǔn)的加工模板，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的規(guī)范。

表1 修邊鑲塊原工藝方案

表2 修邊鑲塊新工藝方案

4 鑲塊標(biāo)準(zhǔn)化加工關(guān)鍵技術(shù)

（1）鑄造鑲塊快速裝夾工具開(kāi)發(fā) 為保證鑲塊的加工效率和質(zhì)量，確保工藝方案的順利實(shí)施，開(kāi)發(fā)了以下快速裝夾工具：①用于快速定位的工藝安裝板（見(jiàn)圖2），在工藝安裝板上等距加工螺紋定位孔，將四周設(shè)計(jì)為可拆卸式的定位擋板，以適應(yīng)鑲塊形狀的多樣性，便于調(diào)整及選擇合適的夾緊方式。②定位T形塊、定位銷(xiāo)及定位螺釘（見(jiàn)圖3），實(shí)現(xiàn)工藝安裝板與機(jī)床臺(tái)面、鑲塊與工藝安裝板、鑲塊與工藝鎖板的快捷安裝。③工藝鎖板（見(jiàn)圖4），用于廢料刀或熱處理后不需型面二次加工的鑲塊的快速定位，工藝鎖板背面設(shè)計(jì)有工藝槽，便于調(diào)整定位螺釘?shù)木嚯x尺寸。

圖2 工藝安裝板

圖3 定位T形塊、定位銷(xiāo)和定位螺釘

圖4 工藝鎖板

（2）快速裝夾工具的應(yīng)用 如圖5所示，在機(jī)床工作臺(tái)上安裝定位T形塊，其位置由定位螺釘設(shè)定為加工所用的編程坐標(biāo)系。待鑲塊在工藝安裝板上裝夾完成后，通過(guò)工藝安裝板底面的定位銷(xiāo)，可以將工藝安裝板精確定位到工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)加工坐標(biāo)的自動(dòng)找正。

圖5 工藝安裝板在機(jī)床工作臺(tái)上自動(dòng)找正原理示意

工藝鎖板在工藝安裝板上自動(dòng)找正原理如圖6所示，對(duì)于修邊模廢料刀或熱處理后只需輪廓加工的鑲塊，將鑲塊通過(guò)定位螺釘裝在工藝鎖板上，工藝鎖板通過(guò)定位銷(xiāo)安裝到工藝安裝板，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備外的安裝，自動(dòng)定位加工基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)了快速更換定位。

圖6 工藝鎖板在工藝安裝板上自動(dòng)找正原理示意

（3）統(tǒng)一鑲塊編程原點(diǎn)、加工坐標(biāo)系 加工坐標(biāo)系是編程、加工的基準(zhǔn)，根據(jù)不同的鑲塊類(lèi)型，采用下面幾種方法確定編程坐標(biāo)系（MCS）。

1）對(duì)于薄板件，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有靠山面，非加工面見(jiàn)光后坐標(biāo)系設(shè)定如圖7所示。

2）對(duì)于有靠山面的鑲塊，加工前底面、靠山面到尺寸，加工坐標(biāo)系設(shè)置如圖8所示。

3）凸模廢料刀位于修邊模下模，用于切斷廢料，一般無(wú)靠墻或只有單側(cè)靠墻（見(jiàn)圖9），毛坯面見(jiàn)光或靠山面到尺寸后，加工坐標(biāo)系設(shè)置如圖10所示。

圖7 毛坯面坐標(biāo)系設(shè)定

圖8 靠山面坐標(biāo)系設(shè)定

圖9 料刀示意

圖10 料刀坐標(biāo)系設(shè)定

（4）鑲塊數(shù)控編程模板開(kāi)發(fā) 數(shù)控加工程序是數(shù)控加工工藝的具體體現(xiàn)，其展示了制造過(guò)程中刀具的選擇、刀軌的形式、走刀方式、對(duì)刀零點(diǎn)及機(jī)加工工藝參數(shù)的設(shè)置，程序的編制是整個(gè)加工任務(wù)的核心環(huán)節(jié)，數(shù)控程序的優(yōu)劣決定了加工的質(zhì)量和效率。為此規(guī)范了數(shù)控加工刀具的規(guī)格和加工方式。

1）為減少數(shù)控刀具的庫(kù)存，規(guī)范了加工刀具庫(kù)（見(jiàn)表3），將加工中心配置統(tǒng)一刀具參數(shù)的刀庫(kù)，同時(shí)在NX CAM中設(shè)置鑲塊加工刀庫(kù)，在更換刀具時(shí)自動(dòng)加載轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、步距與下刀量。

表3 加工中心刀具配置

2）規(guī)范鑲塊編程標(biāo)準(zhǔn)化程度，有利于實(shí)現(xiàn)鑲塊加工的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)初期加工驗(yàn)證，得到了大量加工數(shù)據(jù)，包括加工幾何信息（平坦、陡峭）、加工方式（型腔銑、區(qū)域銑、等高銑）、刀具（球刀、立銑刀、飛刀）、切削參數(shù)（加工余量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、切削深度）和進(jìn)刀方式（圓弧、直線）等。但模具鑲塊的個(gè)體差異性較大，很難找到加工共性，驗(yàn)證過(guò)的制造工程準(zhǔn)則必須通過(guò)繼承和集成才能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的編程行為。為此開(kāi)發(fā)了圖11所示的鑲塊編程模板，該模板不僅融合了專(zhuān)家工藝知識(shí)，還具有一定的開(kāi)放性，提供了衍生數(shù)控編程知識(shí)的手段，拓寬了獲取工藝知識(shí)的途徑，編程人員還可以添加自己的模板，從而減輕編程的勞動(dòng)強(qiáng)度，使編程人員的主要精力集中在鑲塊零件區(qū)域的規(guī)劃上，保證了數(shù)控程序的一致性。

圖11 鑲塊編程模板

5 鑲塊精度檢測(cè)

精加工后的鑲塊從圖12三坐標(biāo)檢測(cè)報(bào)告中可以看到型面、輪廓偏差為0.02mm，銷(xiāo)孔孔位、孔徑偏差為0.01mm，滿足裝配要求。大幅減少了鉗工研配量，經(jīng)驗(yàn)證鑲塊備件可以滿足模具裝配互換性的要求。

圖12 三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)近幾年來(lái)對(duì)鑄造鑲塊標(biāo)準(zhǔn)化加工工藝的不斷探索和改進(jìn)，對(duì)提高制造精度、快速裝夾、提高加工效率和規(guī)范編程等問(wèn)題的研究，使模具的流水線制造成為可能，形成了鑲塊標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程，為后續(xù)鑲塊的自動(dòng)化、無(wú)人化制造實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。