先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)在汽車覆蓋件模具中的應(yīng)用

楊興，陳今孝，李慶豐

東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心 湖北武漢 430058

楊興

1 序言

隨著中國汽車市場競爭加劇，顧客對汽車模具的品質(zhì)提出了更高的要求。通過對覆蓋件模具先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)的深入研究，建立適合數(shù)控加工要素的綜合數(shù)據(jù)庫，保持機(jī)床的切削力相對恒定，可防止刀具的破損影響模具加工表面質(zhì)量，并提高數(shù)控加工的效率，縮短模具的研配周期，提高覆蓋件模具品質(zhì)，同時也為數(shù)控加工無人值守和自動化加工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 覆蓋件模具數(shù)控加工切削參數(shù)庫的建立

外覆蓋件產(chǎn)品不僅對功能尺寸精度有嚴(yán)格的要求，而且對外觀質(zhì)量也同樣要求嚴(yán)格。產(chǎn)品的棱線要清晰光順、紋路美觀，不允許有表面劃痕、細(xì)微的凹凸、波紋或不平整等外觀缺陷，另外沖壓成形過程中產(chǎn)生的沖壓痕跡、沖擊線、滑移線和皺紋等缺陷也不允許出現(xiàn)在重要的外觀表面上。因此，覆蓋件模具從數(shù)控加工粗加工開始就要避免過切和欠切現(xiàn)象的發(fā)生。過切不能滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求，欠切會導(dǎo)致后期數(shù)控加工穩(wěn)定性下降、刀具使用數(shù)量增加和數(shù)控效率低下等現(xiàn)象。數(shù)控加工切削參數(shù)庫的建立，是根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量特點(diǎn)、公司的機(jī)床參數(shù)和數(shù)控加工刀具參數(shù)綜合歸納總結(jié)并形成數(shù)據(jù)庫使用的數(shù)據(jù)包。模具數(shù)控加工的粗加工階段，采用高進(jìn)給刀具提升第一次粗加工效率，常用刀盤類銑刀、牛鼻刀；第二次粗加工常用整體硬質(zhì)合金刀具和刀片式球頭銑刀，如圖1所示。

圖1 覆蓋件模具數(shù)控粗加工切削刀具

覆蓋件模具數(shù)控編程軟件切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫如圖2所示。數(shù)控編程軟件采用UGNX12.0，在明確刀具材料性能和相關(guān)的加工參數(shù)、建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后，編程人員選擇相關(guān)的刀具，參數(shù)的使用會通過數(shù)據(jù)庫賦值到對應(yīng)的數(shù)控程序代碼中。

圖2 覆蓋件模具數(shù)控編程軟件切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫

3 自動控制數(shù)控加工進(jìn)給的技術(shù)要求

傳統(tǒng)的數(shù)控加工參數(shù)中，加工過程中的進(jìn)給在程序中是恒定值，不能根據(jù)切削加工負(fù)荷（加工余量大小、刀具切削接觸面積）進(jìn)行進(jìn)給速度的控制調(diào)節(jié)，即在加工切削力大的情況下不能及時減速，而在加工切削力小的情況下進(jìn)給速度又不能自動調(diào)整提高，需要靠操作者人為調(diào)節(jié)控制進(jìn)給速度。切削力變化較頻繁和余量大時不能增加刀軌，容易引起刀具的破損和加工過切，影響模具表面的加工質(zhì)量，使得制件產(chǎn)生不可接受的外觀缺陷，如圖3所示。只能設(shè)定一個保守的進(jìn)給速度，靠人為調(diào)節(jié)控制進(jìn)給速度，且不能刪除多余的跳動，數(shù)控加工效率低下，增加修磨研配工作量，有些表面缺陷嚴(yán)重的必須要返工，并且不能滿足自動化加工、無人值守需求。

圖3 加工缺陷

3.1 自動控制數(shù)控加工進(jìn)給的數(shù)控編程設(shè)定

在數(shù)控編程代碼優(yōu)化軟件NCBrain的基礎(chǔ)上，根據(jù)覆蓋件模具數(shù)控加工生產(chǎn)實(shí)際情況，確定相關(guān)數(shù)控機(jī)床最佳轉(zhuǎn)速和進(jìn)給參數(shù)，建立適合東風(fēng)汽車公司數(shù)控加工要素的綜合數(shù)據(jù)庫，即數(shù)控高速加工中心和數(shù)控粗加工設(shè)備刀路優(yōu)化數(shù)據(jù)庫（見圖4）。該數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工系統(tǒng)化，便于數(shù)控切削參數(shù)長期穩(wěn)定使用，并可不斷完善。

圖4 刀路優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的建立

3.2 NC代碼二次后置處理的開發(fā)

通過數(shù)控加工NC代碼二次后置處理的開發(fā)，在程序代碼中加入了刀具類型、直徑、長度和余量等信息（見圖5），并在NCBrain軟件中進(jìn)行相應(yīng)的刀具、余量接受設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了刀具信息和余量信息自動讀入優(yōu)化軟件中的功能，避免了手工輸入出錯的幾率，為后續(xù)數(shù)控代碼優(yōu)化提供必要的信息。

圖5 數(shù)控程序代碼增加參數(shù)信息

3.3 數(shù)控加工工件殘留毛坯的設(shè)置

對殘留毛坯進(jìn)行數(shù)控加工刀路優(yōu)化，設(shè)置泡沫模型的型面加工程序，在數(shù)控編程軟件中產(chǎn)生與鑄件相對應(yīng)的初始毛坯，轉(zhuǎn)換成優(yōu)化軟件可接受的數(shù)據(jù)格式。或根據(jù)需要在NCBrain優(yōu)化軟件中直接用粗加工程序產(chǎn)生精加工的殘留毛坯（見圖6），選擇毛坯生成模塊，選擇粗加工代碼，選擇毛坯余量，自動生成隨型毛坯。

圖6 工件殘留毛坯的制作

3.4 數(shù)控優(yōu)化軟件的使用

數(shù)控優(yōu)化軟件能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床加工仿真、程序驗(yàn)證以及程序進(jìn)給優(yōu)化。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）可用來確保數(shù)控加工程序里不會出現(xiàn)機(jī)床碰撞、工件過切或刀具折斷等錯誤。

2）免去在數(shù)控機(jī)床上驗(yàn)證程序的過程，縮減機(jī)床加工輔助時間。

3）保護(hù)數(shù)控加工機(jī)床、零件和刀具。

4）可用于檢驗(yàn)?zāi)＞吡慵母鱾€加工尺寸是否正確。

5）優(yōu)化數(shù)控程序，使加工效率更高，質(zhì)量更穩(wěn)定，可解決模具數(shù)控加工清根階段切削困難的問題。

6）能夠檢查整個數(shù)控加工過程并形成數(shù)控加工工藝文檔。

優(yōu)化軟件使用后，軟件根據(jù)零件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)自行判定軌跡和數(shù)模之間的切削殘留量，優(yōu)化軟件在數(shù)控加工刀路中的應(yīng)用如圖7所示。優(yōu)化前的數(shù)控加工程序中，數(shù)控刀具軌跡為3條，零件的特征是標(biāo)準(zhǔn)的凹槽結(jié)構(gòu)；優(yōu)化后，增補(bǔ)了2條加工軌跡。增加的刀路有助于保證加工中切削力的恒定，工件的數(shù)控加工殘留高度進(jìn)一步得到控制，保證了工件在數(shù)控加工過程中的穩(wěn)定性。

圖7 優(yōu)化軟件在數(shù)控加工刀路中的應(yīng)用

數(shù)控加工過程中，根據(jù)不同區(qū)域，使用不同的進(jìn)給速度是提高加工效率的有效手段。以往進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)是操作工現(xiàn)場手工完成的；經(jīng)過軟件優(yōu)化后，進(jìn)給調(diào)節(jié)體現(xiàn)在數(shù)控程序代碼中，可自動設(shè)定進(jìn)給并進(jìn)行刀路優(yōu)化，如圖8所示。通過優(yōu)化軟件處理，保證了切削效能，同時合理解決了現(xiàn)場技術(shù)人員始終值守的狀態(tài)，為今后無人值守?cái)?shù)控加工提供了穩(wěn)定的保障。

圖8 自動進(jìn)給設(shè)定和刀路優(yōu)化示意

4 CBN數(shù)控球頭銑刀在覆蓋件模具中的使用

立方氮化硼CBN（Cubic Boron Nitride）是20世紀(jì)50年代首先由美國通用電氣（GE）公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，由于硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料，因此與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。覆蓋件模具成形零件的材料多為合金鑄鐵，現(xiàn)階段CBN數(shù)控球頭銑刀在覆蓋件模具的使用范圍主要包括拉延模和整形模。

4.1 CBN數(shù)控球頭銑刀特點(diǎn)

1）具有很高的硬度和耐磨性。C B N單晶的顯微硬度為8000～9000H V，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)，CBN復(fù)合片的硬度一般為3000～5000HV。

2）具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度。C B N的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度。

3）具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，與鐵系材料在1200～1300℃時也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

4）具有良好的導(dǎo)熱性和較低的摩擦系數(shù)。

4.2 CBN數(shù)控球頭銑刀的實(shí)際應(yīng)用

以G79項(xiàng)目整體側(cè)圍拉延模凹模型面精加工的使用為例，介紹CBN刀具使用情況。凹模半精加工完畢時的狀態(tài)如圖9所示，留精加工余量0.2mm，型面面積約6.14m2。精加工切削參數(shù)見表1。

圖9 覆蓋件拉延模凹模半精加工

數(shù)控程序留精加工量0.2mm，刀具廠商技術(shù)人員認(rèn)為余量太大，經(jīng)商定Z向抬高0.05mm加工；型面加工的順序是壓料面→側(cè)壁→型腔→門洞→兩門洞間區(qū)域。當(dāng)加工到型腔底部時，由于局部半精加工的刀路痕跡不能消除，因此又降0.1mm重新加工壓料面、型腔；未加工的兩個門洞及門洞間區(qū)域的余量約0.25mm。過程如下。

表1 覆蓋件凹模精加工切削參數(shù)

1）切削余量0.15mm（連續(xù)切削22.5h）：程序留量0.2mm，加工時Z向抬高0.05mm，實(shí)際余量約0.15mm。連續(xù)加工壓料面、側(cè)壁和型腔。當(dāng)型腔加工到底部時，半精加工的刀路痕跡未消除，加工中斷。

2）切削余量0.1mm（連續(xù)切削26h40min）：Z向降0.05mm（即在Z向抬高0.05mm的基礎(chǔ)上降0.1mm），實(shí)際余量約0.1mm，連續(xù)加工壓料面、側(cè)壁和型腔。

3）切削余量0.25m m（連續(xù)切削8h）：程序留量0.2mm，加工時Z向降0.05mm，實(shí)際余量0.25mm，連續(xù)加工兩個門洞及門洞間的型面。

4.3 CBN數(shù)控球頭銑刀切削效果確認(rèn)

精加工完畢后，CBN刀具生產(chǎn)公司檢測了刀具磨損情況。檢測結(jié)果表明，刀片后刀面磨損最嚴(yán)重的位置，磨損量VBmax=0.553mm，結(jié)論為正常磨損。由于凹模的壓料面、側(cè)壁和型腔局部切削了兩遍，刀片雖然是正常磨損，但磨損量偏大。

CBN數(shù)控球頭銑刀的優(yōu)勢主要包括：型面精加工效率高，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度達(dá)到機(jī)床許可的上限值；型面精加工表面質(zhì)量好，比硬質(zhì)合金刀具加工的表面更光亮）；型面精加工不需換刀，凸模、凹模型面都是一個刀片完成精加工，既節(jié)省了換刀時間，又避免了因換刀操作者手工接刀而造成的誤差、甚至缺陷，減輕了現(xiàn)場機(jī)床操作人員的勞動強(qiáng)度和鉗修蹭光的工作量。刀片使用后磨損量正常，但存在刃口、刀尖的崩刃現(xiàn)象，無法重磨再使用。

5 結(jié)束語

模具型面加工刀路優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，提高了模具研配調(diào)試的效率和模具的表面質(zhì)量，有效緩解了公司調(diào)試壓機(jī)的瓶頸壓力，并降低了模具的制造成本，節(jié)約了人力資源。特別是在日產(chǎn)、神龍及東風(fēng)乘用車項(xiàng)目的整體側(cè)圍、成雙門外板、頂蓋和發(fā)動機(jī)罩多個零件的模具的試驗(yàn)應(yīng)用中，通過及時的現(xiàn)場跟蹤、信息反饋以及不斷優(yōu)化的刀路切削數(shù)據(jù)庫，模具型面加工刀路優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，成功提高了數(shù)控加工效率，提升了加工表面質(zhì)量，縮短了模具的研配周期。不僅避免了模具數(shù)控加工表面質(zhì)量不良的返工返修，減少了鉗工的研配量，而且在模具制造生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，對實(shí)現(xiàn)模具加工精益生產(chǎn)起到了積極的促進(jìn)作用。