機(jī)械模具數(shù)控加工制造技術(shù)研究

李銘秋

（江蘇省常熟中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 常熟 215500）

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)模具加工早已邁入了數(shù)控時(shí)代，當(dāng)前大多數(shù)精密模具制造都以數(shù)控加工為基礎(chǔ)。一方面，基于數(shù)控加工的模具制造，可以顯著提高產(chǎn)品生產(chǎn)加工精度；另一方面，基于數(shù)控加工方式制作模具的效率更高，由于產(chǎn)品多樣化生產(chǎn)的需要，工廠每天需要調(diào)整大量的制造模具，對(duì)模具的種類(lèi)切換和產(chǎn)品生產(chǎn)效率均有較為嚴(yán)格的要求，依靠傳統(tǒng)的人工或半自動(dòng)的模具加工方式，會(huì)由于生產(chǎn)效率過(guò)低而錯(cuò)失很多市場(chǎng)機(jī)遇。本文通過(guò)具體分析機(jī)械模具數(shù)控加工的特點(diǎn)、相關(guān)要求，進(jìn)一步明確了模具的生產(chǎn)加工流程，并基于此展望了模具加工行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 機(jī)械模具制造的基本要求

機(jī)械模具的設(shè)計(jì)和加工工藝十分復(fù)雜，在加工過(guò)程中對(duì)模具精度控制的要求同樣非常嚴(yán)格，如果模具的精度無(wú)法滿足要求，會(huì)直接影響到加工產(chǎn)品的合格率和成品的一致性。

在機(jī)械模具加工制造過(guò)程中，必須要明確模具加工產(chǎn)品的特征屬性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)選擇適合模具的母材。如，加工產(chǎn)品為鐵質(zhì)工件或塑料工件，對(duì)于模具材質(zhì)、工藝和加工方式有本質(zhì)的區(qū)別。只有在確定產(chǎn)品屬性的前提下設(shè)計(jì)模具，才能獲得預(yù)期的效果。

在規(guī)范模具的設(shè)計(jì)和制作流程方面，對(duì)于高精度模具的設(shè)計(jì)和制造而言，必須強(qiáng)化動(dòng)態(tài)流程化作業(yè)。機(jī)械模具加工對(duì)于操作人員的基本素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)要求均較高，必須按照技術(shù)工藝部分指定的操作流程逐步實(shí)施。機(jī)械模具設(shè)計(jì)和制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要有相應(yīng)的工藝指導(dǎo)，且流程卡上有操作人員和檢驗(yàn)人員的簽字，并由檢驗(yàn)人員記錄相關(guān)的加工數(shù)據(jù)，供后續(xù)加工同類(lèi)模具時(shí)參考。

機(jī)械模具加工誤差控制范圍給定的不宜過(guò)小。機(jī)械模具對(duì)于精度的要求十分嚴(yán)格，只有提升模具精度，才能保證加工工件的精度和加工一致性。在最大化地控制模具誤差的基礎(chǔ)上，操作人員才可以保證加工產(chǎn)品的誤差在合格范圍之內(nèi)。嚴(yán)格控制加工誤差需要從2方面著手并加以控制：其一是確保數(shù)控加工中心處于良好的工作狀態(tài)，無(wú)論硬件系統(tǒng)還是軟件程序都要進(jìn)行無(wú)縫調(diào)試和匹配，相關(guān)的參數(shù)值處于合理范圍；其二是每一道工序操作人員都要選用經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，提高對(duì)數(shù)控加工中心的控制能力，以避免某一道工序出現(xiàn)嚴(yán)重，失誤導(dǎo)致模具損壞進(jìn)而出現(xiàn)難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

機(jī)械模具在設(shè)計(jì)和加工時(shí)還要考慮到后續(xù)的可拓展性。通常情況下機(jī)械模具的單位成本投入較大，盡管在銷(xiāo)售部門(mén)簽訂合同時(shí)已經(jīng)將模具費(fèi)用攤?cè)氘a(chǎn)品中，但對(duì)于模具加工企業(yè)或產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)而言，模具投入仍舊是一項(xiàng)重大費(fèi)用支出，不得不考慮老舊模具的改造和二次利用問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，在一種模具設(shè)計(jì)之初就考慮到后續(xù)拓展性問(wèn)題，使其保留有一定的改動(dòng)空間。目前，已有一部分企業(yè)開(kāi)始使用組合式模具，例如在設(shè)計(jì)模具的底座部分時(shí)，都采用通用式的設(shè)計(jì)方式，來(lái)提高模具退役以后的再利用價(jià)值。提升機(jī)械模具的可拓展性和兼容性，對(duì)于降低企業(yè)的模具成本投入意義重大，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省一部分費(fèi)用開(kāi)支。

2 機(jī)械模具數(shù)控加工制造的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

數(shù)控加工是一種機(jī)械加工技術(shù)的數(shù)字化表達(dá)，通過(guò)電腦控制和軟件程序控制，自動(dòng)化地完成對(duì)模具產(chǎn)品的機(jī)械加工與制造。數(shù)控加工在全球范圍內(nèi)擁有幾十年的發(fā)展歷史，目前機(jī)械模具加工，尤其是高精度模具加工普遍采用數(shù)控加工中心的操作方式。機(jī)械模具數(shù)控加工具有最顯著的2個(gè)特點(diǎn)：①數(shù)控加工技術(shù)的引入能夠極大地提高機(jī)械模具的加工精度。②可以確保模具加工的一致性，進(jìn)而確保模具制造出的產(chǎn)品工件的一致性。數(shù)控加工中心由復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序控制，計(jì)算機(jī)的精度控制能力和可靠性要顯著優(yōu)于操作人員的人工控制，只要操作人員將初始值和程序設(shè)定完畢，加工中心系統(tǒng)就會(huì)嚴(yán)格按照程序指令完成加工，且加工精度更好；在機(jī)械模具加工一致性方面，數(shù)控加工中心的優(yōu)勢(shì)更加明顯，在同一套計(jì)算機(jī)程序指令條件下，幾乎可以獲得同樣精度的產(chǎn)品。機(jī)械模具數(shù)控加工制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

第一，機(jī)械模具數(shù)控加工制造的精度更高。在數(shù)控加工模式下，只要為數(shù)控設(shè)備設(shè)定好程序和各種參數(shù)，加工精度通常不會(huì)受到影響。此外，數(shù)控加工的方式還大大降低了操作者的工作強(qiáng)度，操作人員只需要監(jiān)測(cè)數(shù)控加工中心運(yùn)行狀態(tài)，就能夠確保加工出合格的模具產(chǎn)品。機(jī)械模具的數(shù)控加工方式離不開(kāi)人的操作和后臺(tái)控制，數(shù)控中心的運(yùn)行程序也是由技術(shù)人員來(lái)編寫(xiě)，但該種基于數(shù)控加工的方式卻極大地提升了機(jī)械模具的制造精度，降低了一線操作人員的工作量，還可以顯著降低機(jī)械模具產(chǎn)品加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差值。

第二，機(jī)械模具的加工效率更高。機(jī)械模具屬于特殊的產(chǎn)品，為了滿足產(chǎn)品模具塑型的需要，機(jī)械模具的造型往往復(fù)雜多變且呈現(xiàn)出不規(guī)則的特點(diǎn)，加工難度較大。在傳統(tǒng)基于人工或半自動(dòng)的機(jī)械模具加工方式下，制造一套模具往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，有時(shí)根本無(wú)法滿足產(chǎn)品批量生產(chǎn)的需要。而在數(shù)控加工模式下，機(jī)械模具的加工效率會(huì)顯著提高：一方面，數(shù)控技術(shù)能夠借助工業(yè)計(jì)算機(jī)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將匹配結(jié)果及時(shí)反饋給程序的編寫(xiě)者，節(jié)省了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量耗時(shí)；另一方面，利用數(shù)控加工中心可以實(shí)現(xiàn)24 h不間斷的作業(yè)，只要數(shù)控加工中心的狀態(tài)良好，就能夠連續(xù)不斷地創(chuàng)造價(jià)值，工作效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)人工作業(yè)的方式。此外，在數(shù)控加工中心夜間工作時(shí)，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工中心的實(shí)施監(jiān)控。

第三，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些特殊用途機(jī)械模具的定制化加工?；跀?shù)控加工的方式制造機(jī)械模具，具有更大的靈活性，在機(jī)械加工過(guò)程中往往需要面對(duì)各種復(fù)雜模具造型設(shè)計(jì)需求，有些特殊的設(shè)計(jì)要求依靠傳統(tǒng)加工方式根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)控加工方式的意義在于通過(guò)復(fù)雜加工程序的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)，為數(shù)控加工提供了一個(gè)自由發(fā)揮的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊機(jī)械模具的個(gè)性化定制，但定制設(shè)計(jì)往往也需要付出更多的成本。數(shù)控加工中心通常具有良好的開(kāi)源性特征，即可以利于Linux系統(tǒng)、MATLAT軟件和其他各種設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械模具設(shè)計(jì)到加工的完美兼容。此外，還可以將機(jī)械模具設(shè)計(jì)加工的方式推廣到其他工業(yè)制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用。

3 機(jī)械模具數(shù)控加工制造基本流程和發(fā)展方向

機(jī)械模具數(shù)控加工中心的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于普通的數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)通常包括伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和其他的輔助系統(tǒng)。其中，伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)加工中心向各個(gè)軸向移動(dòng)；控制系統(tǒng)是機(jī)械模具加工中心的大腦，負(fù)責(zé)根據(jù)輸入的程序指令和系統(tǒng)參數(shù)管理和控制數(shù)控加工中心的運(yùn)動(dòng)情況；傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將驅(qū)動(dòng)元件的力傳遞到執(zhí)行單元，完成具體的指令和動(dòng)作；通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)分析各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程傳遞和接收相關(guān)指令；檢測(cè)系統(tǒng)使機(jī)械模具加工中心自帶自檢功能，即可以通過(guò)對(duì)自身參數(shù)狀態(tài)的判定，確定出加工中心是否處于一種良性的工作狀態(tài)。數(shù)控加工中心的加工能力遠(yuǎn)強(qiáng)于普通的數(shù)控機(jī)床，由于模具制造工藝十分復(fù)雜，只有利用數(shù)控加工中心，才能確保模具成品的加工精度。機(jī)械模具數(shù)控加工制造的基本流程如圖1所示。

圖1 機(jī)械模具數(shù)控加工制造的基本流程

機(jī)械模具數(shù)控加工制造的首個(gè)流程是模具產(chǎn)品信息的確認(rèn)與核對(duì)。信息確認(rèn)包括從客戶(hù)方獲取到有技術(shù)人員和負(fù)責(zé)人簽字的圖紙，或得到客戶(hù)郵寄過(guò)來(lái)的樣品，通過(guò)測(cè)量樣品獲得一手的數(shù)據(jù)，此外，零件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖紙的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也可以遠(yuǎn)程獲取，但必須經(jīng)過(guò)對(duì)方確認(rèn)無(wú)誤。零件信息或圖紙信息必須準(zhǔn)確無(wú)誤，如果原始圖紙有錯(cuò)誤或測(cè)量信息有錯(cuò)誤，那么后續(xù)的一系列環(huán)節(jié)都沒(méi)有實(shí)際的意義。

確認(rèn)原始信息準(zhǔn)確無(wú)誤后，樣品和原始圖紙都會(huì)轉(zhuǎn)交到企業(yè)的技術(shù)部門(mén)重新二次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，形成符合本企業(yè)的制圖標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)。下發(fā)到生產(chǎn)部門(mén)的圖紙必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校對(duì)、審核和批準(zhǔn)流程，使圖紙和工藝標(biāo)準(zhǔn)處于可控狀態(tài)。工業(yè)制圖通常采用CAD制圖或CAXA制圖，有時(shí)模具制造會(huì)涉及到三維制圖軟件的使用。當(dāng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或工藝發(fā)生變更時(shí)，按照企業(yè)質(zhì)量體系的要求收回舊的文件，并增發(fā)新的文件。

數(shù)控加工中心的代碼程序由專(zhuān)業(yè)的編程人員編寫(xiě)，并通過(guò)培訓(xùn)等方式讓一線操作人員可以熟練掌握設(shè)備參數(shù)的設(shè)定和程序的調(diào)用。利用CAM系統(tǒng)能夠生成標(biāo)準(zhǔn)化的程序代碼，并且與主流的程序語(yǔ)言兼容。

加工模型和程序代碼確認(rèn)無(wú)誤后，可以基于這些程序進(jìn)行機(jī)械模具的加工制造。CAM系統(tǒng)提供了模具圖形數(shù)據(jù)的編輯功能，數(shù)控加工中心現(xiàn)場(chǎng)配有操作臺(tái)和數(shù)字顯示系統(tǒng)，能夠模擬出機(jī)械模具的三維圖像狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控模具產(chǎn)品的加工情況。輸入設(shè)定好的程序。模具數(shù)控加工系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，用于臨時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。CAM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬出模具加工的軌跡，實(shí)際加工過(guò)程中數(shù)控加工中心按照設(shè)定好的刀具軌跡路線，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)物的精確切割和打磨。

成品模具加工完成以后，先基于圖紙的各項(xiàng)參數(shù)檢驗(yàn)?zāi)＞叱善返木仁欠襁_(dá)標(biāo)，合格后再進(jìn)入小批量驗(yàn)證環(huán)節(jié)，如果加工的產(chǎn)品存在瑕疵和缺陷，還需要再對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)和完善，直到零件產(chǎn)品合格為止。

在未來(lái)，機(jī)械模具數(shù)控加工制造會(huì)繼續(xù)朝著自動(dòng)化和智能化的方向邁進(jìn)，同時(shí)加工效率也會(huì)得到進(jìn)一步提高。首先，在機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖方面，三維軟件會(huì)被更加普遍地采用，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)軟件相比，三維軟件圖能夠更直觀完整地展現(xiàn)出模具的狀態(tài)，并可以更準(zhǔn)確地監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)；其次，數(shù)控加工中心的自動(dòng)化程度和數(shù)字化程度會(huì)不斷提高，在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)推動(dòng)下，各種全新的軟件算法和仿生算法會(huì)被不斷地應(yīng)用到機(jī)械模具的加工制造中，提高模具產(chǎn)品的加工效率和加工精度；最后，機(jī)械模具數(shù)控加工中心的智能化水平也將不斷提高。人工智能化作業(yè)是未來(lái)機(jī)械制造和模具制造的發(fā)展趨勢(shì)，借助人工智能技術(shù)能夠讓數(shù)控加工中心控制精度和可靠性得到本質(zhì)上的提升。目前，中國(guó)機(jī)械加工行業(yè)已經(jīng)普遍采用了數(shù)控加工的方式，但在高精度機(jī)械模具制造方面與德國(guó)、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還有不小的差距。企業(yè)是技術(shù)創(chuàng)新的主體，而創(chuàng)新的關(guān)鍵在于人才的培養(yǎng)，在未來(lái)，企業(yè)應(yīng)做好人才的引入和儲(chǔ)備工作，重點(diǎn)培養(yǎng)有潛力的年輕人，鼓勵(lì)機(jī)械模具加工行業(yè)范圍內(nèi)的創(chuàng)新創(chuàng)造。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，數(shù)控加工制造是機(jī)械加工的最主要方式之一，在現(xiàn)代制造業(yè)中占據(jù)重要地位。對(duì)于機(jī)械模具加工而言，對(duì)加工精度和加工效率均有更高的要求，傳統(tǒng)基于手工或半自動(dòng)的加工方式無(wú)法滿足加工精度的需要，而傳統(tǒng)加工方式效率較低也會(huì)使企業(yè)喪失更多市場(chǎng)機(jī)遇。利用數(shù)控加工中心制造機(jī)械模具，首先，可以保證機(jī)械模具的加工精度，因?yàn)榧庸ぶ行牡挠布A(chǔ)和程序設(shè)計(jì)均較為完善，可以同時(shí)從多個(gè)軸向加工產(chǎn)品，保障加工結(jié)果滿足系統(tǒng)要求；其次，數(shù)控加工中心的加工制造效率，相對(duì)于傳統(tǒng)方式有較大幅度的提高，自動(dòng)化和智能化的作業(yè)方式無(wú)需人工參與，提升了機(jī)械模具產(chǎn)品加工的可靠性，也給機(jī)械模具加工企業(yè)帶來(lái)更多的市場(chǎng)機(jī)遇。