提升高端模具和精密機(jī)械加工效率的方法

文德林，姚佳宏

桂林信息工程職業(yè)學(xué)院 廣西桂林 541805

1 序言

近年來(lái)，我國(guó)模具及機(jī)械制造行業(yè)高速發(fā)展，在國(guó)際市場(chǎng)上具有不可替代的地位，然而同發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定的差距。下面結(jié)合我國(guó)當(dāng)前模具及機(jī)械制造現(xiàn)狀，從5個(gè)方面闡述如何提升高端模具和精密機(jī)械制造的加工效率。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況，技術(shù)人員按照自己的設(shè)想，將產(chǎn)品的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好，各部件的裝配方式、裝配順序也比較合理，例如在設(shè)計(jì)汽車內(nèi)飾或航天工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)產(chǎn)品包括很多機(jī)械加工成品件、五金件和注塑件，五金件和注塑件牽涉到各種模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品固然好看，但是其模具制作不出來(lái)，或者模具產(chǎn)品分型線影響到產(chǎn)品的整體美觀度，達(dá)不到預(yù)期效果，并直接影響產(chǎn)品的加工效率和后序交貨周期。由此可見(jiàn)，企業(yè)做好前期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和裝配布局等工作，并且多方面綜合考慮各項(xiàng)生產(chǎn)因素，是提高模具和機(jī)械制造加工效率的前提條件。

3 機(jī)床布局與合理匹配

目前，仍有很多中小型企業(yè)使用老式數(shù)控機(jī)床或傳統(tǒng)普通機(jī)床，沒(méi)有對(duì)設(shè)備進(jìn)行改良升級(jí)。

圖1a、圖1b所示為某半導(dǎo)體芯片挑選機(jī)的一個(gè)重要零件——水晶棱鏡，材質(zhì)為2Cr13[1]。該零件需要多個(gè)工序才能完成所有加工內(nèi)容。零件結(jié)構(gòu)形狀呈對(duì)稱分布，各孔尺寸較小，只有φ1mm，且都是貫穿孔，加工時(shí)鉆頭極易斷裂，且加工區(qū)域?qū)挾戎挥?.28mm。

圖1 水晶棱鏡及夾具

技術(shù)人員在只有三軸數(shù)控加工中心、簡(jiǎn)易數(shù)控車床的情況下，因地制宜，編制出如下加工工藝：下料（φ20mm×20mm）→數(shù)控車削→CNC銑削4mm×15mm輪廓外形等→CNC銑削加工（鉆φ1mm、φ1.5mm孔，銑削1.65mm×1.65mm輪廓外形）→鉗工（鉆通各貫穿孔）。

該零件形狀看似簡(jiǎn)單，但每步加工操作都要結(jié)合上、下工序，確保零件不過(guò)切、裝夾不變形。軟件編程應(yīng)考慮銑刀刀具規(guī)格和加工工藝參數(shù)[2]，兩者必須合理匹配，才能確保零件尺寸、幾何公差和對(duì)稱度等技術(shù)要求。例如，在數(shù)控車削工序，φ1.5mm孔應(yīng)先不加工，而是留在后序CNC銑削工序加工，這樣可以避免裝夾變形。工序3 以φ3.18mm孔為中心定位基準(zhǔn)加工輪廓外形后，還須以φ3.18mm孔定位設(shè)計(jì)夾具。這里特別注意的是需要二次裝夾，裝夾位置為零件4mm寬度兩側(cè)面，其中夾具保證零件位置的對(duì)稱度，加工90°位置的1.65mm×1.65mm輪廓外形、表面及φ1mm孔。此外，夾具寬度尺寸應(yīng)比零件寬度小，這里設(shè)計(jì)為。夾具裝夾如圖1c所示。

粗、精加工采用φ0.8mm～φ1.0mm整體硬質(zhì)合金銑刀，加工時(shí)采用高轉(zhuǎn)速，匹配合適的背吃刀量及進(jìn)給速度。這里選取φ0.9mm硬質(zhì)合金銑刀，轉(zhuǎn)速n為8000～12000r/min，背吃刀量ap為0.05～0.15mm，進(jìn)給速度vf為40～80mm/min。

當(dāng)然，機(jī)床、刀具廠家不一樣，其加工參數(shù)會(huì)有所不同，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)。這里需要注意的是，在CNC銑削加工鉆孔工序時(shí)，不應(yīng)鉆通，這是因?yàn)榈毒咴诩庸へ灤┛孜恢脮r(shí)極易斷裂，所以由后序鉗工工序完成鉆出貫穿位置孔。

企業(yè)經(jīng)常會(huì)遇到類似多工序的復(fù)雜產(chǎn)品，如果加工過(guò)程中機(jī)床設(shè)備剛性不足、精度不足，振動(dòng)無(wú)法消除，則會(huì)加劇刀具磨損，崩口斷裂，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。如果遇到大型工件，企業(yè)又沒(méi)有大行程的機(jī)床設(shè)備，一次裝夾無(wú)法完成該工序全部加工內(nèi)容，必須進(jìn)行多次裝夾、找正，這樣會(huì)直接影響加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。技術(shù)人員在拿到一套完整的模具和機(jī)械產(chǎn)品圖樣時(shí)，應(yīng)全面審閱每個(gè)零部件，充分理解各零部件在該產(chǎn)品中的作用與性能，編制出零件的整體加工工藝，包括工裝夾具設(shè)計(jì)和輔助定位方法，在加工時(shí)才能更好地保證零件圖樣尺寸要求。整體規(guī)劃設(shè)計(jì)與工藝、合理布局機(jī)床，能有效提升高端模具及精密機(jī)械加工的效率和質(zhì)量。

4 標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)特制刀具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著數(shù)控加工中心的普及，由于大家普遍認(rèn)為可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)工件任意形狀的加工，而不是依靠刀具，因此不太需要非標(biāo)特制刀具。而事實(shí)上，特別是對(duì)于具有臺(tái)階孔的多工序大批量零部件加工，可采用復(fù)合鉆削、車削、內(nèi)孔加工及倒角加工等工藝。如圖2a所示的鑄鐵件產(chǎn)品，若按常規(guī)加工方法，至少需要經(jīng)過(guò)鉆削、鏜孔和倒角3個(gè)工序完成臺(tái)階孔的加工。而采用非標(biāo)特制PCBN復(fù)合式刀具（見(jiàn)圖2b），功效就能發(fā)揮到極致，一次性完成粗、精加工，倒角等多個(gè)工序。鉆削一次成形式非標(biāo)復(fù)合式刀具經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可靠性強(qiáng)，有效優(yōu)化了加工工藝流程。采用該類專用復(fù)合式刀具可滿足精密工件加工尺寸要求，同時(shí)減少工序，縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本。

圖2 鑄鐵件產(chǎn)品及多臺(tái)階鉆削一次成形式非標(biāo)復(fù)合式刀具

在高端模具、精密機(jī)械制造加工時(shí)，刀具的選用尤為重要，主要體現(xiàn)在應(yīng)根據(jù)工件的材料、形狀和工藝選擇標(biāo)準(zhǔn)刀具。如圖3a所示的汽車凹模精密模具，材料為Cr12MoV模具鋼，硬度為（58±2）HRC，加工輪廓為不規(guī)則的曲面，這里選擇對(duì)稱V形刀具刀柄和PCBN組合刀片[3]（見(jiàn)圖3b），以免加工過(guò)切工件曲面，從而保證尺寸精度。對(duì)于銑削加工，一般選擇通用性更強(qiáng)的刀具，但是必須考慮刀具的剛性和長(zhǎng)度，避免引起加工振動(dòng)，避免刀具撓曲變形。切削后的工件如圖3c所示。

圖3 汽車凹模精密模具、刀具及切削后的工件

5 數(shù)控編程CAM軟件一體化應(yīng)用

當(dāng)前，汽車領(lǐng)域的模具向集成化、大型化和復(fù)雜化方向發(fā)展。隨著五軸數(shù)控機(jī)床和高速加工新工藝的引入，對(duì)于高端精密模具，采用CAM軟件編程加工，能避免或減少人為因素的干擾，做到工件無(wú)過(guò)切、無(wú)碰撞。

在進(jìn)行模具或精密機(jī)械加工時(shí)，應(yīng)選擇合適的CAM軟件進(jìn)行編程，最好選用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同一款的軟件，這是比較完美的配合，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的產(chǎn)品形狀一旦更改，CAM軟件編程關(guān)聯(lián)的形狀、尺寸也跟隨更改，極為方便。如Pro/e軟件設(shè)計(jì)與加工是直接相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)設(shè)計(jì)人員改變產(chǎn)品形狀、尺寸時(shí)，Pro/e軟件編程跟隨自動(dòng)計(jì)算，無(wú)需轉(zhuǎn)換其他格式，省時(shí)省力。當(dāng)然，根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，如用其他版本的CAM軟件編程加工，當(dāng)設(shè)計(jì)人員改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)，編程人員需將更改設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為CAM編程軟件能接受的格式，才能編程加工。

隨著高端機(jī)床的普及與發(fā)展，工件加工完畢后，無(wú)需拆卸工件，就可在機(jī)床上直接通過(guò)機(jī)床測(cè)頭或其他先進(jìn)儀器自動(dòng)檢測(cè)出產(chǎn)品尺寸，如尺寸有偏差，只需在CAM軟件操作補(bǔ)差即可。數(shù)控編程CAM軟件的一體化應(yīng)用，能真正有效提高高端模具和精密機(jī)械制造的加工效率和質(zhì)量。

6 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持和售后技術(shù)服務(wù)

在國(guó)外，機(jī)床、刀具廠家對(duì)自己的員工都會(huì)進(jìn)行不定期的專業(yè)培訓(xùn)，他們帶著自己的專業(yè)技能去拜訪客戶，為客戶提供現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)支持和售后服務(wù)，同時(shí)不定期地給用戶進(jìn)行培訓(xùn)和技術(shù)交流，真正為用戶排憂解難。例如江蘇太倉(cāng)某大型德資企業(yè)，立式數(shù)控車床因員工操作失誤導(dǎo)致發(fā)生碰撞，無(wú)論如何維修調(diào)試，零件最終尺寸與圖樣尺寸總相差0.02～0.04mm，維修工程師現(xiàn)場(chǎng)打電話給德國(guó)技術(shù)總部，總部工程師通過(guò)電話一步一步地指導(dǎo)維修工程師操作，最終機(jī)床維修后達(dá)到了使用要求，保障了模具加工的順利進(jìn)行。由此可見(jiàn)，機(jī)床、刀具廠家做好現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持和售后技術(shù)服務(wù)，對(duì)于提高高端模具和精密機(jī)械制造的加工效率是十分必要的。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文從5個(gè)方面闡述了提升高端模具和精密機(jī)械加工效率的方法及應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、機(jī)床布局、刀具設(shè)計(jì)與選型、數(shù)控編程和技術(shù)支持等改進(jìn)措施，大幅提升加工效率。當(dāng)前，模具制造和精密機(jī)械加工正處于快速發(fā)展階段，應(yīng)充分發(fā)揮機(jī)床、軟件和工具等有效資源優(yōu)勢(shì)，在質(zhì)量上精益求精，在效率上有效提升。