汽車側(cè)圍模具的數(shù)控加工制造

□ 李 超

上海大眾汽車有限公司 上海 201805

1 加工背景

數(shù)控機(jī)床五軸加工中心作為航空航天、模具、精密機(jī)械、軍工等行業(yè)的關(guān)鍵加工設(shè)備,為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。沖壓模具是汽車制造過(guò)程中的關(guān)鍵裝備,占汽車制造過(guò)程中所需模具總量的2/3左右。如今,對(duì)沖壓模具自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、表面硬度、表面粗糙度、加工精度都有著越來(lái)越高的要求。對(duì)數(shù)控機(jī)床在制造模具進(jìn)行正確合理使用,為機(jī)械加工的效率和精準(zhǔn)度提供了有力支撐。

當(dāng)前,根據(jù)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展,數(shù)控加工技術(shù)以程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模具的加工,對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制,在研發(fā)并交付高質(zhì)量模具過(guò)程中承擔(dān)著越來(lái)越重要的作用。

在某車型側(cè)圍外板模具OP20新制項(xiàng)目中,受現(xiàn)有插銑刀長(zhǎng)度條件限制,下模芯前后門框內(nèi)導(dǎo)滑面無(wú)法加工,導(dǎo)致前后門洞壓料芯無(wú)法安裝到位,導(dǎo)滑面尺寸精度、表面質(zhì)量無(wú)法達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),需要緊急制訂優(yōu)化措施。

2 方案分析

當(dāng)前加工中心刀庫(kù)中的插銑刀無(wú)法滿足模芯內(nèi)導(dǎo)滑面超程所需的深度,僅能滿足上下模架合模時(shí)導(dǎo)滑面的加工要求。當(dāng)前情況如圖1所示。

圖1 當(dāng)前情況

受項(xiàng)目采購(gòu)周期時(shí)間限制,項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。經(jīng)過(guò)對(duì)具體加工工藝進(jìn)行深入分析,為確保加工質(zhì)量,采用特殊加工工藝應(yīng)對(duì)側(cè)圍模具加工,擬采取兩種方案。

方案一為模芯正面加工。使用球頭刀,擺角度加工。優(yōu)點(diǎn)是可以安裝在模架中加工,整體性較好,根據(jù)模架三銷孔基準(zhǔn),加工尺寸偏差小。缺點(diǎn)是不如插銑的垂直精度高,干涉因素為模芯型面。

方案二為模芯反面向上加工。使用球頭刀,擺角度加工。優(yōu)點(diǎn)是擺角度干涉情況少,干涉因素為平面。缺點(diǎn)是整體偏差比較大,需要在反面結(jié)構(gòu)精加工時(shí)一步到位,翻身加工正面及裝配完成后位置偏移導(dǎo)致尺寸誤差大。

綜合分析評(píng)判后,建議按照方案一實(shí)施加工,可以保證側(cè)圍模具加工精度在可控范圍內(nèi),同時(shí)方案一需要充分考慮干涉因素和精確計(jì)算擺角角度。

3 工藝參數(shù)

工藝參數(shù)的確定對(duì)加工質(zhì)量的好壞起到至關(guān)重要的作用,對(duì)零件精度等方面有直接影響。由此,根據(jù)使用的刀具、加工的型面材料和要求,確定切削用量,并結(jié)合數(shù)控程序調(diào)試結(jié)果及加工實(shí)際決定工藝參數(shù)。合理的工藝參數(shù)能保數(shù)控機(jī)床運(yùn)行安全,達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

粗加工階段對(duì)加工材料中的加工余量大幅度切削去除,對(duì)加工對(duì)象表面質(zhì)量要求相對(duì)較低,一般情況下表面粗糙度Ra要求為12.5～25 μm,切削深度為3～6 mm,留半精加工余量1～2 mm。

半精加工階段在粗加工基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行精細(xì)化加工處理,對(duì)加工對(duì)象表面進(jìn)行光滑加工處理,同時(shí)對(duì)部分殘留較多加工余量的邊角切削處理,一般使用刀具規(guī)格較粗加工階段小,為精加工預(yù)留均勻加工余量。經(jīng)半精加工處理后,表面粗糙度Ra達(dá)到3.2～12.5 μm,軸向徑向切削深度不超過(guò)1.5～2 mm,留精加工余量0.3～0.5 mm。

在精加工階段,需要保證達(dá)到加工圖紙要求的尺寸精度和表面粗糙度要求。表面粗糙度Ra應(yīng)達(dá)到0.8～1 μm,軸向徑向切削深度則不超過(guò)0.3～0.5 mm。

4 實(shí)施過(guò)程

當(dāng)前加工高精度模具已經(jīng)廣泛使用五軸數(shù)控機(jī)床,五軸數(shù)控機(jī)床在自由曲面加工中體現(xiàn)出優(yōu)越性。五軸數(shù)控機(jī)床可根據(jù)不同用途和功能分為正交與非正交兩種,擺角轉(zhuǎn)動(dòng)原理如圖2所示。正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角A的范圍在90°～100°之間。兩種數(shù)控機(jī)床的主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)完全不同,不同場(chǎng)景下的應(yīng)用也有不同,在特定情況下基于不同結(jié)構(gòu)可以解決不同問(wèn)題。側(cè)圍模具內(nèi)導(dǎo)滑面加工過(guò)程中,因位置極限需模擬不同角度及不同主軸的最優(yōu)方案。

圖2 五軸數(shù)控機(jī)床擺角轉(zhuǎn)動(dòng)原理

極限情況下,需要模擬各種角度加工的可行性,并逐一排除。對(duì)正交五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行分析,因?yàn)檎晃遢S數(shù)控機(jī)床涉及的擺角轉(zhuǎn)動(dòng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單,所以對(duì)于加工精度要求較高的場(chǎng)合,首先使用正交五軸數(shù)控機(jī)床。

在充分考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和加工條件的前提下,調(diào)整擺角A和擺角C。在包圍式結(jié)構(gòu)內(nèi)部加工,需要考慮各方向的干涉情況。正交五軸數(shù)控機(jī)床模擬干涉如圖3所示,考慮到干涉原因,排除使用正交五軸數(shù)控機(jī)床加工的可行性。

圖3 正交五軸數(shù)控機(jī)床模擬干涉

非正交五軸數(shù)控機(jī)床主軸不同于正交五軸數(shù)控機(jī)床,也可能同時(shí)帶來(lái)極限情況下同方位擺角切換的問(wèn)題。目前編程軟件暫時(shí)沒(méi)有可以直接換算得出同方位擺角第二解的功能,需要手動(dòng)通過(guò)計(jì)算完成。此求解過(guò)程可通過(guò)自行建模完成,根據(jù)非正交五軸數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)組成,編程軟件在計(jì)算非正交五軸數(shù)控機(jī)床角度時(shí)默認(rèn)擺角方向存在非常明顯的干涉,同時(shí)在無(wú)其它更優(yōu)解的情況下,通過(guò)非正交五軸數(shù)控機(jī)床同方位擺角角度換算關(guān)系,模擬主軸在同方位的第二解,可以為封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部加工提供可靠解決方案。具體方法為根據(jù)現(xiàn)有正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角A、C,通過(guò)建模換算軟件換算出非正交五軸數(shù)控機(jī)床同方位擺角兩個(gè)解,如圖4所示。分別檢查主軸與結(jié)構(gòu)的干涉情況,同時(shí)要注意非正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角兩個(gè)解中的擺角C,根據(jù)相位差原理,減去90°方可使用。

圖4 非正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角換算

非正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角兩個(gè)解代入程序中,模擬顯示干涉情況,第一解適用,第二解干涉。適用解如圖5所示,干涉解如圖6所示。

圖5 非正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角適用解

圖6 非正交五軸數(shù)控機(jī)床擺角干涉解

擺角A為310°,擺角C為19.498°,與模芯存在干涉。擺角A為49.999°,擺角C為163°,不存在干涉,可以作為解決方案中的最終解使用。排除正交五軸數(shù)控機(jī)床解決可能性,排除非正交五軸數(shù)控機(jī)床同方位擺角不可使用解,留下唯一解,即為最終解決方案。

5 生產(chǎn)效果

在某些特殊情況下,需要使用特殊工藝完成難點(diǎn)和重點(diǎn)工作,側(cè)圍模具的數(shù)控加工制造效果較好,導(dǎo)滑面測(cè)量報(bào)告如圖7所示。

圖7 導(dǎo)滑面測(cè)量報(bào)告

在編程過(guò)程中,考慮到導(dǎo)滑面尺寸精度、表面質(zhì)量、垂直度等關(guān)鍵因素,在編程參數(shù)上做出一定優(yōu)化,反復(fù)試驗(yàn)粗精加工余量、步距、加工方式、進(jìn)給等相關(guān)參數(shù),最終完成情況比較理想,為今后類似模具的加工提供了可靠的技術(shù)支持。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車模具在生產(chǎn)精度與生產(chǎn)質(zhì)量方面的要求較高,僅僅使用一種加工工藝方案,有時(shí)難以確保達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量要求。由此,數(shù)控編程時(shí)需要考慮多種加工工藝,包括工藝技術(shù)、數(shù)控加工仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。借助不同數(shù)控加工工藝的優(yōu)勢(shì),可以保證或提升模具的生產(chǎn)精度和質(zhì)量。

數(shù)控機(jī)床的合理運(yùn)用及優(yōu)化創(chuàng)新,是對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)機(jī)械模具制造技術(shù)和質(zhì)量突破的關(guān)鍵。數(shù)控技術(shù)正朝著高速化、高精度、多軸聯(lián)動(dòng)、集成化、信息化的方向發(fā)展,只有不斷創(chuàng)新和改進(jìn),才能提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。作為制造業(yè)工作人員,應(yīng)充分意識(shí)到高精度數(shù)控機(jī)床及其技術(shù)給生產(chǎn)制造帶來(lái)的便利,不斷嘗試科學(xué)合理的方法運(yùn)用數(shù)據(jù)機(jī)床,促進(jìn)數(shù)控加工行業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。