模具電極排版設(shè)計(jì)及加工工藝的優(yōu)化與改進(jìn)

收稿日期：20240426

作者簡(jiǎn)介：胡光良，機(jī)電制造高級(jí)工程師、高級(jí)技師，主要從事模具機(jī)械工程方面的研究。

摘 要：對(duì)電極傳統(tǒng)裝夾及加工方法進(jìn)行分析研究，提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)載板整體排版的電極批量高效加工的方法和工藝。詳細(xì)介紹了電極排版設(shè)計(jì)的方法，NC程序串聯(lián)工具軟件的開發(fā)，以及各工序?qū)?yīng)的加工作業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)等。該電極排版設(shè)計(jì)和加工工藝可以實(shí)現(xiàn)機(jī)外操作，機(jī)內(nèi)加工，機(jī)床近乎處于全程零停機(jī)的高效率加工狀態(tài)，使電極CNC加工達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、成本最優(yōu)化，從而減少電極CNC加工對(duì)高技能操作人員的依賴，同時(shí)也能滿足高質(zhì)量的加工要求。實(shí)踐證明，該排版設(shè)計(jì)方法對(duì)電極批量加工操作可以化繁為簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)降本增效，具有實(shí)際指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)載板；模具電極；電極排版；CNC代碼串聯(lián)；電極池

中圖分類號(hào)：TG547

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimization and improvement of mold electrode layout design and processing technology

HU Guangliang "WANG lei "YAN Shengyi "ZHU Shaojun "YIN yinhui²

（1. Zhejiang Chankiang Automotive Electronics Co.， LTD， Wenzhou 325025， Zhejiang， China;

2. Zhejiang Jufeng Mould Base Co.， Ltd， Wenzhou 325025， Zhejiang， China）

Abstract： The traditional clamping and machining methods of electrodes are analyzed and researched， and a method and process for efficient batch machining of electrodes based on the overall layout of a standard carrier plate is proposed. The article describes in detail the method of electrode layout design， the development of NC program tandem tool software， and the corresponding machining requirements and standards for each process. The electrode layout design and machining process can realize off-machine operation， on-machine machining， and the machine tool is in the state of high efficiency machining with almost zero downtime， so that the electrode CNC machining achieves high efficiency， economy and cost optimization， thus reducing the dependence of the electrode CNC machining on the high-skilled operators， and at the same time meeting the requirements of high-quality machining. It has been proved by practice that this layout design method can simplify the electrode batch machining operation and realize cost reduction and efficiency， which has practical guidance significance and reference value.

Key words： standard carrier plate； mold electrode； electrode layout； CNC code in series； electrode pool

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)不斷加快技術(shù)改造步伐，信息化、自動(dòng)化、智能化貫穿于設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造和管理服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)成為制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。作為工業(yè)之母的模具行業(yè)肩負(fù)著承上啟下的作用，對(duì)模具工業(yè)的整體水平提出了更高要求，因此，模具行業(yè)一直受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度關(guān)注和重視^［1］。對(duì)于大多數(shù)模塑相關(guān)企業(yè)來(lái)說(shuō)，為了提前搶占市場(chǎng)，提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)占有率，在項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中留給模具加工制造的周期被不斷縮短，加之國(guó)內(nèi)人工成本大幅提升，同行業(yè)加工制造成本內(nèi)卷嚴(yán)重，造成模具利潤(rùn)空間被不斷壓縮。因此，通過(guò)優(yōu)化模具加工工藝，提升加工效率，降低加工成本是每家企業(yè)不得不考慮的降本增效舉措^［2］。

模具加工屬于模具開發(fā)制造過(guò)程中成本最高且重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，加工工藝的可行性、科學(xué)合理性以及加工效率的高低在某種程度上決定了加工的成本和質(zhì)量^［3］。而電極加工作為模具CNC加工的一部分，其顯著特點(diǎn)是數(shù)量多，結(jié)構(gòu)類型錯(cuò)綜復(fù)雜，由于種種外界因素和條件限制，導(dǎo)致電極加工通常采用單一類型結(jié)構(gòu)單件或小批量加工，因此，造成電極編程及CNC操作人員需進(jìn)行單獨(dú)排版和獨(dú)立加工，而該加工方式的多次裝夾、校正、對(duì)刀、換刀等造成停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，加工誤差大效率低^［4］，加工質(zhì)量較難保證等種種問題，最終導(dǎo)致模具制造成本高、周期長(zhǎng)，沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

本文介紹了一種批量高效加工電極的整體排版方式及工藝設(shè)計(jì)。隨著模具行業(yè)加工技術(shù)的不斷發(fā)展與探索，現(xiàn)有CNC加工普遍采用多電極整體排版加工，通過(guò)優(yōu)化加工方式和工藝方法，把多件電極排版成一件，多刀具加工優(yōu)化成單刀具加工^［5］，減少電極裝夾、校正、對(duì)刀等次數(shù)，以及刀具裝夾、換刀和停機(jī)時(shí)間，進(jìn)而大幅提升CNC加工效率，減少操作人員人工干預(yù)，提升加工質(zhì)量，降低加工成本，縮短加工周期^［6］。

1 電極排版設(shè)計(jì)

電極的設(shè)計(jì)及加工制造分為三大步，分別是關(guān)聯(lián)電極設(shè)計(jì)^［7］，電極編程以及CNC加工三道工序，形成一套完整的電極設(shè)計(jì)及加工制造標(biāo)準(zhǔn)流程，可以保證各工序高效完成。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)電極載板排版設(shè)計(jì)

如圖1所示，傳統(tǒng)的電極裝夾及加工一般采用虎鉗或?qū)Ｓ弥尉?，然后固定在機(jī)床上進(jìn)行校正、對(duì)刀、取數(shù)等，該裝夾方式要求電極坯料長(zhǎng)寬某一方向尺寸必須相同，否則多個(gè)電極無(wú)法同步裝夾進(jìn)行批量加工，導(dǎo)致每批次加工數(shù)量有限，加工效率較低，設(shè)備及人工利用不高，周期拉長(zhǎng)，成本增加。

如圖2所示，改進(jìn)優(yōu)化后的電極批量加工采用標(biāo)準(zhǔn)電極載板整體排版裝夾的方式進(jìn)行批量加工，該排版設(shè)計(jì)方法充分考慮到電極規(guī)格差異及裝夾方式對(duì)加工精度和效率的影響，采用帶基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)刻度載板和固定坐標(biāo)定位法裝夾電極，該裝夾方式高效快捷，不受電極規(guī)格差異限制，同時(shí)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電極載板可實(shí)現(xiàn)一板在機(jī)加工，一板下料檢測(cè)，一板裝夾排版，保證CNC機(jī)床高效加工零停機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)利用最大化。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

（1） 以車間機(jī)床的種類或工作臺(tái)大小定義電極載板長(zhǎng)寬規(guī)格，比如以北京精雕S400為例，定制400mm×500mm×30mm的標(biāo)準(zhǔn)載板，以50mm×62.5mm均分載板共計(jì)64均等區(qū)域，形成八橫八豎共64條經(jīng)緯線，交點(diǎn)為電極放置參考點(diǎn)。

（2） 以行為機(jī)床坐標(biāo)十位數(shù)字符，以列為機(jī)床坐標(biāo)個(gè)位數(shù)字符，在標(biāo)準(zhǔn)載板上定義64個(gè)固定坐標(biāo)原點(diǎn)。

（3） 在機(jī)床工作臺(tái)安裝專用固定直角鐵作為標(biāo)準(zhǔn)載板定義坐標(biāo)參考與裝夾基準(zhǔn)，并且每塊標(biāo)準(zhǔn)載板長(zhǎng)寬高方向需保證尺寸，各坐標(biāo)點(diǎn)位錄入CNC機(jī)床后形成固化參數(shù)，不再需要操作人員對(duì)機(jī)床進(jìn)行重復(fù)工件定位操作，實(shí)現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)裝夾代替手動(dòng)上料分中的煩瑣動(dòng)作。

（4） 為提升裝夾效率及便捷性，電極整體排版裝夾采用久而久牌金屬專用502膠水進(jìn)行固定，不僅拆裝方便，經(jīng)多次實(shí)踐驗(yàn)證，該方法既能保證裝夾精度及穩(wěn)定性，且拆裝成本相對(duì)較小。

1.2 電極開料編程及加工

為了提高加工效率，保證加工質(zhì)量，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極載板整體排版設(shè)計(jì)和加工可按如下要求操作。

（1） 要求電極按實(shí)際尺寸規(guī)格長(zhǎng)寬高雙邊+5mm的毛坯余量備料，且線下電極裝入載板前，操作人員需再次確認(rèn)電極毛坯尺寸；

（2） 電極編程時(shí)，如圖2所示，以電極左下角即第三象限基準(zhǔn)臺(tái)極點(diǎn)為電極單邊取數(shù)基準(zhǔn)，Z向坐標(biāo)取電極底部為0；

（3） 如圖3所示，先設(shè)計(jì)2mm毛坯掃面程序和掃面后頂部試刀程序，待此兩條程序加工完成后，即可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的程序加工。

（4） CNC操作員將下發(fā)電極程序單的多個(gè)待加工電極匯總成電極池，從電極池篩選尺寸規(guī)格相近的電極進(jìn)行裝載排版，實(shí)現(xiàn)板載容量最大化，再根據(jù)電極大小規(guī)格、結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況及程序單選用刀具規(guī)格，最后利用CNC刀具串聯(lián)工具軟件將待加工電極程序進(jìn)行串聯(lián)，按程序加工。

（5） 一臺(tái)機(jī)床可同時(shí)配備三個(gè)載板，實(shí)現(xiàn)一板在機(jī)加工，一板下機(jī)檢測(cè)，一板裝載排版待加工。

1.3 CNC刀具串聯(lián)工具軟件開發(fā)

多電極整體排版加工涉及各個(gè)電極程序的篩選和串聯(lián)合并，為了提高電極程序篩選和串聯(lián)合并的效率，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了CNC刀具串聯(lián)工具軟件，該程序軟件可實(shí)現(xiàn)待加工電極的所有程序快速串聯(lián)，并且按設(shè)定的條件可以更加自由靈活地進(jìn)行組合或同步加工，以滿足CNC機(jī)床加工效率最優(yōu)化^［8］，且該程序軟件能滿足上百條單獨(dú)程序批量合并，支持坐標(biāo)排序及單個(gè)工件加工。同時(shí)，為了減少機(jī)床加工中的換刀等待時(shí)間，支持刀具自主排序或者按照程序單自定義排序。圖4所示為CNC刀具串聯(lián)工具軟件功能界面介紹。

（1） 標(biāo)記①處由編程軟件鎖定機(jī)床類型并輸出CNC代碼格式，去掉源程序頭^［9］，軟件自動(dòng)加入帶有加工坐標(biāo)系與換刀行號(hào)的程序變量代碼。

（2） 標(biāo)記②處CNC刀具串聯(lián)工具軟件自動(dòng)去掉源子程序頭程序尾固定行號(hào)，軟件自動(dòng)加入帶有加工坐標(biāo)系與換刀行號(hào)的程序變量代碼以及銜接兩者之間的代碼程序。

（3） 標(biāo)記③處由CNC刀具串聯(lián)工具軟件自動(dòng)去掉源程序尾，軟件自動(dòng)加入取消補(bǔ)償，抬刀安全高度等輔助指令。

（4） 標(biāo)記④處對(duì)每種機(jī)型適配一種對(duì)應(yīng)配置方案，當(dāng)車間有多種機(jī)床代碼需要軟件銜接替代人為操作就可以靈活選擇，操作人員選擇不同的配置方案靈活串聯(lián)程序。

（5） 標(biāo)記⑤處為軟件根據(jù)文件路徑選擇CNC源程序。

（6） 標(biāo)記⑥處為輔助文件CNC代碼類型格式過(guò)濾。

（7） 標(biāo)記⑦處為批量選擇單一工件所有程序按照序號(hào)依次排序。

（8） 標(biāo)記⑧處為根據(jù)工件加工坐標(biāo)系批量右鍵更改加工坐標(biāo)。

（9） 標(biāo)記⑨處為根據(jù)當(dāng)前程序名稱內(nèi)容進(jìn)行刀具刀號(hào)的批量建立。

（10） 標(biāo)記⑩處為根據(jù)刀具直徑大小排序以方便刀號(hào)批量更改。

（11） 標(biāo)記B11處為根據(jù)建立刀號(hào)的加工順序排序避免人為頻繁換刀，實(shí)現(xiàn)一把刀具加工多個(gè)工件，標(biāo)記B12處為根據(jù)刀庫(kù)容量對(duì)程序選擇性合并。

（12） 標(biāo)記B13處為當(dāng)?shù)稁?kù)容量充足可以直接合并全部。

（13） 標(biāo)記B14處為快捷查看合并程序內(nèi)容。

2 電極排版加工

標(biāo)準(zhǔn)電極載板整體排版的加工操作步驟如圖5所示：

（1） 電極編程將程序單按照已有定義標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)至CNC車間，操作輔助人員按程序單將所有電極匯入電極池，然后根據(jù)電極池內(nèi)電極長(zhǎng)寬高規(guī)格以及電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分類，按要求裝入標(biāo)準(zhǔn)載板，此過(guò)程實(shí)現(xiàn)多變一，化繁為簡(jiǎn)，極大程度減少在機(jī)操作時(shí)間，提升加工效率。

（2） 排版完成后，操作師傅可依照線下電極排版位置，批量調(diào)入對(duì)應(yīng)電極程序，以電極載板標(biāo)定坐標(biāo)位置對(duì)電極程序進(jìn)行批量坐標(biāo)更改，刀號(hào)更改及程序串聯(lián)。

（3） 如圖6所示，輸出串聯(lián)后的加工程序單，程序單內(nèi)容包含程序名稱、刀具編號(hào)、刀具裝夾、刀頭名稱等加工內(nèi)容。先按程序掃面和程序試刀測(cè)試電極裝夾及坐標(biāo)定義的正確性，避免因裝夾錯(cuò)誤或程序坐標(biāo)定義問題而導(dǎo)致批量異常。

（4） 電極加工完成后，操作師傅確認(rèn)外觀無(wú)缺陷且在機(jī)檢測(cè)^［10］合格，即可將整板電極下料放置備檢測(cè)區(qū)，清理工作臺(tái)后，隨即裝入下一板待加工電極，調(diào)出串聯(lián)后的程序即可直接開機(jī)加工，已加工完成下機(jī)的電極由輔助人員按照要求流轉(zhuǎn)至下一工序。

3 電極整體排版的應(yīng)用效益

標(biāo)準(zhǔn)電極載板整體排版加工可以將電極裝夾、校數(shù)、分中、下機(jī)檢測(cè)等簡(jiǎn)單、重復(fù)、繁瑣的由CNC操作師傅完成的工作分解至白班CNC輔助人員，通過(guò)工藝改善可以實(shí)現(xiàn)原有一個(gè)操機(jī)師傅作業(yè)兩臺(tái)機(jī)器變?yōu)椴僮?～6臺(tái)機(jī)器，大幅提升人員利用效率，降低人工成本，且減少夜班人員的在機(jī)干預(yù)，提升電極加工效率和加工質(zhì)量。

（1） 輔助人員經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可按照要求裝夾電極，此方法可大幅減少操作工數(shù)量，降低人工成本。同時(shí)，線下裝夾電極可節(jié)省更多停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)床利用率。以圖1和2為例，通過(guò)虎鉗或治具裝夾電極的傳統(tǒng)加工方式裝夾校正分中一個(gè)電極按1min來(lái)計(jì)算，整版電極裝夾需要64min，而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)載板整體排版的方式直接將電極裝入定位坐標(biāo)即可開始加工，可節(jié)省約60min的時(shí)間用于機(jī)床加工，效率大幅提升^［1］。

（2） 原來(lái)在機(jī)分中分解為標(biāo)準(zhǔn)治具和固定基準(zhǔn)塊，以及固定加工編程標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而原有的加工方式電極來(lái)料需要試切分中4次以及頂部試切，一個(gè)電極建立定位坐標(biāo)按3min來(lái)計(jì)算，整版電極分中需要192min，而通過(guò)現(xiàn)有電極載板治具直接裝入定位坐標(biāo)即可節(jié)省180min時(shí)間用于機(jī)床加工。

（3） 原有的在機(jī)手動(dòng)串聯(lián)程序分解為通過(guò)線下軟件自動(dòng)串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。原始手動(dòng)串聯(lián)程序方式過(guò)于落后且人為出錯(cuò)率高，而現(xiàn)在讓自動(dòng)串聯(lián)程序軟件批量操作代替人為手動(dòng)串聯(lián)程序，既減少了人為出錯(cuò)概率又節(jié)省了較多的時(shí)間用于機(jī)床加工，方式也化繁為簡(jiǎn)、便捷高效，避免了人工手動(dòng)串聯(lián)程序因繁瑣易錯(cuò)而帶來(lái)的情緒煩躁等消極影響，一定程度上提升了員工工作積極性。

（4） 加工完成后，原有加工方式的電極需逐個(gè)拆卸。以表1為例，一個(gè)電極下料0.5min計(jì)算，整版電極下料需要32min，而通過(guò)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)載板加工的電極可整板下機(jī)，相比傳統(tǒng)方式可節(jié)省30min時(shí)間用于機(jī)床加工。

（5） 原有的加工方式每個(gè)電極需單獨(dú)刀具加工或者單個(gè)程序串聯(lián)加工，每個(gè)電極平均換刀4次，每次換刀15s，整板電極64個(gè)需64min，而通過(guò)自主開發(fā)串聯(lián)程序軟件和電極整板裝載加工的改善，可實(shí)現(xiàn)每把刀逐個(gè)加工完所有電極后再更換下一把刀具，整板64個(gè)電極按10種刀具型號(hào)計(jì)算，累計(jì)換刀時(shí)間150s，也即2.5min，加工64個(gè)電極可節(jié)省約61.5min的反復(fù)換刀時(shí)間。

（6） 原有虎鉗或治具裝夾的加工方式進(jìn)行小批量加工時(shí)對(duì)電極坯料外形尺寸有特殊要求，電極最大外形尺寸長(zhǎng)寬需有1處相同方可同步裝夾一起加工，否則只能單個(gè)電極裝夾單獨(dú)加工，效率極低，而通過(guò)整體排版裝夾的方式加工不受電極坯料最大外形尺寸限制，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同型號(hào)尺寸的電極整體裝夾，同步加工。

此類電極整體排版及加工方式批量生產(chǎn)性更強(qiáng)，原始虎鉗或治具裝夾的加工方式不僅每次加工電極數(shù)量有限，且需要全程停機(jī)在機(jī)操作，占用機(jī)床較長(zhǎng)時(shí)間，尤其夜班人員工作疲乏，效率較低，上下料、分中校數(shù)等重復(fù)繁瑣的操作耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，給企業(yè)加工資源帶來(lái)較大浪費(fèi)。如表1對(duì)比結(jié)果所示，采用標(biāo)準(zhǔn)載板裝夾相比傳統(tǒng)治具裝夾加工的方式可節(jié)約更多時(shí)間用于機(jī)床的加工，同時(shí)，電極排版裝夾的操作準(zhǔn)備工作可在白天由輔助人員完成，夜班操機(jī)師傅僅需快速上下電極載板按程序加工即可，這樣不僅可以釋放重復(fù)且繁瑣的人工操作，還可以讓電極批量加工更加高效快捷，成本耗費(fèi)下降約94.5%，性價(jià)比更高。

4 結(jié) 論

通過(guò)電極排版^［12］及裝夾方式的優(yōu)化，結(jié)合CNC刀具串聯(lián)程序軟件，現(xiàn)有的電極加工方式可實(shí)現(xiàn)機(jī)外裝夾、整板上料、機(jī)內(nèi)加工、整板下機(jī)、機(jī)外檢測(cè)，機(jī)床近乎全程處于零停機(jī)的高效率加工狀態(tài)，使得電極CNC加工達(dá)到了高效、經(jīng)濟(jì)、成本最優(yōu)化。該加工方式不僅減少了電極CNC加工對(duì)高技能操作人員的依賴，釋放工人作業(yè)強(qiáng)度，減小停機(jī)及換刀時(shí)間，同時(shí)還提高了機(jī)床加工效率和電極加工質(zhì)量，降低了人工成本。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該電極排版加工方式對(duì)電極批量設(shè)計(jì)排版及加工操作可以化繁為簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)降本增效，具有實(shí)際指導(dǎo)意義和較大借鑒價(jià)值。

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