汽車模具結(jié)構(gòu)加工性優(yōu)化方案的研究與應(yīng)用

收稿日期：20240508

作者簡(jiǎn)介：龐飛，工程師，主要從事汽車沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。

摘 要：為了提升汽車沖壓模具的加工性和可制造性，控制加工成本和生產(chǎn)周期，在模具設(shè)計(jì)階段，需要充分考慮所設(shè)計(jì)的模具的加工性。從設(shè)計(jì)階段降低加工工作量，提升模具可制造性和生產(chǎn)質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)影響沖壓模具加工性的因素進(jìn)行分析，總結(jié)出了一些常見(jiàn)的加工性差、難以加工的模具結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出改進(jìn)方法，并且對(duì)這些模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，得出了5條提升模具加工性的基本設(shè)計(jì)理念，以此指導(dǎo)汽車沖壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：沖壓模具；設(shè)計(jì)理念；加工性；數(shù)控銑削

中圖分類號(hào)：TG385.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and application of optimization scheme for machinability of automotive die structure

PANG Fei

（Chengdu Push Automobile ModICo.， Ltd， Chengdu 610100， Sichuan， China）

Abstract： In order to improve the processing and manufacturing of the stamping dies and control processing costs and production cycles， in the design stage of the die， the processability of the die is need to be fully considered.Reduce the processing workload from the design stage to improve the manufacturing and production quality of the die.By analyzing the factors that affect the processing characteristics of stamping dies， this article summarizes some common difficulty processing die structures. At the same time， improvement methods are proposed， and these design methods of die structures are summarized. At last， five basic design concepts of improving die processing is obtained， so as to guide the design of the structure of the stamping die.

Key words： stamping die； design concept； machinability； CNC milling

0 引 言

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，一部分源自于產(chǎn)品的形狀，更多的是由模具設(shè)計(jì)者運(yùn)用自己的空間思維能力來(lái)完成的。該部分模具結(jié)構(gòu)受設(shè)計(jì)者的理念以及所掌握的知識(shí)的限制和影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的效果大有不同。并因模具設(shè)計(jì)與模具加工兩個(gè)領(lǐng)域的差異大、專業(yè)性強(qiáng)，致使我國(guó)國(guó)內(nèi)模具企業(yè)基本將模具設(shè)計(jì)崗和模具加工編程崗獨(dú)立出來(lái)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)很多模具設(shè)計(jì)人員只懂模具設(shè)計(jì)，不懂模具加工，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的模具不盡合理。這些不合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，阻礙了模具的正常生產(chǎn)，致使模具結(jié)構(gòu)面銑削困難，銑削效率不高，銑削質(zhì)量差，損傷數(shù)控機(jī)床^［1］，甚至可能設(shè)計(jì)出無(wú)法加工的結(jié)構(gòu)，需要重新更改設(shè)計(jì)，更有甚者，造成報(bào)廢，既增加了成本也延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。隨著模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)模具行業(yè)提出了高效、精密、快速的要求，因此，更需要注重在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)其加工性的研究^［2］。

1 滿足工廠加工能力的設(shè)計(jì)

想要設(shè)計(jì)出優(yōu)良加工特性的模具結(jié)構(gòu)，首先我們需要把握工廠的加工能力，避免設(shè)計(jì)出超越工廠加工能力的模具結(jié)構(gòu)；前期發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)題，還可以重新修改設(shè)計(jì)，減少損失；如果鑄件已經(jīng)澆鑄，就有可能導(dǎo)致報(bào)廢，造成較大損失。把握模具工廠加工能力主要從以下3方面著手。

1.1 數(shù)控銑床加工極限尺寸

龍門數(shù)控銑床的工作臺(tái)沿著底座床身做縱向水平運(yùn)動(dòng)，形成了X軸運(yùn)動(dòng)；機(jī)床的滑座帶著主軸頭沿著橫梁做橫向水平運(yùn)動(dòng)，即為Y軸運(yùn)動(dòng)；滑枕與滑座相配合，帶動(dòng)主軸沿Z方向進(jìn)行移動(dòng)，由此形成了數(shù)控銑床主軸頭的XYZ 3個(gè)方向的基本運(yùn)動(dòng)^［3］，三個(gè)方向利用伺服電機(jī)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，而刀具是通過(guò)夾柄固定在主軸頭上，從而就實(shí)現(xiàn)了刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。因機(jī)床在XYZ 3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)距離是有限的，故每臺(tái)機(jī)床都有其在XYZ 3個(gè)方向上的加工極限尺寸。如果模具需要加工的尺寸超過(guò)了機(jī)床的加工極限尺寸，則無(wú)法一次裝夾加工，只能將模具分兩次甚至多次裝夾，多次定位找正加工，俗稱超行程加工。它是以降低效率和降低精度等級(jí)為代價(jià)的，不但增加了成本，降低了加工質(zhì)量，甚至讓操作也更復(fù)雜^［4］。模具設(shè)計(jì)尺寸超行程改進(jìn)示例如圖1所示。

1.2 數(shù)控銑床擺角度數(shù)

在汽車模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)出一些與Z軸不垂直的結(jié)構(gòu)面，比如到底標(biāo)記安裝孔、生產(chǎn)批次號(hào)刻印槽、側(cè)向修邊沖孔，以及一些斜楔機(jī)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)面都需要加工刀具擺一定角度才能加工^［5］。而模具廠的數(shù)控銑床不一定能夠擺出相應(yīng)的角度數(shù)，在機(jī)床擺角度數(shù)以外的結(jié)構(gòu)面，就可能無(wú)法加工，只能重新修改模具結(jié)構(gòu)。

銑床擺角主要有3種方式：（1）五軸聯(lián)動(dòng)銑床，可實(shí)現(xiàn)任意角度的擺角；（2）是一些“3+2軸”擺角銑床，一般為每5°或者每1°可調(diào)，使用這種機(jī)床加工，就需要盡量將模具結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)成整5°或者整1°，比如我司的OKMA 3+2軸數(shù)控銑床；（3）特殊角度頭進(jìn)行擺角加工^［6］，比如常用的側(cè)銑主軸頭，即是安裝在不能擺角的普通三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床上，利用側(cè)銑頭內(nèi)部的錐齒輪與斜齒輪的傳動(dòng)，將立式軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成水平軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)面加工^［7］。故模具結(jié)構(gòu)面盡量設(shè)計(jì)成上述角度才能夠被高效加工。帶角度的模具結(jié)構(gòu)面的設(shè)計(jì)改進(jìn)示例見(jiàn)圖3。

1.3 刀具加工極限深度

因?yàn)榈毒邉傂砸约笆軅?cè)向力會(huì)產(chǎn)生撓曲變形的特性，故而每一種類型的刀具都有長(zhǎng)度的限制。刀具直徑越大，則可以選擇更長(zhǎng)的刀具，可加工深度也越大；反之，刀具直徑越小，所能加工的極限深度就越小。如果所設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)的深度尺寸超過(guò)了公司的刀具允許加工的極限尺寸，則可能導(dǎo)致模具無(wú)法加工，輕則改動(dòng)模具結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，重則報(bào)廢。故在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，所需要加工的模具結(jié)構(gòu)面的深度，應(yīng)設(shè)計(jì)在相應(yīng)刀具的加工極限深度尺寸以內(nèi)。表1為我司常用銑刀的極限尺寸及其加工深度。

常見(jiàn)的一些超出刀具加工能力的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)示例，如圖4所示。

2 避免或減少小直徑刀具加工的設(shè)計(jì)

同一個(gè)模具結(jié)構(gòu)面可以采用不同直徑的刀具進(jìn)行加工，且在滿足機(jī)床剛性的前提下，加工刀具直徑越大，切削效率越高。

2.1 切削步距

銑削步距是指在同一層，刀具走完一條或一圈刀軌，再向未切削區(qū)域側(cè)移一恒定距離，這一恒定側(cè)移距離就是銑削步距，也稱銑削寬度。銑削步距和刀具直徑相關(guān)，刀具直徑越大，銑削步距可以設(shè)置越大，切削效率越高。所以在滿足機(jī)床剛性的前提下，應(yīng)該將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成采用大直徑刀具加工的結(jié)構(gòu)，提升切削步距，從而提升切削效率，如圖5所示。

2.2 每層切削深度（也稱背吃刀量）

每層切削深度（也稱背吃刀量）是指平行于銑刀軸向方向的切削層尺寸^［8］。一般模具加工面都是多層切削，每切完一層刀具沿軸向進(jìn)給一層，見(jiàn)圖5。刀具直徑越大，長(zhǎng)度越短；材質(zhì)越硬，刀具剛性越好，故每層切削深度也可以設(shè)置得更大。所以，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，盡量將其設(shè)計(jì)成可由大直徑的刀具加工的結(jié)構(gòu)，以提升每層切削深度，從而提升切削效率。常見(jiàn)的一些應(yīng)該改進(jìn)為大刀具加工的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的示例如圖6所示。

3 充分考慮鑄件偏差

在汽車模具的加工過(guò)程中，模具中相應(yīng)鑄件面的實(shí)際位置與理論位置的偏差，會(huì)導(dǎo)致加工量的變化，甚至是撞刀。鑄件面的位置偏差主要由鑄件的鑄造公差和加工時(shí)對(duì)鑄件的分中偏差造成。

3.1 鑄件尺寸公差

一般大型汽車沖壓模具的基座都是采用泡沫模型實(shí)型鑄造的方式獲得。泡沫實(shí)型鑄造因?yàn)槠涑尚驮硎怯筛邷叵碌囊簯B(tài)金屬冷卻降溫后凝固成型，故存在體積收縮的情況。大型鑄件在凝固過(guò)程中，它的各部分尺寸一般都會(huì)縮小，故目前國(guó)內(nèi)鑄造是將泡沫尺寸按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行略微放大，以控制冷卻后鑄件的尺寸偏差。所以在目前的生產(chǎn)工藝下，模具鑄件的尺寸與理論設(shè)計(jì)尺寸是有偏差的。而根據(jù)學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)若干熔模鑄造廠的產(chǎn)品調(diào)查，所生產(chǎn)的鑄件尺寸公差均可以控制在CT9階段，即對(duì)于5m長(zhǎng)的模具，尺寸偏差可以控制在7mm以內(nèi)^［9］。

3.2 加工分中偏差

在開(kāi)始對(duì)模具鑄件進(jìn)行第一刀加工前，通常需要對(duì)該鑄件進(jìn)行XY方向上的分中以及Z方向的找正，以保證在3個(gè)方向上模具毛坯的余量均勻，避免因鑄件偏差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)面沒(méi)有加工余量的后果。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，操作人員常采用巡邊器找模具輪廓上的非加工面進(jìn)行分中，而模具輪廓分中的實(shí)際偏差經(jīng)常是由所巡邊位置的毛坯的不對(duì)稱性^［10］以及操作人員手法造成的。而按照我司操作人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)偏差值通常在3mm以內(nèi)。

所以，數(shù)控加工時(shí)，所設(shè)計(jì)模具的結(jié)構(gòu)面的理論位置與實(shí)際位置的偏差，即是鑄件尺寸公差與加工分中偏差之和。根據(jù)以上分析，即5m以內(nèi)的模具，鑄件面的實(shí)際位置與理論位置的偏差通常能做到±10mm以內(nèi)。所以我們?cè)O(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)，加工面與非加工面之間盡量保證10mm距離。否則，可能需要先加工與刀具干涉的非加工面，再加工相應(yīng)加工面，顯著增加了加工成本。改進(jìn)案例如圖7所示。

4 其他提升加工性的設(shè)計(jì)理念

4.1 干涉避讓方式優(yōu)先設(shè)計(jì)成鑄件避讓

在模具的沖壓過(guò)程中，各運(yùn)動(dòng)部件的干涉會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)停止甚至撞擊損壞等嚴(yán)重后果。故在沖壓模具的設(shè)計(jì)中，必須避免各部件間的干涉。而當(dāng)前行業(yè)普遍采用的原則是將加工面間預(yù)留5mm間距，加工面與鑄件面間預(yù)留10mm間距，鑄件面之間預(yù)留20mm間距來(lái)進(jìn)行干涉避讓。這3種方式中的最后一種，沒(méi)有產(chǎn)生任何加工，是優(yōu)選方式。一些常見(jiàn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用鑄造避讓代替加工避讓的改進(jìn)示例如圖8所示。

4.2 優(yōu)先設(shè)計(jì)成立軸加工的結(jié)構(gòu)

因?yàn)榱⑤S加工比擺角加工使用的機(jī)床成本低，加工的效率高、質(zhì)量好，不影響機(jī)床精度，故能夠設(shè)計(jì)成立軸加工的結(jié)構(gòu)應(yīng)避免設(shè)計(jì)成擺角加工，才能提高生產(chǎn)效益，達(dá)到降本增效的目的^［11］。立軸加工代替擺角加工的設(shè)計(jì)改進(jìn)示例如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在汽車沖壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同沖壓零件所設(shè)計(jì)出的汽車模具，結(jié)構(gòu)都大相徑庭，各種不同的結(jié)構(gòu)的加工方式和難度也各有不同。然而把握好沖壓模具加工特性及改進(jìn)思路，即能夠設(shè)計(jì)出加工性優(yōu)良的模具結(jié)構(gòu)。本文介紹了提升沖壓模具加工性的5條基本設(shè)計(jì)理念，以及14條常見(jiàn)設(shè)計(jì)案例，能夠加強(qiáng)國(guó)內(nèi)模具設(shè)計(jì)人員對(duì)模具加工性的理解。

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