基于GF智能制造單元的批量瓶模加工工藝*

金漲軍，熊瑞斌，裘騰威，張 威

(寧波職業技術學院模具精密加工及智能制造應用研究中心，浙江 寧波 315800)

0 引言

模具是現代工業生產中的重要工藝裝備，模具的質量水平和生產效率是影響模具企業競爭力的核心因素[1]。模具質量水平主要受模具的設計水平、模具鋼材、熱處理以及加工工藝等因素制約，其中模具的加工工藝對模具質量和效率的影響最為顯著。文獻[2]以某汽車調溫器動模模芯生產為例，從加工設備、裝夾方式、數控工藝路線方面對模芯的加工工藝進行分析和優化，提高了動模型的加工效率。文獻[3]研究了石墨電極的結構特點和加工工藝，優化工藝措施和工藝路線，解決了石墨電極加工中的崩角問題。大部分的模具生產具有產品的多樣性和單一產品多工步、多工序的特點，主要采用一人一機的“單機孤島式”作業生產， 人工成本高，設備利用率低，極大地制約了生產效率[4]。近年來，隨著制造執行系統(MES)[5-6]、數字化檢測技術[7]、RFID技術[8]、工業機器人技術[9]、工業自動化技術[10]等的發展，智能制造技術、數字化工廠在模具企業得到了越來越多的應用[11]。文獻[12]將柔性制造系統用于模具鑲件的加工，采用快速夾具系統實現鑲件的裝夾、利用圖像識別技術實現加工坐標系的自動標定，可明顯提高汽車模具企業的加工效率,顯著減少現場操作人員并減少加工過程中的人為失誤,保證汽車模具生產周期的同時降低成本。因此，研究在智能制造模式下模具的生產制造工藝成為重要的課題。

作為模具的核心零件，模仁的加工效率是影響整副模具交付周期的關鍵因素。目前針對模仁零件的加工工藝研究主要針對單件生產，對于批量自動加工工藝的研究甚少。以GF智能制造單元為平臺，研究批量瓶身吹塑模具模仁的自動加工工藝，利用自動夾具、CMM檢測、工業機器人技術實現模仁的自動化生產，對于提高模具企業生產效率具有積極的意義。

1 GF智能制造單元介紹

GF智能制造單元是一種包含多種加工設備和管理軟件的敏捷制造柔性加工系統，基于統一加工基準可實現自主識別、自動定位裝夾鎖緊、自動裝卸工件、自動分配加工資源，從而縮短工序準備時間、提高機床工作效率、縮短零件加工周期、降低加工成本。

GF智能制造單元的加工設備包含3臺MILL E700U五軸加工中心、2臺HSM 500高速加工中心、1臺CUTE E350慢走絲機床和1臺FORM P350電火花機床，可分別實現模具模仁零件的銑削加工、電極零件銑削加工以及線切割(慢走絲)和放電加工；同時還搭配了1臺?？怂箍等鴺藴y量機用于檢測產品的尺寸精度；配置了1臺Transformer 機械手用于物流的自動搬運和上下料。本智能制造單元配置了1個4層的電極旋轉料庫，最多可存放120個電極料；配置了一個4層的模具工件料庫，可最多存放24個模仁料；此外還配置了1個工件清洗機和裝載站。GF智能制造單元的整體布局如圖1所示。

圖1 GF智能制造單元布局

GF智能制造單元由MES軟件(Cell Manage)進行管理；MES軟件一方面通過網絡將加工中心、三坐標測量機、工業機器人、電火花和慢走絲機床等設備連接在一起，另一方面通過PLC控制實現各個設備的自動化操作。通過MES軟件，用戶可實現訂單管理、工藝排程、設備監控、生產數據統計等功能。

2 塑料瓶身模具加工工藝分析

2.1 瓶身模具結構

塑料瓶模具是一套組合模具，共包括2個瓶身模具和1個瓶底模具，其中瓶身模具結構如圖2所示。瓶身模具是對稱的，兩個瓶身模具組合即可形成完整的塑料瓶身。瓶身模具型腔表面分布若干透氣孔，孔徑0.8 mm，垂直于型腔表面。模具不同面的加工精度和光潔度要求是不同的，通過不同的顏色進行標注管理。綠色面為模具零件的基準面，包括分型面和工藝基準面；紫色為第一精配面，尺寸公差為-0.005/-0.010；深紅色面為第二精配面，尺寸公差為-0.010/-0.020；灰色面為普通CNC面或一般要求面，滿足一般公差要求即可；棕色為第三粗配面，尺寸公差為+0.030/-0.030；高亮的濃棕色面為產品表面，要求為高光鏡面。

圖2 瓶身模具結構

2.2 加工工藝分析

模具采用航空鋁合金7075材料制造。7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強度高，遠勝于軟鋼，具有普通抗腐蝕性能、良好機械性能及陽極反應。為了進一步提高模具的耐腐蝕性和耐磨性，需要對7075鋁合金進行硬質陽極氧化處理。模具粗加工和半精加工安排在硬質陽極氧化之前，包括模具整體外形加工、模具型腔面加工。硬質陽極氧化處理時，模具輪廓尺寸會發生變形，因此精配面在半精加工后需留有足夠的精加工余量。陽極氧化處理完成后，對模具進行精加工，包括模具整體外形精加工、模具型腔面加工、模具精配面精加工、孔加工等，其中孔徑0.8 mm透氣孔需要采用5軸機床進行加工。銑削加工時，瓶身模具在瓶身底部平面作為裝夾基準平面，通過螺栓與夾具固定。

因此，塑料瓶身模具的加工工藝路線為：下料→精加工裝夾基準面→粗銑外柱面輪廓(普通CNC面)→粗銑型腔曲面→粗加工分型面→粗加工第一精配面→粗加工第二精配面→粗加工第三粗配面→硬質陽極氧化處理→精加工分型面→精加工第一精配面→精加工第二精配面→精加工第三粗配面→孔加工

2.3 加工工藝編制

在進行硬質陽極氧化前瓶身模具需要進行粗加工和半精加工，具體加工工序及相關參數如表1所示。由于硬質陽極氧化處理后，模具的尺寸會發生變化，因此在半精加工后要留有適當的余量。對于不同的加工面，余量要求不同：普通CNC面余量為0；分型面留余量0.1 mm；型腔面余量0.06 mm；第一精配面余量0.1 mm；第二精配面余量0.05 mm；第三粗配面余量0～0.1 mm。

表1 陽極氧化前加工工序和參數

模具精加工的具體加工工序及相關參數如表2所示。精加工時，第三粗配面可直接加工到余量0 mm，第二精配面直接加工到余量-0.015 mm。由于第一精配面具有很高的配合要求，在精加工時，需要首先加工到0余量處，然后需要通過三坐標測量實際尺寸，根據檢測結果對尺寸進行修配加工。

表2 陽極氧化后加工工序和參數

3 自動生產流程分析

3.1 工件定位與裝夾

本文所述塑料瓶模具是批量生產，首批訂單360副，后續訂單仍可達到300多副，總計600多副。因此，非常適合在GF智能制造單元實現模具的自動化生產。HEM E700U五軸加工中心，最大行程700 mm，完全可以滿足該模具的加工需求。為了防止五軸聯動加工時主軸、刀柄與T型臺干涉，以及自動化加工的需要，為該模具設計了一套專用夾具，如圖3所示。夾具底部通過螺栓固定在SYSTEM 3R夾具的托盤上，夾具頂部面為模具的安裝平面，模具和夾具之間也是通過螺栓連接。SYSTEM 3R夾具的重復定位精度為0.002 mm，符合模具的加工精度要求。

圖3 夾具結構

3.2 加工坐標系標定與尺寸檢測

式中，T3R機床是3R夾具基準在機床坐標下的位置，該值在3R夾具安裝在機床工作臺面后標定得到。

圖4 加工坐標系標定與尺寸檢測

在完成工件加工后，根據客戶要求，模具外輪廓最高點到分型面的距離(如圖4右圖)為檢測項，要求每件必檢，公差值為-0.005/0。

3.3 自動生產流程

GF智能制造的整個加工流程如圖5所示。第1步為準備工作，完成CNC加工程序、CMM測量程序的編制，完成機床以及刀具的準備。第2步為訂單的創建，需要完成工件的裝夾、在三坐標機上標定工件的加工坐標系、掃描工件RFID標簽，并且上傳工件的CNC代碼和自動測量程序。完成訂單后將坯料放入裝載站。第3步是自動加工。MES軟件根據當前訂單狀態、設備狀態、料庫狀態自動分配加工資源。通常的工作順序為：機器人取料放入料庫等待MES排單→MES下發加工任務→機器人上料→加工中心自動加工→機器人取件放回料庫→MES下發測量任務→機器人取件放入CMM→CMM自動測量→機器人取件放回料庫。如果檢測結果不符合公差要求，則進入返修加工；如果滿足公差要求，則該件加工結束。第4步是取出工件，操作人員通過MES軟件控制機器人將已經完成的工件放入裝載站，然后人工取出工件。

圖5 自動生產流程

4 瓶身模具加工實例

圖6所示為在GF智能制造單元上完成半精加工后的瓶身模具。圖中模具均采用自動化方式加工，加工設備可24小時連續工作，單個瓶模產品的生產周期由原來的6個多小時縮短為5小時，效率提升了近20%。GF智能制造單元包含3臺E700U五軸加工中心，每臺每天可加工4.8個產品，則整個單元一個月的產量可達432個。利用GF智能制造單元實現塑料瓶身模具的自動生產，大幅度降低了對一線操作人員數量和技能的要求，提高加工效率，降低人工成本。

圖6 半精加工后的瓶身模仁

5 總結

以塑料瓶身吹塑模具為例，對瓶模模仁在智能制造模式下的批量加工工藝進行分析，實現在GF智能制造單元上的自動加工和生產，主要內容包括：

(1)利用三坐標測量機和3R夾具系統，實現加工坐標系的自動標定和工件的自動裝夾。

(2)利用三坐標測量機和工業機器人，實現模仁零件在線檢測和自動返修。

(3)實現瓶身模仁的全自動化生產，加工效率相比于傳統單機作業模式提升20%。