汽車側圍模具的數控加工制造

□ 李 超

上海大眾汽車有限公司 上海 201805

1 加工背景

數控機床五軸加工中心作為航空航天、模具、精密機械、軍工等行業的關鍵加工設備,為現代工業生產的發展奠定了基礎。沖壓模具是汽車制造過程中的關鍵裝備,占汽車制造過程中所需模具總量的2/3左右。如今,對沖壓模具自身結構強度、剛度、表面硬度、表面粗糙度、加工精度都有著越來越高的要求。對數控機床在制造模具進行正確合理使用,為機械加工的效率和精準度提供了有力支撐。

當前,根據數控機床的發展,數控加工技術以程序實現對模具的加工,對產品生產數據進行精準控制,在研發并交付高質量模具過程中承擔著越來越重要的作用。

在某車型側圍外板模具OP20新制項目中,受現有插銑刀長度條件限制,下模芯前后門框內導滑面無法加工,導致前后門洞壓料芯無法安裝到位,導滑面尺寸精度、表面質量無法達到驗收標準,需要緊急制訂優化措施。

2 方案分析

當前加工中心刀庫中的插銑刀無法滿足模芯內導滑面超程所需的深度,僅能滿足上下模架合模時導滑面的加工要求。當前情況如圖1所示。

圖1 當前情況

受項目采購周期時間限制,項目節點風險預警。經過對具體加工工藝進行深入分析,為確保加工質量,采用特殊加工工藝應對側圍模具加工,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。優點是可以安裝在模架中加工,整體性較好,根據模架三銷孔基準,加工尺寸偏差小。缺點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。優點是擺角度干涉情況少,干涉因素為平面。缺點是整體偏差比較大,需要在反面結構精加工時一步到位,翻身加工正面及裝配完成后位置偏移導致尺寸誤差大。

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

3 工藝參數

工藝參數的確定對加工質量的好壞起到至關重要的作用,對零件精度等方面有直接影響。由此,根據使用的刀具、加工的型面材料和要求,確定切削用量,并結合數控程序調試結果及加工實際決定工藝參數。合理的工藝參數能保數控機床運行安全,達到最佳工作狀態。

粗加工階段對加工材料中的加工余量大幅度切削去除,對加工對象表面質量要求相對較低,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上繼續進行精細化加工處理,對加工對象表面進行光滑加工處理,同時對部分殘留較多加工余量的邊角切削處理,一般使用刀具規格較粗加工階段小,為精加工預留均勻加工余量。經半精加工處理后,表面粗糙度Ra達到3.2～12.5 μm,軸向徑向切削深度不超過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應達到0.8～1 μm,軸向徑向切削深度則不超過0.3～0.5 mm。

4 實施過程

當前加工高精度模具已經廣泛使用五軸數控機床,五軸數控機床在自由曲面加工中體現出優越性。五軸數控機床可根據不同用途和功能分為正交與非正交兩種,擺角轉動原理如圖2所示。正交五軸數控機床擺角A的范圍在90°～100°之間。兩種數控機床的主軸機械結構完全不同,不同場景下的應用也有不同,在特定情況下基于不同結構可以解決不同問題。側圍模具內導滑面加工過程中,因位置極限需模擬不同角度及不同主軸的最優方案。

圖2 五軸數控機床擺角轉動原理

極限情況下,需要模擬各種角度加工的可行性,并逐一排除。對正交五軸數控機床進行分析,因為正交五軸數控機床涉及的擺角轉動原理相對簡單,所以對于加工精度要求較高的場合,首先使用正交五軸數控機床。

在充分考慮實際應用場景和加工條件的前提下,調整擺角A和擺角C。在包圍式結構內部加工,需要考慮各方向的干涉情況。正交五軸數控機床模擬干涉如圖3所示,考慮到干涉原因,排除使用正交五軸數控機床加工的可行性。

圖3 正交五軸數控機床模擬干涉

非正交五軸數控機床主軸不同于正交五軸數控機床,也可能同時帶來極限情況下同方位擺角切換的問題。目前編程軟件暫時沒有可以直接換算得出同方位擺角第二解的功能,需要手動通過計算完成。此求解過程可通過自行建模完成,根據非正交五軸數控機床主軸結構組成,編程軟件在計算非正交五軸數控機床角度時默認擺角方向存在非常明顯的干涉,同時在無其它更優解的情況下,通過非正交五軸數控機床同方位擺角角度換算關系,模擬主軸在同方位的第二解,可以為封閉結構內部加工提供可靠解決方案。具體方法為根據現有正交五軸數控機床擺角A、C,通過建模換算軟件換算出非正交五軸數控機床同方位擺角兩個解,如圖4所示。分別檢查主軸與結構的干涉情況,同時要注意非正交五軸數控機床擺角兩個解中的擺角C,根據相位差原理,減去90°方可使用。

圖4 非正交五軸數控機床擺角換算

非正交五軸數控機床擺角兩個解代入程序中,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 非正交五軸數控機床擺角適用解

圖6 非正交五軸數控機床擺角干涉解

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。排除正交五軸數控機床解決可能性,排除非正交五軸數控機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 生產效果

在某些特殊情況下,需要使用特殊工藝完成難點和重點工作,側圍模具的數控加工制造效果較好,導滑面測量報告如圖7所示。

圖7 導滑面測量報告

在編程過程中,考慮到導滑面尺寸精度、表面質量、垂直度等關鍵因素,在編程參數上做出一定優化,反復試驗粗精加工余量、步距、加工方式、進給等相關參數,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支持。

6 結束語

汽車模具在生產精度與生產質量方面的要求較高,僅僅使用一種加工工藝方案,有時難以確保達到生產質量要求。由此,數控編程時需要考慮多種加工工藝,包括工藝技術、數控加工仿真技術、計算機輔助制造技術、計算機輔助設計技術。借助不同數控加工工藝的優勢,可以保證或提升模具的生產精度和質量。

數控機床的合理運用及優化創新,是對傳統行業機械模具制造技術和質量突破的關鍵。數控技術正朝著高速化、高精度、多軸聯動、集成化、信息化的方向發展,只有不斷創新和改進,才能提高生產質量和效率。作為制造業工作人員,應充分意識到高精度數控機床及其技術給生產制造帶來的便利,不斷嘗試科學合理的方法運用數據機床,促進數控加工行業的穩定可持續發展。