汽車覆蓋件拉伸模高速加工技術的探討

劉 雄

上海賽科利汽車模具技術應用有限公司，上海汽車車身先進制造工程技術研究中心（上海 201209）

1 引言

國外的高速加工技術起源于20世紀90年代，經過不斷的優化升級，目前國外的高速加工技術已遙遙領先于國內，目前國外高速加工進給速度可達到20,000mm/min，相比于目前5,000mm/min的切削速度，效率要高3倍左右。盡管目前國外模具高速加工技術日趨成熟，但關鍵技術的公開報道并不多見，因此研究高速加工具有重要意義，本文就汽車覆蓋件拉伸模的高速加工技術進行探討。

2 白光測量技術在高速加工與編程中的應用

部分模具粗加工過程中由于刀片磨損、機床精度、現場操作等問題，導致型面精加工余量較大。部分模具淬火產生變形，型面精加工余量不均勻。為保證高速加工的安全和效率，利用白光測量設備對模具型面進行數據采集，利用Geomagic Studio軟件分析得出測量報告，可以直觀看出型面余量情況。圖1為某車型側圍拉伸模凸模粗加工后平面的白光測量報告，此產品料厚為0.65mm，上模基準，可以看出平面加工余量在-0.15～0.3mm。精加工時需要降刻0.15mm，避免部分型面精加工不出來，減少返工[1]。

圖1 側圍拉伸模凸模平面檢測結果

圖2 為凸模粗加工后側壁的白光測量報告，可以看出側壁加工余量在0.5mm左右，因此編程時先需要編制半精加工程序進行加工后，才能進行型面精加工。

圖2 側圍拉伸模凸模側壁檢測結果

3 高速加工刀具

3.1 熱套刀柄在高速加工中的應用

SNK機床高速加工D6～D12清根開始使用迷你接桿，拆裝不便，需轉3+2機床法向清根，加工效率和質量欠佳。因此試驗SRC熱套刀柄進行高速清根試驗，熱套刀柄為整體式刀柄，通過加熱方式安裝方便快捷，動平衡效果好，進給F和轉速S在試驗中不斷優化，最大達到迷你接桿的2倍。此類刀柄為錐形直徑較小，立軸清根深度明顯增加，能減少法向清根，每個工件能節省1.5h轉3+2機床的輔助工時。經驗證加工質量和效率后，比較結果如表1所示，SRC熱套刀柄加工優勢明顯，用SRC熱套刀柄代替迷你接桿。

表1 熱套刀柄與迷你接桿高速清根對比

3.2 建立高速加工熱套刀柄數據庫

根據試切優化的參數，在編程軟件WorkNC中建立SRC熱套刀柄（D6～D12）數據庫，圖3為D12的SRC熱套刀柄數據模型，數據模型中含有高速頭、刀柄及刀具直徑、刀長等參數，編程調用此模型可計算安全刀長，檢測刀把碰撞，確保程序安全，熱套刀柄數據庫的建立為后續開展高速加工與編程提供基礎。

圖3 熱套刀柄數據模型

4 高速加工參數優化

4.1 高速加工參數測試

精加工刀片、切削速度F、主軸轉速S等對模具加工的表面質量產生重要影響，需要研究得出適合的加工參數。在SNK4機床上選取3組參數進行高速加工試切，測試結果如表2所示。A試驗中刀片在精加工10h后，刀片為輕度磨損，可以用作半精加工刀片。B試驗中刀片在精加工12h后，刀片為輕微磨損，結合型面分區加工，單個刀片使用12h可滿足大部分汽車覆蓋件模具的加工時間，單條程序加工中無需更換刀片，減少接刀，能保證模具的表面質量。C試驗中刀片在精加工4.5h后，刀片側刃磨損嚴重，不能再使用。

表2 高速加工測試

從實驗結果來看，轉速S為10,500轉/min，進給F為8,000mm/min適合高速加工，刀片壽命達到最長，表面質量達到要求，因此確定B組試驗的F和S為高速加工參數。

4.2 外板高速加工試切

模具加工最關鍵的是保證A面的表面質量，精加工刀具、切削速度F、主軸轉速S、加工步距等對表面質量產生重要影響，其中精加工步距對外板A面質量尤為重要。而國內外模具制造企業由于各自的實際情況不同，型面精加工步距一般在0.3mm～0.5mm。為研究適合我司高速加工的參數，選取門外板拉伸模在SNK4機床上高速試切，分別試驗步距0.3mm、0.4mm和0.5mm進行測試，如表3所示。

表3 普通加工與3種步距高速精加工測試對比

通過高速加工試驗對比，3種步距精加工的加工效率提升情況如圖4所示，可以看出步距0.5mm時加工效率最高，但是拋光時間最長；步距0.3mm時拋光時間最短，但加工效率提升少。步距0.4mm時高速加工比普通加工效率提升了33%，模具加工后如圖5所示，表面光滑，質量顯著提高，拋光效提升了25%，綜合考慮數控加工設備和調試鉗工的工時和成本，步距為0.4mm時綜合效益最高，因此確定拉伸模A面精加工步距為0.4mm。

圖4 門外板拉伸凸模3種步距高速加工效率提升對比

圖5 高速加工的模具（步距0.4mm）

4.3 內板高速加工試切

4.3.1 高速加工清根分層

內板由于型面起伏大，V型槽和凹R較多，粗加工后余量大。圖6a所示為單刀清根刀路，由于單刀清根的計算原理不參考前一把刀的刀徑，如內板直接使用單刀清根高速加工，切削量大和切削速度快，易造成清根過切和刀具斷裂。為保證高速加工安全和加工質量，根據我司的編程工藝和加工刀具，對D16和D12的單刀清根刀路進行分層如圖6b所示，清根刀路分4層，每層層切量為0.4mm，可以保證每層切削量均勻，確保高速加工安全運行。

圖6 門內板清根刀路a——單刀清根刀路 b——分層清根刀路

4.3.2 內板高速加工試切

為測試內板高速加工的數據，研究了某車型的的前門內板左右件，左右門為對稱件，左門采用的普通加工如圖7a所示，右門試驗高速加工如圖7b所示。

表4為左右門加工數據，根據內板的表面質量要求，高速和普通精加工步距均為0.5mm，從表4中可看出左門加工工時為48.5h，右門高速加工工時為36.64h。

表4 前門內板左右件普通與高速加工對比

通過加工試驗對比，普通與高速加工效率提升如圖8所示，右門高速加工比左門普通加工效率提升了24%，表面質量滿足根據內板件模具要求，因此確定內板精加工步距為0.5mm，切削速度F為8,000mm/min，主軸轉速S為10,500轉/min。

圖8 前門內板左右件普通與高速加工效率

5 模具分區編程與加工技術

5.1 模具分區編程

分區編程主要是根據型面特征，質量要求將型面分區域，采取不同的加工策略和參數進行編程和加工。精加工程序分區及交刀位置直接影響模具表面質量，因此選擇合理的分區編程和交刀位置十分重要，從而避免因編程方式與加工問題使模具表面質量達不到技術要求而靠鉗工來修磨[2]。

用側圍外板來探討模具精加工的分區編程和交刀位置，考慮到平坦處與立壁處刀具的切削狀態是不一致的，平坦處刀具的切削點在球刀的刀尖點附近，而立壁處則是用球刀的側刃處切削，同樣的轉速側刃比刀尖點附近線速度要高很多，因此平坦區與側壁處的精加工程序需要分開[3]。

以某車型側圍拉伸模凸模分區編程和加工為例，分析側圍型面特點和產品質量要求，將側圍分為10個加工區域，根據產品A面、產品B面和工藝補充面的質量要求，采取不同的加工策略、加工參數和刀片使用情況如表5所示，編程分區和刀具路徑如圖9所示。

表5 某車型側圍分區加工策略與加工步距

圖9 某車型側圍拉伸模凸模編程分區和刀具路徑

本側圍分區編程和高速加工主要表現在以下幾方面：

（1）根據模具的形狀特征，采取不同的加工策略，將交刀控制在凸R或凹R處，交刀范圍控制在2mm之內，型面質量明顯提高，大大減少了后續調試鉗工的修磨工作量。

（2）根據側圍模具型面的區域功能和產品質量要求，優化加工策略和加工參數。產品A面表面質量要求高，采用投影精加工，步距為0.4mm，使用新刀片優先加工A面，后續其他型面以A面為基準進行接刀。細分產品B面的加工區域，步距為0.5mm，一般模具B面采取等高和最佳化精加工，在產品凹R根部出現點狀刀印，部分區域過切。側圍產品B面采用了3D沿面和投影精加工，有效的解決了凹R的點狀刀印問題，避免了過切。門洞區域采用3D沿面精加工，步距為0.6mm，根據模具型面功能，適當提高步距可提高加工效率。

（3）根據區域特征，大部分區域選擇3D沿面精加工，合理選取參考線，保證加工流暢和表面質量，避免產生拐線在型面留下刀痕。除此之外，3D沿面策略為環繞式或往復式刀路，減少了精加工抬刀過多的問題。

（4）根據測試得出的精加工刀片壽命一般有效使用時間為10h，因此A面區用一個新刀片，2個門洞區域用一個新刀片，其他區域用一個新刀片。

根據分區編程和高速加工，如圖10為某車型側圍拉伸模凸模在SNK4上高速加工，加工過程中跳刀、換刀和接刀減少，表面質量和加工效率顯著提高。

5.2 建立高速加工編程模板

為提高編程效率和程序質量，已逐步形成了門蓋、側圍、翼子板等汽車覆蓋件模具高速加工的編程規范和技術標準，建立了高速加工編程模板如圖11所示，通過制定編程模板，推進高速加工編程標準化，提高模具加工質量。

圖10 某車型側圍拉伸模凸模高速加工

圖11 高速加工編程模板

6 結束語

本文主要講述了利用白光測量技術檢測模具型面余量，為高速加工與編程提供參考，提高機床利用率和確保高速加工安全運行。優化高速加工刀具和加工參數，確定了適合我司高速加工的關鍵參數。應用刀具磨損和分區編程加工相結合技術，建立了汽車覆蓋件模具高速加工的編程規范和技術標準，推進高速加工和編程標準化，提高模具加工效率和質量。