汽車覆蓋件拉伸模高速加工技術(shù)的探討

劉 雄

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

1 引言

國外的高速加工技術(shù)起源于20世紀90年代，經(jīng)過不斷的優(yōu)化升級，目前國外的高速加工技術(shù)已遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)，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(shù)日趨成熟，但關(guān)鍵技術(shù)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(shù)進行探討。

2 白光測量技術(shù)在高速加工與編程中的應(yīng)用

部分模具粗加工過程中由于刀片磨損、機床精度、現(xiàn)場操作等問題，導(dǎo)致型面精加工余量較大。部分模具淬火產(chǎn)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(shè)備對模具型面進行數(shù)據(jù)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(cè)圍拉伸模凸模粗加工后平面的白光測量報告，此產(chǎn)品料厚為0.65mm，上模基準(zhǔn)，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(cè)圍拉伸模凸模平面檢測結(jié)果

圖2 為凸模粗加工后側(cè)壁的白光測量報告，可以看出側(cè)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(cè)圍拉伸模凸模側(cè)壁檢測結(jié)果

3 高速加工刀具

3.1 熱套刀柄在高速加工中的應(yīng)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(zhuǎn)3+2機床法向清根，加工效率和質(zhì)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(zhuǎn)速S在試驗中不斷優(yōu)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(jié)省1.5h轉(zhuǎn)3+2機床的輔助工時。經(jīng)驗證加工質(zhì)量和效率后，比較結(jié)果如表1所示，SRC熱套刀柄加工優(yōu)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(shù)據(jù)庫

根據(jù)試切優(yōu)化的參數(shù)，在編程軟件WorkNC中建立SRC熱套刀柄（D6～D12）數(shù)據(jù)庫，圖3為D12的SRC熱套刀柄數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型中含有高速頭、刀柄及刀具直徑、刀長等參數(shù)，編程調(diào)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(shù)據(jù)庫的建立為后續(xù)開展高速加工與編程提供基礎(chǔ)。

圖3 熱套刀柄數(shù)據(jù)模型

4 高速加工參數(shù)優(yōu)化

4.1 高速加工參數(shù)測試

精加工刀片、切削速度F、主軸轉(zhuǎn)速S等對模具加工的表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，需要研究得出適合的加工參數(shù)。在SNK4機床上選取3組參數(shù)進行高速加工試切，測試結(jié)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(jié)合型面分區(qū)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(zhì)量。C試驗中刀片在精加工4.5h后，刀片側(cè)刃磨損嚴重，不能再使用。

表2 高速加工測試

從實驗結(jié)果來看，轉(zhuǎn)速S為10,500轉(zhuǎn)/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(zhì)量達到要求，因此確定B組試驗的F和S為高速加工參數(shù)。

4.2 外板高速加工試切

模具加工最關(guān)鍵的是保證A面的表面質(zhì)量，精加工刀具、切削速度F、主軸轉(zhuǎn)速S、加工步距等對表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，其中精加工步距對外板A面質(zhì)量尤為重要。而國內(nèi)外模具制造企業(yè)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(shù)，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(zhì)量顯著提高，拋光效提升了25%，綜合考慮數(shù)控加工設(shè)備和調(diào)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(nèi)板高速加工試切

4.3.1 高速加工清根分層

內(nèi)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(nèi)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(zhì)量，根據(jù)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(nèi)板清根刀路a——單刀清根刀路 b——分層清根刀路

4.3.2 內(nèi)板高速加工試切

為測試內(nèi)板高速加工的數(shù)據(jù)，研究了某車型的的前門內(nèi)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(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)板的表面質(zhì)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(nèi)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(zhì)量滿足根據(jù)內(nèi)板件模具要求，因此確定內(nèi)板精加工步距為0.5mm，切削速度F為8,000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為10,500轉(zhuǎn)/min。

圖8 前門內(nèi)板左右件普通與高速加工效率

5 模具分區(qū)編程與加工技術(shù)

5.1 模具分區(qū)編程

分區(qū)編程主要是根據(jù)型面特征，質(zhì)量要求將型面分區(qū)域，采取不同的加工策略和參數(shù)進行編程和加工。精加工程序分區(qū)及交刀位置直接影響模具表面質(zhì)量，因此選擇合理的分區(qū)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(zhì)量達不到技術(shù)要求而靠鉗工來修磨[2]。

用側(cè)圍外板來探討模具精加工的分區(qū)編程和交刀位置，考慮到平坦處與立壁處刀具的切削狀態(tài)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(cè)刃處切削，同樣的轉(zhuǎn)速側(cè)刃比刀尖點附近線速度要高很多，因此平坦區(qū)與側(cè)壁處的精加工程序需要分開[3]。

以某車型側(cè)圍拉伸模凸模分區(qū)編程和加工為例，分析側(cè)圍型面特點和產(chǎn)品質(zhì)量要求，將側(cè)圍分為10個加工區(qū)域，根據(jù)產(chǎn)品A面、產(chǎn)品B面和工藝補充面的質(zhì)量要求，采取不同的加工策略、加工參數(shù)和刀片使用情況如表5所示，編程分區(qū)和刀具路徑如圖9所示。

表5 某車型側(cè)圍分區(qū)加工策略與加工步距

圖9 某車型側(cè)圍拉伸模凸模編程分區(qū)和刀具路徑

本側(cè)圍分區(qū)編程和高速加工主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）根據(jù)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(nèi)，型面質(zhì)量明顯提高，大大減少了后續(xù)調(diào)試鉗工的修磨工作量。

（2）根據(jù)側(cè)圍模具型面的區(qū)域功能和產(chǎn)品質(zhì)量要求，優(yōu)化加工策略和加工參數(shù)。產(chǎn)品A面表面質(zhì)量要求高，采用投影精加工，步距為0.4mm，使用新刀片優(yōu)先加工A面，后續(xù)其他型面以A面為基準(zhǔn)進行接刀。細分產(chǎn)品B面的加工區(qū)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(chǎn)品凹R根部出現(xiàn)點狀刀印，部分區(qū)域過切。側(cè)圍產(chǎn)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(qū)域采用3D沿面精加工，步距為0.6mm，根據(jù)模具型面功能，適當(dāng)提高步距可提高加工效率。

（3）根據(jù)區(qū)域特征，大部分區(qū)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(zhì)量，避免產(chǎn)生拐線在型面留下刀痕。除此之外，3D沿面策略為環(huán)繞式或往復(fù)式刀路，減少了精加工抬刀過多的問題。

（4）根據(jù)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(qū)用一個新刀片，2個門洞區(qū)域用一個新刀片，其他區(qū)域用一個新刀片。

根據(jù)分區(qū)編程和高速加工，如圖10為某車型側(cè)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(zhì)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(zhì)量，已逐步形成了門蓋、側(cè)圍、翼子板等汽車覆蓋件模具高速加工的編程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)化，提高模具加工質(zhì)量。

圖10 某車型側(cè)圍拉伸模凸模高速加工

圖11 高速加工編程模板

6 結(jié)束語

本文主要講述了利用白光測量技術(shù)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(yōu)化高速加工刀具和加工參數(shù)，確定了適合我司高速加工的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用刀具磨損和分區(qū)編程加工相結(jié)合技術(shù)，建立了汽車覆蓋件模具高速加工的編程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推進高速加工和編程標(biāo)準(zhǔn)化，提高模具加工效率和質(zhì)量。