模具鑄造鑲塊的標準化制造

何軍，龔俊林

1.湖北工業職業技術學院 湖北十堰 442000

2.上海有助精密模具有限公司 上海 201139

1 序言

模具是定形、定值、精密、高效且經濟的生產工具，其發展水平體現了國家商品生產的發展程度，為加快商品上市，搶占市場先機，就必須縮短模具的生產周期。傳統模具是典型的單件生產，裝配主要采用修配，工作零件的互換性較差、生產周期較長。

模具的標準化有利于設計水平、質量和效率的提高，從而使模具生產由單件生產轉為成批、通用的專業化生產，降低生產成本，縮短制造周期。模具零件可分為結構零件和工藝零件，模具結構零件的標準在模具生產中已得到廣泛的推廣，裝配時調整少，甚至不調整，對于縮短制造周期、降低采購成本和提高模具質量，有著極大的促進作用。由于模具工藝零件的差異性大，裝配過程研配工作較復雜，所以對模具工藝零件制造的標準化研究可以將模具制造經驗進行總結和推廣，加速模具商品化進程，使得模具的流水線制造成為可能，為企業帶來巨大生產力。

2 原鑄造鑲塊制造工藝介紹

鑄造鑲塊在覆蓋件模具中廣泛應用于修邊、整形結構中，其數量大、形狀復雜，材料為空冷鋼（材料牌號7CrSiMnMoV，代號CH-1），該材料是一種以鑄代鍛的高碳低合金鋼，熱處理方式采用表面火焰淬火，淬火后硬度為50～55HBC，具有熱處理變形小的優點，在沖壓模具生產上應用廣泛。圖1所示為修邊鑲塊的典型結構，為了達到裝配和維護的要求，一般鑲塊長度L控制在300mm左右、質量＜20kg。

圖1 修邊鑲塊的典型結構

一套雙槽門板修邊模的鑲塊數量在100塊以上，為保證模具裝配精度，傳統制造工藝將鑲塊單獨完成底面銑削、磨削后，進行靠山面、結合面的精加工，再由鉗工研修底面和結合面，安裝在底板上合銑型面和輪廓。該工藝的主要弊端為：①生產組織上，底板加工完成后才能安裝鑲塊，最后在底板上合銑，不能做到制造過程中的并行生產，耽誤制造周期。②鑲塊裝配時鉗工研修工作量大，鑲塊拼裝質量取決于鉗工的經驗和技能水平。③占用了大型CNC數控加工時間，機床有等待時間，增加了制造成本。④由于鑲塊數量多，在鉗工拼裝時存在累計誤差，從而使得單件鑲塊的結合面、螺釘孔和銷孔偏差大，互換性差，更換時必須回原廠修配制造，加大了維護成本。

3 鑲塊標準化工藝研究

（1）鑲塊的標準化制造的難點 ①加工的工序內容多，不僅有型面、輪廓加工，還有結合面、靠山面、標識平面和孔加工等。②加工型面復雜，型面起伏大，對于不同區域需采用不同的加工策略。③毛坯不規則，毛坯余量不均勻，從而使得單件制造過程中耗費的裝夾、對刀時間長，對機床操作人員來說，頻繁的裝夾、換刀和程序調用，勞動強度加大，還增加了出錯的可能性。④對工藝編程人員的要求較高，編程人員不僅要掌握扎實的建模、刀具和編程知識，還需要有模具設計和裝配制造的工藝經驗。

（2）鑲塊標準化制造工藝方案 在提高單個鑲塊制造精度的前提下保證整體合模精度，雖然增加了鑲塊的制造成本，但可以有效地縮短工藝流程，減少工藝等待時間，將順序生產組織方式變為并行生產方式，改變模具單件配做制造理念，將鑲塊視為商品化制造產品來生產，保證了單個鑲塊的互換性，減少了維護等待時間，提升了后期服務滿意度，縮短了模具整體制造周期。

對比表1、表2的新舊加工方案可以看到，修邊模具鑲塊的工藝流程縮短，裝夾次數減少，加工集中化程度提高，減少了累計誤差，充分發揮了加工中心自動化、高精度的優勢，減少了手工出錯。采用新工藝方案的優點有：①制造過程自動化，采用加工中心單元，充分利用了加工中心刀庫高效自動換刀功能，一次裝夾即可完成粗、精加工，避免了基準轉換誤差。②制造工藝標準化，規定了鑲塊統一的裝夾定位方法，按標準工藝流程數控加工。③加工數據規范化，將鑲塊上產品制造信息（PMI）顯式表述，根據鑲塊功能、精度和工藝要求建立統一涂色標準。④數控編程模板化，制訂的標準工藝規則最終是靠數控程序來體現，為提高編程效率，規范程序質量，減少人為差錯，各個工序均采用標準的加工模板，實現數控程序的規范。

表1 修邊鑲塊原工藝方案

表2 修邊鑲塊新工藝方案

4 鑲塊標準化加工關鍵技術

（1）鑄造鑲塊快速裝夾工具開發 為保證鑲塊的加工效率和質量，確保工藝方案的順利實施，開發了以下快速裝夾工具：①用于快速定位的工藝安裝板（見圖2），在工藝安裝板上等距加工螺紋定位孔，將四周設計為可拆卸式的定位擋板，以適應鑲塊形狀的多樣性，便于調整及選擇合適的夾緊方式。②定位T形塊、定位銷及定位螺釘（見圖3），實現工藝安裝板與機床臺面、鑲塊與工藝安裝板、鑲塊與工藝鎖板的快捷安裝。③工藝鎖板（見圖4），用于廢料刀或熱處理后不需型面二次加工的鑲塊的快速定位，工藝鎖板背面設計有工藝槽，便于調整定位螺釘的距離尺寸。

圖2 工藝安裝板

圖3 定位T形塊、定位銷和定位螺釘

圖4 工藝鎖板

（2）快速裝夾工具的應用 如圖5所示，在機床工作臺上安裝定位T形塊，其位置由定位螺釘設定為加工所用的編程坐標系。待鑲塊在工藝安裝板上裝夾完成后，通過工藝安裝板底面的定位銷，可以將工藝安裝板精確定位到工作臺，實現加工坐標的自動找正。

圖5 工藝安裝板在機床工作臺上自動找正原理示意

工藝鎖板在工藝安裝板上自動找正原理如圖6所示，對于修邊模廢料刀或熱處理后只需輪廓加工的鑲塊，將鑲塊通過定位螺釘裝在工藝鎖板上，工藝鎖板通過定位銷安裝到工藝安裝板，實現了設備外的安裝，自動定位加工基準，從而實現了快速更換定位。

圖6 工藝鎖板在工藝安裝板上自動找正原理示意

（3）統一鑲塊編程原點、加工坐標系 加工坐標系是編程、加工的基準，根據不同的鑲塊類型，采用下面幾種方法確定編程坐標系（MCS）。

1）對于薄板件，設計時沒有靠山面，非加工面見光后坐標系設定如圖7所示。

2）對于有靠山面的鑲塊，加工前底面、靠山面到尺寸，加工坐標系設置如圖8所示。

3）凸模廢料刀位于修邊模下模，用于切斷廢料，一般無靠墻或只有單側靠墻（見圖9），毛坯面見光或靠山面到尺寸后，加工坐標系設置如圖10所示。

圖7 毛坯面坐標系設定

圖8 靠山面坐標系設定

圖9 料刀示意

圖10 料刀坐標系設定

（4）鑲塊數控編程模板開發 數控加工程序是數控加工工藝的具體體現，其展示了制造過程中刀具的選擇、刀軌的形式、走刀方式、對刀零點及機加工工藝參數的設置，程序的編制是整個加工任務的核心環節，數控程序的優劣決定了加工的質量和效率。為此規范了數控加工刀具的規格和加工方式。

1）為減少數控刀具的庫存，規范了加工刀具庫（見表3），將加工中心配置統一刀具參數的刀庫，同時在NX CAM中設置鑲塊加工刀庫，在更換刀具時自動加載轉速、進給率、步距與下刀量。

表3 加工中心刀具配置

2）規范鑲塊編程標準化程度，有利于實現鑲塊加工的標準化和自動化。經過初期加工驗證，得到了大量加工數據，包括加工幾何信息（平坦、陡峭）、加工方式（型腔銑、區域銑、等高銑）、刀具（球刀、立銑刀、飛刀）、切削參數（加工余量、轉速、進給、切削深度）和進刀方式（圓弧、直線）等。但模具鑲塊的個體差異性較大，很難找到加工共性，驗證過的制造工程準則必須通過繼承和集成才能規范標準的編程行為。為此開發了圖11所示的鑲塊編程模板，該模板不僅融合了專家工藝知識，還具有一定的開放性，提供了衍生數控編程知識的手段，拓寬了獲取工藝知識的途徑，編程人員還可以添加自己的模板，從而減輕編程的勞動強度，使編程人員的主要精力集中在鑲塊零件區域的規劃上，保證了數控程序的一致性。

圖11 鑲塊編程模板

5 鑲塊精度檢測

精加工后的鑲塊從圖12三坐標檢測報告中可以看到型面、輪廓偏差為0.02mm，銷孔孔位、孔徑偏差為0.01mm，滿足裝配要求。大幅減少了鉗工研配量，經驗證鑲塊備件可以滿足模具裝配互換性的要求。

圖12 三坐標檢測結果

6 結束語

通過近幾年來對鑄造鑲塊標準化加工工藝的不斷探索和改進，對提高制造精度、快速裝夾、提高加工效率和規范編程等問題的研究，使模具的流水線制造成為可能，形成了鑲塊標準化工藝流程，為后續鑲塊的自動化、無人化制造實現打下了基礎。