先進數控加工技術在汽車覆蓋件模具中的應用

楊興，陳今孝，李慶豐

東風汽車公司技術中心 湖北武漢 430058

楊興

1 序言

隨著中國汽車市場競爭加劇，顧客對汽車模具的品質提出了更高的要求。通過對覆蓋件模具先進數控加工技術的深入研究，建立適合數控加工要素的綜合數據庫，保持機床的切削力相對恒定，可防止刀具的破損影響模具加工表面質量，并提高數控加工的效率，縮短模具的研配周期，提高覆蓋件模具品質，同時也為數控加工無人值守和自動化加工打下堅實的基礎。

2 覆蓋件模具數控加工切削參數庫的建立

外覆蓋件產品不僅對功能尺寸精度有嚴格的要求，而且對外觀質量也同樣要求嚴格。產品的棱線要清晰光順、紋路美觀，不允許有表面劃痕、細微的凹凸、波紋或不平整等外觀缺陷，另外沖壓成形過程中產生的沖壓痕跡、沖擊線、滑移線和皺紋等缺陷也不允許出現在重要的外觀表面上。因此，覆蓋件模具從數控加工粗加工開始就要避免過切和欠切現象的發生。過切不能滿足產品的質量要求，欠切會導致后期數控加工穩定性下降、刀具使用數量增加和數控效率低下等現象。數控加工切削參數庫的建立，是根據產品質量特點、公司的機床參數和數控加工刀具參數綜合歸納總結并形成數據庫使用的數據包。模具數控加工的粗加工階段，采用高進給刀具提升第一次粗加工效率，常用刀盤類銑刀、牛鼻刀；第二次粗加工常用整體硬質合金刀具和刀片式球頭銑刀，如圖1所示。

圖1 覆蓋件模具數控粗加工切削刀具

覆蓋件模具數控編程軟件切削參數數據庫如圖2所示。數控編程軟件采用UGNX12.0，在明確刀具材料性能和相關的加工參數、建立相應標準后，編程人員選擇相關的刀具，參數的使用會通過數據庫賦值到對應的數控程序代碼中。

圖2 覆蓋件模具數控編程軟件切削參數數據庫

3 自動控制數控加工進給的技術要求

傳統的數控加工參數中，加工過程中的進給在程序中是恒定值，不能根據切削加工負荷（加工余量大小、刀具切削接觸面積）進行進給速度的控制調節，即在加工切削力大的情況下不能及時減速，而在加工切削力小的情況下進給速度又不能自動調整提高，需要靠操作者人為調節控制進給速度。切削力變化較頻繁和余量大時不能增加刀軌，容易引起刀具的破損和加工過切，影響模具表面的加工質量，使得制件產生不可接受的外觀缺陷，如圖3所示。只能設定一個保守的進給速度，靠人為調節控制進給速度，且不能刪除多余的跳動，數控加工效率低下，增加修磨研配工作量，有些表面缺陷嚴重的必須要返工，并且不能滿足自動化加工、無人值守需求。

圖3 加工缺陷

3.1 自動控制數控加工進給的數控編程設定

在數控編程代碼優化軟件NCBrain的基礎上，根據覆蓋件模具數控加工生產實際情況，確定相關數控機床最佳轉速和進給參數，建立適合東風汽車公司數控加工要素的綜合數據庫，即數控高速加工中心和數控粗加工設備刀路優化數據庫（見圖4）。該數據庫可實現數控加工系統化，便于數控切削參數長期穩定使用，并可不斷完善。

圖4 刀路優化數據庫的建立

3.2 NC代碼二次后置處理的開發

通過數控加工NC代碼二次后置處理的開發，在程序代碼中加入了刀具類型、直徑、長度和余量等信息（見圖5），并在NCBrain軟件中進行相應的刀具、余量接受設置，實現了刀具信息和余量信息自動讀入優化軟件中的功能，避免了手工輸入出錯的幾率，為后續數控代碼優化提供必要的信息。

圖5 數控程序代碼增加參數信息

3.3 數控加工工件殘留毛坯的設置

對殘留毛坯進行數控加工刀路優化，設置泡沫模型的型面加工程序，在數控編程軟件中產生與鑄件相對應的初始毛坯，轉換成優化軟件可接受的數據格式。或根據需要在NCBrain優化軟件中直接用粗加工程序產生精加工的殘留毛坯（見圖6），選擇毛坯生成模塊，選擇粗加工代碼，選擇毛坯余量，自動生成隨型毛坯。

圖6 工件殘留毛坯的制作

3.4 數控優化軟件的使用

數控優化軟件能夠實現機床加工仿真、程序驗證以及程序進給優化。其優勢主要體現在以下幾個方面。

1）可用來確保數控加工程序里不會出現機床碰撞、工件過切或刀具折斷等錯誤。

2）免去在數控機床上驗證程序的過程，縮減機床加工輔助時間。

3）保護數控加工機床、零件和刀具。

4）可用于檢驗模具零件的各個加工尺寸是否正確。

5）優化數控程序，使加工效率更高，質量更穩定，可解決模具數控加工清根階段切削困難的問題。

6）能夠檢查整個數控加工過程并形成數控加工工藝文檔。

優化軟件使用后，軟件根據零件的質量標準自行判定軌跡和數模之間的切削殘留量，優化軟件在數控加工刀路中的應用如圖7所示。優化前的數控加工程序中，數控刀具軌跡為3條，零件的特征是標準的凹槽結構；優化后，增補了2條加工軌跡。增加的刀路有助于保證加工中切削力的恒定，工件的數控加工殘留高度進一步得到控制，保證了工件在數控加工過程中的穩定性。

圖7 優化軟件在數控加工刀路中的應用

數控加工過程中，根據不同區域，使用不同的進給速度是提高加工效率的有效手段。以往進給速度的調節是操作工現場手工完成的；經過軟件優化后，進給調節體現在數控程序代碼中，可自動設定進給并進行刀路優化，如圖8所示。通過優化軟件處理，保證了切削效能，同時合理解決了現場技術人員始終值守的狀態，為今后無人值守數控加工提供了穩定的保障。

圖8 自動進給設定和刀路優化示意

4 CBN數控球頭銑刀在覆蓋件模具中的使用

立方氮化硼CBN（Cubic Boron Nitride）是20世紀50年代首先由美國通用電氣（GE）公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，由于硬度僅次于金剛石而遠遠高于其他材料，因此與金剛石統稱為超硬材料。覆蓋件模具成形零件的材料多為合金鑄鐵，現階段CBN數控球頭銑刀在覆蓋件模具的使用范圍主要包括拉延模和整形模。

4.1 CBN數控球頭銑刀特點

1）具有很高的硬度和耐磨性。C B N單晶的顯微硬度為8000～9000H V，是目前已知的第二高硬度的物質，CBN復合片的硬度一般為3000～5000HV。

2）具有很高的熱穩定性和高溫硬度。C B N的耐熱性可達1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度。

3）具有較高的化學穩定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不產生氧化現象，與鐵系材料在1200～1300℃時也不發生化學反應。

4）具有良好的導熱性和較低的摩擦系數。

4.2 CBN數控球頭銑刀的實際應用

以G79項目整體側圍拉延模凹模型面精加工的使用為例，介紹CBN刀具使用情況。凹模半精加工完畢時的狀態如圖9所示，留精加工余量0.2mm，型面面積約6.14m2。精加工切削參數見表1。

圖9 覆蓋件拉延模凹模半精加工

數控程序留精加工量0.2mm，刀具廠商技術人員認為余量太大，經商定Z向抬高0.05mm加工；型面加工的順序是壓料面→側壁→型腔→門洞→兩門洞間區域。當加工到型腔底部時，由于局部半精加工的刀路痕跡不能消除，因此又降0.1mm重新加工壓料面、型腔；未加工的兩個門洞及門洞間區域的余量約0.25mm。過程如下。

表1 覆蓋件凹模精加工切削參數

1）切削余量0.15mm（連續切削22.5h）：程序留量0.2mm，加工時Z向抬高0.05mm，實際余量約0.15mm。連續加工壓料面、側壁和型腔。當型腔加工到底部時，半精加工的刀路痕跡未消除，加工中斷。

2）切削余量0.1mm（連續切削26h40min）：Z向降0.05mm（即在Z向抬高0.05mm的基礎上降0.1mm），實際余量約0.1mm，連續加工壓料面、側壁和型腔。

3）切削余量0.25m m（連續切削8h）：程序留量0.2mm，加工時Z向降0.05mm，實際余量0.25mm，連續加工兩個門洞及門洞間的型面。

4.3 CBN數控球頭銑刀切削效果確認

精加工完畢后，CBN刀具生產公司檢測了刀具磨損情況。檢測結果表明，刀片后刀面磨損最嚴重的位置，磨損量VBmax=0.553mm，結論為正常磨損。由于凹模的壓料面、側壁和型腔局部切削了兩遍，刀片雖然是正常磨損，但磨損量偏大。

CBN數控球頭銑刀的優勢主要包括：型面精加工效率高，轉速、進給速度達到機床許可的上限值；型面精加工表面質量好，比硬質合金刀具加工的表面更光亮）；型面精加工不需換刀，凸模、凹模型面都是一個刀片完成精加工，既節省了換刀時間，又避免了因換刀操作者手工接刀而造成的誤差、甚至缺陷，減輕了現場機床操作人員的勞動強度和鉗修蹭光的工作量。刀片使用后磨損量正常，但存在刃口、刀尖的崩刃現象，無法重磨再使用。

5 結束語

模具型面加工刀路優化技術的應用，提高了模具研配調試的效率和模具的表面質量，有效緩解了公司調試壓機的瓶頸壓力，并降低了模具的制造成本，節約了人力資源。特別是在日產、神龍及東風乘用車項目的整體側圍、成雙門外板、頂蓋和發動機罩多個零件的模具的試驗應用中，通過及時的現場跟蹤、信息反饋以及不斷優化的刀路切削數據庫，模具型面加工刀路優化技術的應用，成功提高了數控加工效率，提升了加工表面質量，縮短了模具的研配周期。不僅避免了模具數控加工表面質量不良的返工返修，減少了鉗工的研配量，而且在模具制造生產中發揮了巨大的作用，對實現模具加工精益生產起到了積極的促進作用。