基于柔性生產線的鋁擠壓模具的加工

溫家亮，王春曉，高萬里

叢林鋁業科技（山東）有限責任公司 山東龍口 265700

1 序言

近年來，數控技術在鋁擠壓模具制造中得到了廣泛應用，在用三軸普通立式數控銑床進行模具的粗銑加工工序時，模具的裝卸件、人工翻件及重復找正等過程占據了非加工時間，使機床不能達到穩定的連續性加工狀態。同時，隨著鋁加工技術的不斷進步，高規格復雜斷面鋁型材越來越多，鋁擠壓模具構造也趨于復雜化，尤其是分流模的上模入口處的分流洞中往往存在三軸加工不到位的盲區，這就需要轉至電火花工序，根據其三維模型得到對應盲區部位的電極，進行電火花放電加工，加工周期長。鋁擠壓模具加工包含數控加工、線切割、電火花和熱處理等工序，由于模具80%～90%的切削余量都是由數控加工工序完成，因此熱處理前的數控粗加工工序的加工效率就尤為重要[1-3]。

我公司采用定制的柔性生產線，利用hyperMILL編程軟件，并對模具熱處理前的粗加工工序進行優化，調整部分加工工序，解決鋁擠壓模具在生產加工中存在的上述問題。模具在裝載臺經過一次裝夾，可完成不同類型模具的連續加工，加工過程中無需人工干預，實現一人多機管理模式，在有效提升機床利用率的同時營造了安全便捷的工作環境。

2 柔性生產線布置

公司引進的鋁擠壓模具柔性生產線采用的是芬蘭Fastems法斯頓柔性加工系統，此系統是根據公司模具制造生產需求而定制，根據選定的機床設備，利用模塊化架構和交換式托盤模式來滿足生產需求，具體由自動加工系統、物流系統和控制系統等組成。柔性生產線平面布置如圖1所示，三維模型如圖2所示。

圖1 柔性生產線平面布置

圖2 柔性生產線三維模型

柔性生產線的自動加工系統包括3臺型號為DMC100H的臥式加工中心，1臺型號為DMC125FD的五軸車銑復合加工中心，主要加工外圓直徑398～700mm的鋁擠壓模具。DMC100H臥式加工中心和DMC125FD五軸車銑復合加工中心都具備兩體回轉工作臺，其快速托盤交換裝置可以在8s內將一個新的模坯置于準備位置，最大程度地縮短了模具裝卸件的非加工時間，且加工精度高，動態性能好。機床系統為SEIMENS 840D數控系統，其提供了CYCLE800固定循環程序，在編制程序時只需在工單中設定一個工件坐標系，即可實現工件參考坐標系的連續性轉換，在實際加工中只需要一次裝夾模具。

柔性生產線采用Fastems系統的物流系統，其由裝載臺、托盤架和堆垛升降機等器件組成，可以完成模具的儲存與傳送，是柔性生產線重要的組成部分。高效能堆垛升降機（見圖3）能確保在系統中迅速運輸載有模具的托盤，使機床操作者無需等待，堆垛升降機進行叉模作業如圖4所示。1個堆垛升降機為2個裝載臺和4臺機床服務，同時配備了載有18個專用臥式夾具的托盤和4個立式自定心卡盤托盤。一旦物流系統出現故障，不能實現模具的運輸，就會極大地制約數控機床的加工能力。

圖3 堆垛升降機

圖4 堆垛升降機進行叉模作業

柔性生產線采用的Fastems MMS信息控制系統是一個獨立的開放系統，可以對加工和運輸過程中所需的各種信息進行收集、處理及反饋，包括倉儲庫存、夾具、NC程序的傳遞、刀具監測和主軸功率等。裝載臺操作面板主界面（見圖5）采用人性化的互動觸屏，工人可以實時查看并確認加工訂單的作業安排和各設備的狀態，以便做出對應排產和機床的維修保養等工作，其中紅色代表設備或系統故障報警，綠色代表設備或系統運行正常，黃色代表設備或系統處于空載狀態，藍色代表設備或系統處于半自動操作狀態，灰色代表設備或系統處于維修保養狀態。System 1為堆垛升降機運載托盤狀態系統，System 2為主控制臺運行狀態。1號裝載臺為3臺臥式加工中心服務，2號裝載臺為五軸車銑復合加工中心服務。對刀具壽命的管理以刀具使用的時間閾值作為評定標準[4]，采用機床的G0功能實現，對不同規格的刀具設定相應的固定加工時間作為壽命周期。當刀具正常切削磨損達到設定的安全閾值時，通過程序中的G0 Z抬刀指令進行刀具壽命周期檢查和刀具更換。刀庫內配備不同規格的牛鼻刀、平底刀、T形刀、錐銑刀、螺紋銑刀、球刀及鉆頭等刀具，同一規格的銑刀各配置2把，在加工過程中根據加工時間自動換刀。

圖5 裝載臺操作面板主界面

模具加工時，工人將粗車完成后的模坯通過裝載臺裝夾在對應規格托盤的專用夾具上，并儲存于托盤架上，夾具的待裝模狀態如圖6所示。根據生產計劃將生產訂單在裝載臺操作面板處下達，堆垛升降機將載有模坯的相應托盤運送至臥式加工中心進行生產加工作業，再由主控制臺的信息控制系統將待加工的NC程序傳輸至相應機床進行自動加工。模具加工完成后，堆垛升降機將載有加工好的模具的托盤輸送至倉儲庫，等待工人在1號裝載臺按序卸載模具，整個加工過程不需要人工干預機床和刀具。如果已在臥式加工中心加工完成分流模下模、模墊、平模和導向，卸載后可周轉到下一道工序。分流模上模在1號裝載臺卸載后，再經2號裝載臺進行立式裝夾，通過堆垛升降機將載有分流模上模的自定心卡盤輸送至五軸車銑復合機床，進行五軸定位加工，加工完成后方可卸載進行周轉。

圖6 臥式夾具托盤置于裝載臺待裝模

3 hyperMILL軟件編程

柔性生產線的程序包含主程序、自動找正程序和NC加工程序：通過主程序可調用自動找正程序和NC加工程序；自動找正程序是固定程序，負責模具的中心測定、模具厚度尺寸測定和基準面的判定等；NC加工程序需要編程員針對每套模具編制程序后下發到柔性生產線的控制臺主機上。

利用hyperMILL軟件對柔性生產線上的模具進行編程，模具的定位銷孔、螺紋孔、分流洞、工作帶及上、下空刀等部位，采用槍鉆、啄鉆、銑螺紋、3D任意毛坯粗加工、3D等高精加工等策略。選擇合適的刀具和合理的編程策略不僅能保證加工效率，還能滿足模具的加工質量要求。圖號為001的上模設計如圖7所示，其在hyperMILL軟件中的模擬仿真和在DMC100H機床上的定位加工分別如圖8、圖9所示。001上模在柔性生產線上各加工工序的工藝參數見表1。

圖7 001上模二維設計

圖8 001上模在hyperMILL軟件模擬仿真

圖9 001上模在DMC100H機床定位加工

hyperMILL編程軟件是德國OPEN MIND公司開發的一款集成化NC編程CAM軟件，表1中序號為7、8、10、11和12的工序主要應用hyperMILL軟件的“3＋2軸定位加工”功能解決。“3＋2軸定位加工”的原理是當機床主軸轉了一定角度后，仍以普通三軸的方式加工傾斜面，回轉軸總是旋轉到加工平面垂直于刀具軸的位置，在避免刀具干涉的情況下，其銑削過程為粗銑狀態，銑削量大，銑削效率高。加工期間加工平面保持固定，不僅保證了數控加工中刀具的安全性，而且降低了對編程人員的經驗要求，提高了編程的工作效率，相比于五軸聯動功能，其更適合鋁擠壓模具制造。在車銑復合機床中運用的最大規格刀具為切削深度為250mm的D32硬質合金刀，其切削長徑比高達7。上模模芯構造如圖10所示，利用該刀具對上模模芯下空刀頸與分流洞連接部位的導流清根和外圓直徑＞700mm的上模分流洞拓展盲區進行加工。利用hyperMILL編程軟件將模具的三維建模、定義毛坯、二次開粗、干涉檢查、仿真模擬和后處理刀庫特征進行集成，有效解決了數控編程效率低的問題。

表1 001上模在柔性生產線上各加工工序工藝參數

圖10 上模模芯構造

4 工藝優化

鋁擠壓模具采用H13模具鋼，按技術要求熱處理后的模具硬度為49～51HRC。合理優化熱處理前的粗加工工序能有效提高生產效率并降低刀具成本。

未引進柔性生產線前，上模加工工藝為：S1粗車→S2粗銑（分流洞、模芯）→S3熱處理→S4精銑（模芯、上下空刀、分流洞與下空刀頸處導流）→S5電火花（模芯內筋、穿洞）→S6打磨、拋光。該工藝存在以下問題。

1）老舊設備為三軸立式加工中心，主軸和工作臺都不具備旋轉功能，上模分流洞在三軸加工中存在的擴展盲區只能借助電火花工序加工，對操作人員的電加工操作經驗要求較高。

2）分流洞與下空刀頸處導流存在2～4mm的內扣余量，采用直徑20mm的T形刀加工，主軸進給速度為1200mm/min，切削深度為0.1mm，由于刀具長度限制，切削總深度無法達到圖樣要求，需要后續人工打磨剩余凸臺，這樣不僅加工時間長，而且刀頭不耐磨損。

3）模芯的上空刀在熱處理后使用直徑6mm的平底刀進行加工，熱處理后模具硬度高，刀具易磨損。

針對以上問題進行工藝優化，優化后的工藝為：S1粗車→S2粗銑（分流洞、模芯、上下空刀、分流洞與下空刀頸處導流）→S3熱處理→S4精銑（模芯、上空刀）→S5電火花（模芯內筋、穿洞）→S6拋光。

表1中的7～12工序即為調整后的工藝，分流洞尺寸在熱處理前直接加工到圖樣尺寸，熱處理產生的氧化皮通過最后工序進行拋光處理，在柔性生產線上采用“3＋2軸定位加工”，粗銑效率高。上模工作帶的上空刀熱處理前留取0.3mm的加工余量，采用直徑6mm的5°錐銑刀（見圖11）進行銑削，熱處理后只進行精銑即可，既簡化了工序，又縮短了模具加工周期，提高了熱處理前的數控銑削效率[5]。

圖11 刀庫內加工上空刀的5°錐銑刀

5 結束語

通過實際運行，該柔性生產線加工效率與傳統單機數控加工模式相比，效率提升了20%，主軸利用率超過90%，只需一名操作人員就可負責一個班次的生產，提高效率的同時也避免了人為失誤帶來的影響；同時利用可靠的NC加工程序和合理的加工工藝，保證了模具的加工質量。

隨著現代工業的迅速發展和產品的高速更新換代，只能加工一種或幾種類似零件的生產模式難以應付多品種、多規格及中小批量零件的生產需求。柔性制造技術組合了當今機床技術、刀具技術、傳輸技術、電子技術和計算機技術，具有高穩定性、高可靠性和高自動化的特點，應用廣泛，小到柔性制造單元的組合，大到柔性制造工廠建立和智能加工的實現，為企業轉型升級提供了新的方向。