如何實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜模具的簡(jiǎn)單加工？
發(fā)布日期：2014-11-19
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在大型模具加工中，為了獲得盡可能高的表面質(zhì)量，我們需要選擇合適的機(jī)床并配置必要的刀具，只有這樣，才能減少EDM的后續(xù)加工時(shí)間和鉗工的手工打磨時(shí)間。
隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)用各種大型、高裝飾性模具的需求正在迅速增長(zhǎng)，例如，汽車(chē)儀表板，設(shè)計(jì)人員正在不斷地提高這類(lèi)模具產(chǎn)品的尺寸和復(fù)雜性。因此，各種大型模具的生產(chǎn)已成為許多加工企業(yè)尋求機(jī)會(huì)進(jìn)行全球競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。但是，要想進(jìn)入這一領(lǐng)域并不是一件容易的事情。在落后的加工技術(shù)下，機(jī)床進(jìn)給速度緩慢、操作者需要對(duì)工件進(jìn)行多次調(diào)試裝夾，而且還需要幾個(gè)小時(shí)的手工拋光作業(yè)，所以加工周期很長(zhǎng)。因此，必須尋求更先進(jìn)的加工技術(shù)使大型模具的加工如同加工小型模具那樣簡(jiǎn)單容易。
大型模具加工中存在的主要問(wèn)題：
在加工大型模具時(shí)，如何應(yīng)付其自身的巨大尺寸和重量是加工企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。大型模具的加工往往需要大量的勞動(dòng)力、專(zhuān)用設(shè)備和多次調(diào)試裝夾，而加工精度也受到多方面潛在因素的影響而不易保證。
大型模具加工中存在的主要問(wèn)題：
加工生產(chǎn)各類(lèi)大型模具直接相關(guān)的最大費(fèi)用就是機(jī)床的購(gòu)置成本。能夠生產(chǎn)大型模具的機(jī)床是相當(dāng)昂貴的，尤其是在復(fù)雜工藝安排下，需要使用多臺(tái)機(jī)床才能完成從模具粗加工到精加工的全部工序。這樣的先期高投入成本也是很多企業(yè)進(jìn)入這一市場(chǎng)的最大障礙。
由此，我們可以看出，如果可以在一臺(tái)合適的機(jī)床上實(shí)現(xiàn)大型模具的粗加工和精加工，甚至僅需一次調(diào)試裝夾，那么很多問(wèn)題將迎刃而解，加工精度也可以得到保證。
考慮到大型機(jī)床的通用加工精度和調(diào)試裝夾的問(wèn)題，我們必須探討一下大型模具加工中心所必備的一些設(shè)計(jì)特點(diǎn)：
鑄鐵材料具有很高的剛性和散熱特性，因而是制造機(jī)床結(jié)構(gòu)件最穩(wěn)定的材料。對(duì)于銑削大型零件用的任何機(jī)床，首先需要具有非常結(jié)實(shí)的鑄鐵結(jié)構(gòu)，并裝備有具有散熱功能的主軸。就機(jī)床的主軸而言，它必須采用內(nèi)置冷卻技術(shù)，從軸承外面來(lái)冷卻主軸，保證在長(zhǎng)時(shí)間加工過(guò)程中，主軸本身不會(huì)被燒壞或不會(huì)因熱膨脹而造成精度損失。這些因素是非常重要的，因?yàn)榇笮湍＞叩募庸ば枰暮荛L(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)在重切削條件下，這會(huì)增加模具的熱量和應(yīng)力。所以，機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件必須具有良好的剛性和散熱特性，這是加工出大型優(yōu)質(zhì)模具的前提。因此，必須最大程度地限制加工過(guò)程中機(jī)床的振動(dòng)，并快速擴(kuò)散加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。選擇合適的加工機(jī)床和刀具可以實(shí)現(xiàn)成本和周期的雙贏。
由于加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，環(huán)境溫度的影響也是必須要考慮的。例如，在普通機(jī)床上加工大型模具，當(dāng)環(huán)境溫度變化10℃時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)床立柱發(fā)生6℃的溫度變化，從而引起主軸角板平行度發(fā)生0.07mm的變化。因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)必須考慮到環(huán)境溫度的效應(yīng)，避免環(huán)境溫度影響到加工零件的精度。
精度控制始終貫穿于模具加工的各個(gè)階段，如果需要在一臺(tái)加工中心上實(shí)現(xiàn)對(duì)大型模具的粗加工和精加工，那么必須嚴(yán)格控制機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。大型模具專(zhuān)用的加工中心，一般其定位精度可以達(dá)到±1.5μm，重復(fù)定位精度應(yīng)達(dá)到±1μm。同時(shí)，其節(jié)距精度應(yīng)保持在5μm之內(nèi)。
機(jī)床自身的反饋分辨率對(duì)于檢測(cè)加工零件的精度是十分重要的。采用標(biāo)準(zhǔn)的1μm反饋分辨率，通常所獲得的結(jié)果并不十分理想。如果分辨率能夠達(dá)到0.05μm，那么其精加工結(jié)果幾乎沒(méi)有任何瑕疵。而且，通過(guò)對(duì)機(jī)床分辨率、標(biāo)尺反饋和小節(jié)距滾珠絲杠的控制可進(jìn)一步提升零件表面的加工質(zhì)量。 大型模具加工中心上使用的主軸必須達(dá)到進(jìn)行粗加工、半精加工和高質(zhì)量精加工的要求，而且作為一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，其能夠?qū)崿F(xiàn)的表面加工質(zhì)量應(yīng)該控制在2μm的水平。通常，對(duì)于模具閉合面和分型線(xiàn)部分的精加工十分重要，但在傳統(tǒng)工藝下，許多模具制造商不得不采用手工拋光的方式，以彌補(bǔ)刀具加工精度不足的問(wèn)題。因?yàn)椋笮图庸C(jī)床的造價(jià)昂貴，如果為此項(xiàng)工序購(gòu)置多功能機(jī)床，顯然是不切合實(shí)際的。此外，合理的主軸設(shè)計(jì)必須能夠最大程度地延長(zhǎng)刀具的使用壽命，使其能夠在加工周期內(nèi)以低振動(dòng)、低溫升的狀態(tài)持續(xù)工作。例如，在大型模具加工中心上加工汽車(chē)儀表板模具時(shí)，如采用16mmCBN鑲刀片精加工刀具，加工速度可以達(dá)到8m/min，使用壽命超過(guò)30h，可以將加工表面質(zhì)量控制在0.336～3.2μm。由此可知，考慮到加工大型模具時(shí)的刀具成本增加，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的大型模具加工機(jī)床，不僅可以延長(zhǎng)刀具使用壽命，而且可以大量節(jié)約加工每付模具的刀具使用成本。
由于模具尺寸和重量的限制，一般裝夾工件需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。因此，采用3軸聯(lián)動(dòng)加工中心不僅減少了工件的調(diào)試裝夾次數(shù)，而且又不影響機(jī)床的加工精度，從而使車(chē)間加工大型模具的生產(chǎn)能力大大提高。
可移動(dòng)的多軸加工頭可以用于加工結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的大型模具，按可變幾何形狀設(shè)計(jì)的加工頭可允許3軸聯(lián)動(dòng)加工，僅需一次裝夾工件，便可銑削加工型腔很深的模具和冷卻孔，以及切削加工許多其他幾何形狀復(fù)雜的部位。例如，當(dāng)主軸以最佳的角度傾斜時(shí)，可提高加工頭對(duì)銑削加工點(diǎn)的接近程度，這樣便可實(shí)現(xiàn)利用多軸加工頭完成對(duì)斜孔的加工。
此外，由于多軸加工頭加工工件表面時(shí)，采用的是刀具的半徑刀刃而不是刀具的刀尖，因此可提高表面粗糙度。
金屬切削加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切屑，如果不能及時(shí)排除，必然會(huì)導(dǎo)致二次切削，以及造成機(jī)床結(jié)構(gòu)部件或者工件表面的溫升。大型模具加工中心的工作臺(tái)下面通常具有18個(gè)排屑孔，不管工作臺(tái)移動(dòng)到什么位置，都能夠可靠地排除切屑。機(jī)床上有4條內(nèi)置鉸鏈?zhǔn)角行紓魉蛶�，以很高的速度將切屑排送到機(jī)床前面。
在大型模具加工時(shí)，高壓冷卻液有著非常重要的作用。例如，在采用2+3軸的加工方法鉆削斜孔時(shí)，需要壓力為1 000psi（1psi=6 890Pa）的冷卻液才能有效地排除切屑，并達(dá)到更高精度的切削。而如果沒(méi)有這種高壓冷卻液，則在加工斜孔時(shí)，需要增添額外的機(jī)床，需要二次裝卡，降低加工精度，而且增加周期成本。
根據(jù)以上分析可以看出，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型模具的簡(jiǎn)單加工需要機(jī)床具有更多、更好的功能。牧野開(kāi)發(fā)的新型MCC2516VG3軸臥式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000r/min，并采用了“軸芯冷卻”方式和“軸承內(nèi)壓潤(rùn)滑”功能，保證主軸及其附屬軸承可以得到及時(shí)、有效地冷卻。此外，主軸不僅可沿橫向的X軸、垂直方向的Y軸和前后方向的Z軸方向運(yùn)動(dòng)，還可配合A軸和C軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于具備2種分度功能，因此不僅可減輕調(diào)整作業(yè)量，還可切削結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，例如保險(xiǎn)杠、儀表盤(pán)和汽車(chē)頭燈透鏡等。
汽車(chē)儀表板是汽車(chē)內(nèi)飾件當(dāng)中最為重要的組成部分，儀表板的造型和產(chǎn)品表面質(zhì)量對(duì)整車(chē)的性能、美感及產(chǎn)品銷(xiāo)售至關(guān)重要。牧野MCC2516VG型機(jī)床是專(zhuān)門(mén)為大型、復(fù)雜模具2+3軸加工而設(shè)計(jì)制造的主軸角度可隨工件的幾何形狀作變換的臥式加工中心，其加工精度達(dá)到超高水平，加工后的模具表面粗糙度極高，不需鉗工進(jìn)一步打磨處理�？梢詫�(shí)現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)床、一次裝卡的前提下，利用加工頭傾斜加工和尖端加工完成全部加工任務(wù)。
一般來(lái)說(shuō)，諸如汽車(chē)儀表板之類(lèi)的大型模具產(chǎn)品應(yīng)該盡量采用一臺(tái)3軸機(jī)床完成粗加工、半精加工和精加工，多軸加工機(jī)床由于結(jié)構(gòu)剛性問(wèn)題而不適用于粗加工，所以不能在多軸加工機(jī)床上完成大型模具的全部加工工序。但也有特殊情況。加工過(guò)程中有一條不變的準(zhǔn)則：凡是加工直徑較小的幾何形狀，需要采用較高主軸轉(zhuǎn)速和較短刀具相結(jié)合的方法。對(duì)于大型模具上的細(xì)小難加工部位進(jìn)行精加工時(shí)，應(yīng)該采用多軸機(jī)床，因?yàn)檫@種加工只占據(jù)總加工時(shí)間的5%～10%。但是，如果將這種零件從3軸機(jī)床上轉(zhuǎn)移到多軸機(jī)床上加工時(shí)，零件的加工時(shí)間將會(huì)大幅度上升。
汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)模具產(chǎn)業(yè)提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)于大型模具產(chǎn)品的加工，依托現(xiàn)有的技術(shù)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。只要我們清楚模具加工的關(guān)鍵以及機(jī)床的設(shè)計(jì)特性，我們就完全可以實(shí)現(xiàn)像加工小型模具那樣簡(jiǎn)單、快速地加工大型復(fù)雜模具。
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