實現(xiàn)大型復(fù)雜模具的簡單加工

 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車用各種大型、高裝飾性模具的需求正在迅速增長，例如，汽車儀表板，設(shè)計人員正在不斷地提高這類模具產(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)尋求機會進(jìn)行全球競爭的新領(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，機床進(jìn)給速度緩慢、操作者需要對工件進(jìn)行多次調(diào)試裝夾，而且還需要幾個小時的手工拋光作業(yè)，所以加工周期很長。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單容易。

大型模具加工中存在的主要問題

1.巨大的尺寸和重量

在加工大型模具時，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力、專用設(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。

2.購置成本問題

加工生產(chǎn)各類大型模具直接相關(guān)的最大費用就是機床的購置成本。能夠生產(chǎn)大型模具的機床是相當(dāng)昂貴的，尤其是在復(fù)雜工藝安排下，需要使用多臺機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)入這一市場的最大障礙。

由此，我們可以看出，如果可以在一臺合適的機床上實現(xiàn)大型模具的粗加工和精加工，甚至僅需一次調(diào)試裝夾，那么很多問題將迎刃而解，加工精度也可以得到保證。

大型模具加工中心

考慮到大型機床的通用加工精度和調(diào)試裝夾的問題，我們必須探討一下大型模具加工中心所必備的一些設(shè)計特點。

1.鑄鐵床身結(jié)構(gòu)，機床主軸具有散熱功能

鑄鐵材料具有很高的剛性和散熱特性，因而是制造機床結(jié)構(gòu)件最穩(wěn)定的材料。對于銑削大型零件用的任何機床，首先需要具有非常結(jié)實的鑄鐵結(jié)構(gòu)，并裝備有具有散熱功能的主軸。

就機床的主軸而言，它必須采用內(nèi)置冷卻技術(shù)，從軸承外面來冷卻主軸，保證在長時間加工過程中，主軸本身不會被燒壞或不會因熱膨脹而造成精度損失。

這些因素是非常重要的，因為大型模具的加工需要消耗很長的時間，同時在重切削條件下，這會增加模具的熱量和應(yīng)力。所以，機床的結(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程中機床的振動，并快速擴散加工過程中產(chǎn)生的熱量。

高精度曲面加工

2.熱穩(wěn)定技術(shù)

由于加工時間過長，環(huán)境溫度的影響也是必須要考慮的。例如，在普通機床上加工大型模具，當(dāng)環(huán)境溫度變化10℃時，將會導(dǎo)致機床立柱發(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，機床的設(shè)計必須考慮到環(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。

3.速度

對于一臺行程能夠快速移動的大型模具加工中心來說，大型模具加工機床的主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)至少達(dá)到20 000r/min，金屬的切削速度應(yīng)滿足762～20 000mm/min。

4.精度

精度控制始終貫穿于模具加工的各個階段，如果需要在一臺加工中心上實現(xiàn)對大型模具的粗加工和精加工，那么必須嚴(yán)格控制機床的定位精度和重復(fù)定位精度。大型模具專用的加工中心，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，其節(jié)距精度應(yīng)保持在5μm之內(nèi)。

選擇合適的加工機床和刀具可以實現(xiàn)成本和周期的雙贏

4.反饋分辨率

機床自身的反饋分辨率對于檢測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)果幾乎沒有任何瑕疵。而且，通過對機床分辨率、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。

5.主軸

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，對于模具閉合面和分型線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，以彌補刀具加工精度不足的問題。因為，大型加工機床的造價昂貴，如果為此項工序購置多功能機床，顯然是不切合實際的。

主軸角度可隨工件改變的臥式加工中心

此外，合理的主軸設(shè)計必須能夠最大程度地延長刀具的使用壽命，使其能夠在加工周期內(nèi)以低振動、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儀表板模具時，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的刀具成本增加，采用專門設(shè)計的大型模具加工機床，不僅可以延長刀具使用壽命，而且可以大量節(jié)約加工每付模具的刀具使用成本。

6.可移動的多軸加工頭

由于模具尺寸和重量的限制，一般裝夾工件需要花費很長的時間。因此，采用3軸聯(lián)動加工中心不僅減少了工件的調(diào)試裝夾次數(shù)，而且又不影響機床的加工精度，從而使車間加工大型模具的生產(chǎn)能力大大提高。

可移動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)計的加工頭可允許3軸聯(lián)動加工，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，可提高加工頭對銑削加工點的接近程度，這樣便可實現(xiàn)利用多軸加工頭完成對斜孔的加工。

此外，由于多軸加工頭加工工件表面時，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。

7.切屑管理

金屬切削加工時會產(chǎn)生大量的切屑，如果不能及時排除，必然會導(dǎo)致二次切削，以及造成機床結(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下面通常具有18個排屑孔，不管工作臺移動到什么位置，都能夠可靠地排除切屑。機床上有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床前面。

8.高壓冷卻液

在大型模具加工時，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，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。而如果沒有這種高壓冷卻液，則在加工斜孔時，需要增添額外的機床，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，實現(xiàn)對大型模具的簡單加工需要機床具有更多、更好的功能。牧野開發(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)壓潤滑”功能，保證主軸及其附屬軸承可以得到及時、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軸方向運動，還可配合A軸和C軸轉(zhuǎn)動。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，例如保險杠、儀表盤和汽車頭燈透鏡等。

汽車儀表板模具加工

汽車儀表板是汽車內(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)量對整車的性能、美感及產(chǎn)品銷售至關(guān)重要。牧野MCC2516VG型機床是專門為大型、復(fù)雜模具2+3軸加工而設(shè)計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�？梢詫崿F(xiàn)在一臺機床、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)。

一般來說，諸如汽車儀表板之類的大型模具產(chǎn)品應(yīng)該盡量采用一臺3軸機床完成粗加工、半精加工和精加工，多軸加工機床由于結(jié)構(gòu)剛性問題而不適用于粗加工，所以不能在多軸加工機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。對于大型模具上的細(xì)小難加工部位進(jìn)行精加工時，應(yīng)該采用多軸機床，因為這種加工只占據(jù)總加工時間的5%～10%。但是，如果將這種零件從3軸機床上轉(zhuǎn)移到多軸機床上加工時，零件的加工時間將會大幅度上升。

結(jié)語

汽車工業(yè)的發(fā)展，對模具產(chǎn)業(yè)提出了越來越高的要求。對于大型模具產(chǎn)品的加工，依托現(xiàn)有的技術(shù)是完全可以實現(xiàn)的。只要我們清楚模具加工的關(guān)鍵以及機床的設(shè)計特性，我們就完全可以實現(xiàn)像加工小型模具那樣簡單、快速地加工大型復(fù)雜模具。