重庆长安汽车股份有限公司 张小斌

 摘要：随着模具技术的不断发展，模具型面中自由曲面所占的比例不断增加，且对型面质量的要求不断提高。相应地，对模具型面的数控加工制造精度提出了更高的要求。通过对模具型面数控加工经验的总结，分析影响模具型面数控加工质量的相关因素；从数控加工机床、刀柄、刀具、加工工艺、软件编程及切削参数等方面分析提高模具型面数控加工质量所采取的措施。

关键词：模具型面 加工精度 汽车模具 加工工艺 软件编程 切削参数

1  引言

模具被广泛应用在机械、汽车、电子、航空航天等领域，尤其是在汽车行业的应用非常广泛。模具是汽车制造的基础工艺装备，在汽车生产中，90%以上的零部件都需要依靠模具成形加工。生产一辆普通轿车，需要约1500套模具；在新车型的开发中，90%以上的工作量都是围绕着车身型面的改变而进行的。

随着国内外汽车工业及汽车模具技术的发展，汽车模具的结构越来越复杂，模具型面中自由曲面所占的比例不断增加，且对型面质量的要求不断提高。相应地，对模具型面的数控加工制造精度提出了更高的要求。在实际生产中，由于机床操作者的技能、经验不一致、机床精度差异大、刀具磨损不稳定、磨具淬火后表面硬度变化大、检测手段单一等原因，常常会出现模具型面数控加工的质量达不到设备（或产品）要求的现象，尤其是在新设备（或产品）的开发过程中。

2  有助于提高模具型面数控加工质量的措施

通过对长安汽车UNI-T车型侧围外板凹模的模具型面加工为例，对模具型面数控加工经验的总结，分析影响模具型面数控加工质量的相关因素；这里以汽车长安UNI-T车型侧围外板凹模的模具为例，从数控加工机床、刀柄、刀具、加工工艺、软件编程及切削参数等方面，分析有助于提高模具型面数控加工质量的措施。

2.1机床

在实际生产中，很多工厂的机床精度差异较大，大部分的数控加工中心已经使用了较长的时间，这些设备在使用过程中虽然有严格的数控机床操作规范，且维护保养良好，但是其本身的老化带来的精度损失是不可避免的。

为了保证产品的加工质量，针对机床因素可采取的措施：①定期对数控加工设备进行检测、维修；②明确每台设备的加工精度；③明确每台设备的加工任务；④严格区分粗、精加工的设备使用；粗加工时追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，所以粗加工时对设备的精度损害是最严重的；可以将使用年限较长、精度最差的设备确定为专用的粗加工设备，而新设备和精度高的设备确定为精加工设备，这样，有利于对现有设备资源的合理搭配、明确分工，有利于将机床对加工质量的影响程度降到最低，同时又保护了昂贵的数控加工设备，有利于延长设备的使用寿命。

数控机床加工中，由于刀柄和刀具在受外力和加工中产生的热量等外界因素的影响下，机床的几何精度受到影响，机床上加工的零部件产生几何变形，从而导致产生几何误差。据经验总结，数控机床产生几何误差的主要原因无外乎以下两种：内部因素和外部因素。机床产生几何误差的内部因素指机床本身因素导致的几何误差，如机床的工作台面的水平度、机床导轨的水平程度和直线度、机床刀具和夹具的几何准确度等。外部因素主要是指在外部环境和加工过程中的热变形等因素影响下产生的几何误差，如刀具或零件在加工过程中，由于受热膨胀、变形，从而产生几何误差，高速加工中刀具的受热变形程度是很小的，主要是机床的受热膨胀变形，影响了机床的加工精度和零部件的加工精度。所以定期的精度校对对机床几何精度提高是非常必要的。

在模具制造车间中的每台机床的出厂日期、使用年限是不同的、粗精加工的方式也不同，不同的加工方式会产生不同的机床震动，机床的震动会直接影响模具的制作质量，当然这主要出现在部分精加工当中，精加工的机床震动是很小的，大概在0.03mm以内。机床震动直接决定设备的老化程度，设备老化会使设备零部件之间的公差配合性质发生改变，降低精度。虽然数控加工中机床震动是不可避免的，但这需要定期对数控加工设备进行维护检修。在车间数控型面加工中，精加工型面的最主力数控设备是台湾高速铣机床。为此我们对台湾高速铣机床做一系列项目检测调整对比数据，主轴各项数据检测调整前后对比的相关数据如下表。

高速铣机床各精度检测调整对比表

本次检测台湾高速铣机床的轴定位精度、轴反向间隙、各轴垂直度，经检测调整后都有明显改善，均达到了标准目标值之内。由此可见，机床设备的定期维护检修对型面加工精度是起积极作用的。在数控加工中，我们应该定期维护检修机床各部分精度，有效改善机床精度。

2.2刀柄

当工厂现有的机床不可改变时，与机床相关的刀柄及刀具对数控加工质量的影响就突显出来了。在实际应用中，为了保证数控加工的质量及加工效率，常用刀柄与数控机床的接口有BT柄和HSK柄，刀柄对刀杆及刀具的夹紧方式主要有侧固式、弹性夹紧式、液压夹紧式和热膨胀式等。通过多年的应用、比较和总结，现在常采取的刀柄使用方案为：粗加工或大进给加工时采用BT弹簧夹头刀柄，普通机床上的半精和精加工采用BT液压夹头刀柄，高速铣削时采用HSK型热膨胀刀柄或液压夹头刀柄。HKS系列主要有HKS-A63.HKS-E50两种A63体积较E50大，且A63装入主轴那端有两个高度不一样的缺口，而E50则没有HKS刀柄较传统的BT系列刀柄在动平衡和装夹力方面都较为出色，具有较高的系统精度，较高的系统刚度，较好的动平衡性。故常用在转速和精度较高的机床上，因此刀柄的选用对机床精加工型面精度的影响至关重要。

数控机床加工中，由于刀柄和刀具在受外力和加工中产生的热量等外界因素的影响下，机床的几何精度受到影响，机床上加工的零部件产生几何变形，从而导致产生几何误差。

在模具制造车间中，模具型面高速精加工中多用到HKS型刀柄，HSK-E型、F型，都可以在三四万转的情况下正常加工，为精度高的工作，提供了保障。

2.3 刀具

刀具的正确选择和使用是影响数控加工质量的重要因素。硬质合金刀具在工厂的应用范围越来越广，硬质合金刀具将代替大部分高速钢刀具。如在粗加工中，尽可能采用大直径的牛鼻刀（如使用R2、R6的硬质合金刀片），做到粗加工排屑“多”；在半精加工中，可选用高转速、高进给的R0.8镶片立铣刀，做到半精加工走刀“快”；在精加工中，尽量选用硬质合金刀杆和高精度球头镜面刀片，这样有利于在保证加工质量的同时，节省选用整体合金刀具的高昂成本；需要注意的是，模具精加工中所用刀具的半径应小于或等于被加工零件上内轮廓的圆角半径，尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具，并以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插补而出现的过切现象，做到精加工质量“好”。

模具在高速切削加工中，因为切削速度高，而且型面受力关键部位进行了热处理，使其硬度增高，所以在高速切削加工中刀具与型面之间温度很高。这要求刀具具备高硬度、高强度、耐磨性好、抗冲击性能强的特点。

为确保型面精加工中换刀所带来的接刀差，加工工程中应尽量使用单刀片完成加工，模具制造车间所采用的是合金PVD涂层刀片，从而确保型面的高精度要求，如图1：

在加工过程中，为了避免出现掉刀（拉刀）的情况出现，车间要求使用之前所说的HKS空心刀柄装夹，以确保刀具在高速运转下安全与轴向加工精度。在精度要求更高、形状更复杂的型面加工中，多使用热装刀柄装夹刀具，这种装夹方式使其型面精加工刚性更好、传递转矩更高，从而提高型面精度。具体装夹方式如下图：

热装刀具

现在高速切削加工的冷却方式主要使用喷气冷却及油雾冷却，油雾冷却是最为理想的加工冷却方式，但其成本过高、操作麻烦，因此车间采用喷气冷却，有效控制了高速切削中产生的温度。

2.4 加工工艺

(1)数控加工工艺方案可以认为是从零件初始状态（毛坯）到最终状态（零件）间的一系列工艺过程的状态空间。数控加工工序的安排应满足的一般规则：①先主后次；②先面后孔；③先铣后钻；④先粗后精；⑤先内后外；⑥按工序的顺序，刀具直径由大到小；⑦上道工序的加工不能影响下道工序的装夹与定位；⑧工序集中（使用相同工装和夹具的工序应安排在一起完成，以减小重复装夹与定位所产生的误差）；⑨不要把削弱零件刚性的工序排在前面。

(2)在编制数控加工工艺方案时应主要考虑以下内容：①结合待加工零件的工艺性，确定待加工零件的装夹与定位、选择刀具、制定工艺路线、选择切削方法及选择工艺参数等；②数控加工工艺的设计主要用于指导数控加工编程，有的工厂把数控工艺员和编程员的职责合二为一，由编程员负责整套模具的数控加工工艺设计及其程序编制，提高了工作效率；③数控加工的自动化程度高，影响因素多，在数控加工中，质量和安全是至关重要的，必须得到保证；④数控加工的工艺复杂，影响因素多，需要对数控加工的全过程深思熟虑，要有很好的条理性，才能编制好数控加工工艺方案；数控加工的自动化程度高，它的自适应能力就低，一旦出现问题，工人很难现场纠正，轻者造成加工缺陷，重者引起质量事故、安全事故，因此，要预先有条理地做好数控加工工艺方案的设计；⑤数控加工工艺方案的继承性好，凡是在实际生产中被证明是好（合理）的数控加工工艺方案，可以做成模板，作为档案保存起来，便于在以后加工同类零件时调用，可以节约时间，保证质量。

在精加工的型面覆盖件模具具有型面形状复杂、尺寸大、材料硬度高、质量要求高。因此，提高模具型面的加工质量是模具制造技术的关键，而加工工艺的选择是其最为关键的步骤。在工艺选择方面，5轴联动比起3轴联动铣削有更多优点，通过5轴随时调整刀具轴线方向，可使刀具与模具表面倾角及进给速度保持不变。但由于5轴联动加工的数控编程复杂，对CNC系统的计算能力及速度要求较高，在需要机床的大幅度补偿运动时又要避免发生干涉碰撞，所以只有将5轴联动加工用在一定范围内的加工。工艺要求分区域3+2轴数控加工，分区域加工的优点有：

a. 可分区域选择较短刀具进行精确加工。

b. 在相同切削线速度情况下，可采用相对较低的转速。

c. 分区域3+2轴加工可通过控制刀具轴线方向，能够保证模具型面上各点切削时几何运动条件基本相同，让实际切削线速度保持不变。

d. 可实现模具分不同区域采用不同进给方向、不同刀轴进行加工。

e. 可使操作人员根据实际情况随时灵活地调节角度。

通过车间实际应用经验表明，在覆盖件模具型面加工中，分区域3+2轴加工不失为一种高效，高质量的加工方式。

2.5 软件编程

数控加工程序编制一般可分为4个阶段：

（1）准备工作阶段：根据生产任务书，按照要求接收技术数据，检查数据的准确性、时效性；结合工厂（或车间）现有的设备、技术、人员等条件，明确生产计划能否按时完成。

（2）技术方案阶段：主要任务是根据工厂（或车间）的制造资源，编制数控加工的工艺方案。为了做好技术方案，必须了解加工环境和制造资源，包括：机床、刀具、夹具、软件、工艺资源、毛坯（如毛料、锻件、铸件、热处理、切削性能、预加工）等；还要进一步地明确零件的技术要求，如公差要求、光洁度、薄壁件的允许变形、装配关系等。

（3）数控编程阶段：程序编制的主要依据是三维数据和工艺文件。程序设计员要分析零件的几何特征，构思加工过程，结合机床具体情况，考虑工件的定位及夹具选择。数控编程的第一步是正确定义加工坐标系，并选择好对刀点。选择的编程原点应方便编程、便于测量检查、便于操作，同时保证引起的加工误差较小；第二步是按照数控加工工艺方案一步一步地在计算机上编制刀具轨迹；第三步是验证程序的正确性、可行性，可以通过计算机仿真模拟或试切削样件进行；第四步是优化程序。

（4）程序定型阶段：由主管领导审核数控编程的“刀路”，合格后填写数控加工程序单、绘制加工简图，并到现场了解程序执行情况，总结程序编制的经验。

2.6 切削参数

数控加工的切削过程是一个复杂、多变的过程，如工件材料硬度变化、刀具磨损状况、切削深度变化、切削液流量变化等。切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。与切削相关的参数主要有主轴转速、刀具切入时的进给速率、步距宽度和切削深度等。

选择合理的加工参数和刀具是加工中的重要环节。在机床设定允许的进给和转速范围内，根据材料的性能和机床刀具的性能情况选择合理的切削参数对型面加工质量的影响至关重要。例如在精加工一个覆盖件型面时，我们使用R12.5的镜面球刀，设置转速为12000r/min，进给速度F=10000。就算刀具路径设置非常缜密，可表面质量仍旧不理想，光洁度不达标，局部余量特别是侧壁余量偏多。这就不免要二次加工，不仅影响加工进度，还影响重复加工精度。当转速降为8000r/min，进给速度降为8000时，加工出来型面的光洁度与余量就非常均匀。原因是精加工过程中的刀具抖动对型面的影响已远远超过刀具路径对型面质量的影响。因此在加工过程中，切削参数的选择是直接影响型面质量的关键因素。这就不仅需要考虑加工材料和刀具，同时也要考虑工装、机床等不可忽略的影响。具体切削参数的设定主要取决于员工对机床的掌握熟练度，选择最佳的切削参数可有效提高模具型面精度质量。

2.7 应用实例

以长安汽车UNI-T车型侧围外板凹模的模具型面加工为例，该型面的数控加工难度较大，其加工精度经常达不到精加工型面的要求，且钳工调试困难，影响了型面加工的精度和效率。技术攻关前的主要缺陷：刀具痕迹明显，加工精度和表面粗糙度差。为了攻克此技术难题，我们做了很多次研究和尝试，最终达到了预期的效果：直接减少了数控重复接刀、重复加工的时间，提高了模具型面的精度，间接减少了钳工研磨调试的时间，在保证精度的前提下，提高了效率。

经过分析和研究，技术攻关过程及主要内容如下：

(1) 结合工厂现有的设备条件和技术条件合理选择数控机床、刀柄、刀具，设计并制定数控加工工艺方案，软件编程；

(2) 现场指出加工缺陷，分析原因；

(3) 对操作者进行技能培训，主要包括：机床操作技巧、刀具装配后的检测、工件装夹平面精度检测并根据检测结果调整垫铁平面度等；

(4) 刀具磨损检查及更换：经过综合考虑及验证，刀具半径磨损控制在0.02mm以内；

(5) 切削加工，直至精度和效率达到预期的要求。

3  结束语

模具型面数控加工技术的发展日益成熟，极大地提高了模具型面加工质量、减少了加工工序、缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而极大地提高了模具数控加工的效率，缩短了模具制造的生产周期。因此模具型面加工技术逐渐成为模具工厂（或车间）技术改造最主要的内容之一。

机床操作者是数控加工的执行人，对数控加工质量控制的作用也是很明显的。在执行加工任务的过程中，机床操作者对机床、刀柄、刀具、加工工艺、软件编程和切削参数的实时状态最了解，他们的各项操作对数控加工影响最直接，所以机床操作者的技能和责任心也是提高模具型面数控加工质量的关键因素。

凭借多年的模具加工经验，虽然机床等硬件设备是很关键的，但人才是影响数控加工质量的决定性因素，因为程序设计员和机床操作者的职业道德、技能水平、岗位责任心决定了各种先进设备能够发挥出多大的效能！所以我们一定要重视人才的培养，为模具质量的持续提高打下坚实的基础。

参考文献

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