2017年5月19日 ?模具加工技術 - 加工中心 模具加工技術 模具作為工業技術的核心產品，本身就蘊含了各種各樣的技術精華。比如一些結構設計、加工工藝、進度優化等等，包括了工業機械設備加工中的主要切削功能，它是各種工業機械設備加工技巧的代言人[1]。 并且模具在現實生活中擔當的角色也相當重要，比如很多日常工作中使用的手機、小靈通、電話機、傳真機、電腦、打印機等，以及日用品，臉盆、牙杯、水桶等等，都需要模具來做父母一樣的角色，才能生產出模具成品來。還有社會交通工具，特別是各類型汽車上的配件，發動機、保險杠、儀表盤、方向盤、門把手等；塑膠的、鋁鋅壓鑄的、膠木的、五金冷沖的、吹塑的、橡膠的，很多很多；尤其在我們國家改革開放以后，社會不斷的進步發展，消費不斷的刺激需求，新產品、新款式的不斷開發變換，模具就被當作一種產業經濟一樣蓬勃發展，一枝獨秀了。模具加工在70、80年代的時候，還是以手工作業為主，尤以鉗工優先，且分一至八等級。模具結構中簡單的、復雜的產品面，基本上以手工來完成（型腔、型芯、滑塊等）。到了80 年代 90年代初，有了現在一些基本的機械設備來輔助手工制作模具，電火花加工，線切割加工，車床，銑床，刨床，磨床等等，但還是依靠了基本的手搖動作，在精度與速度上還遠遠不能適應時代發展的需要；到了90年代，模具加工終于是出現了以數 字化控制工業機械設備的技術。 現在模具制造的主要加工方法有以下幾種： 1. 機械(切削）加工 機械加工（即傳統的切削與磨削加工）是模具制造不可缺少的一種重要的加工方法。機械加工的特點是加工精度高、生產效率高。但加工復雜的形狀時，加工速度慢，硬材料也難加工，材料利用率不高。 2. 特種加工 特種加工從廣義上說，特種加工是指直接利用電能、化學能、聲能、光能等來去除工件上多余的材料，以達到一定形狀、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括電火花成形加工、線切割加工、電解加工、電化學拋光、電鑄、化學刻蝕、超聲波加工、激光加工等。特種加工與工件的硬度無關，可以實現以柔克剛，并可加工各種復雜形狀的零件。特種加工在模具制造中得到了越來越廣泛的應用。 3、成型加工 （1）塑性加工：塑性加工主要指（冷熱）擠壓制模法，即將淬火過的成形模強力壓入未進行硬化處理的模坯中，使成形模的形狀復印在被壓的模坯上，制成所需要的模具。 這種成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各種復雜型面的模具。 （2）鑄造加工：對于一些精度和使用壽命要求不高的模具，可以采用簡單方便的鑄造法快速成形。例如：鋅基合金模具，用低熔點材料鋅基合金鑄造模具，其制模速度快，容易制成形狀復雜的模具。但模具材質較軟，耐熱性差，所以模具壽命短，多用于試制和小批量生產的場合。 其他如砂型鑄造、陶瓷型制造、實型鑄造等等。 （3）焊接加工：焊接法制模是將加工好的模塊焊接在一起，形成所需的模具。這種方法與整體加工相比，加工簡單、尺寸大小不受限制，但精度難于保證，易殘留熱應變及內部應力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。 本文主要介紹模具加工中的較傳統但是應用很廣泛的加工方法：精工銑加工。 1、精工銑加工基礎 1.1 精工銑加工概述 精工銑加工是指在精工銑床上進行零件加工的一種工藝方法，精工銑加工與傳統機床加工的工藝規程從總體上說是一致的，但也發生了明顯的變化。用數字信息控制零件和刀具位移的機械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑。 1.2 精工加工原理 采用精工機床加工零件時，只需要將零件圖形和工藝參數、加工步驟等以數字信息的形式，編成程序代碼輸入到機床控制系統中，再由其進行運算處理后轉成驅動伺服機構的指令信號，從而控制機床各部件協調動作，自動地加工出零件來。當更換加工對象時，只需要重新編寫程序代碼，輸入給機床，即可由精工裝置代替人的大腦和雙手的大部分功能，控制加工的全過程，制造出任意復雜的零件。 1.3 精工銑加工特點 ①零件加工的適應性強、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等；②能加工普通機床無法加工或很難加工的零件，如用數學模型描述的復雜曲線零件以及三維空間曲面類零件；③能加工一次裝夾定位后，需進行多道工序加工的零件；④加工精度高、加工質量穩定可靠，目前現在精工裝置的脈沖當量一般為0.001mm，高精度的精工系統可達0.1μm，另外，精工加工還避免了操作人員的操作失誤；⑤生產自動化程度高，可以減輕操作者的勞動強度。有利于生產管理自動化；⑥生產效率高，精工銑床一般不需要使用專用夾具等專用工藝設備，在更換工件時只需調用存儲于精工裝置中的加工程序、裝夾工具和調整刀具數據即可，因而大大縮短了生產周期。其次，精工銑床具有銑床、鏜床、 鉆床的功能，使工序高度集中，大大提高了生產效率。另外，精工銑床的主軸轉速和進給速度都是無級變速的，因此有利于選擇******切削用量；⑦從切削原理上講，無論是端銑或是周銑都屬于斷續切削方式，而不像車削那樣連續切削，因此對刀具的要求較高，具有良好的抗沖擊性、韌性和耐磨性。在干式切削狀況下，還要求有良好的紅硬性； 2、精工銑加工實現機構—精工銑床 2.1 精工銑床分類 （1）按構造分類 ①工作臺升降式精工銑床 這類精工銑床采用工作臺移動、升降，而主軸不動的方式。小型精工銑床一般采用此種方式。 ②主軸頭升降式精工銑床 這類精工銑床采用工作臺縱向和橫向移動，且主軸沿垂向溜板上下運動；主軸頭升降式精工銑床在精度保持、承載重量、系統構成等方面具有很多優點，已成為精工銑床的主流。 ③龍門式精工銑床 這類精工銑床主軸可以在龍門架的橫向與垂向溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。大型精工銑床，因要考慮到擴大行程，縮小占地面積及剛性等技術上的問題，往往采用龍門架移動式。 （2）按通用銑床的分類方法分類 ①精工立式銑床 精工立式銑床在數量上一直占據精工銑床的大多數，應用范圍也最廣。從機床精工系繞控制的坐標數量來看，目前3坐標精工立銑仍占大多數；一般可進行3坐標聯動加工，但也有部分機床只能進行3個坐標中的任意兩個坐標聯動加工(常稱為2.5坐標加工)。此外，還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標軸中的其中一個或兩個軸作精工擺角運動的4坐標和5坐標精工立銑。 ②臥式精工銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸軸線平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式精工銑床通常采用增加精工轉盤或萬能精工轉盤來實現4、5坐標加工。這樣，不但工件側面上的連續回轉輪廓可以加工出來，而且可以實現在一次安裝中，通過轉盤改變工位，進行“四面加工”。 ③立臥兩用精工銑床 目前，這類精工銑床已不多見，由于這類銑床的主軸方向可以更換，能達到在一臺機床上既可以進行立式加工，又可以進行臥式加工，而同時具備上述兩類機床的功能，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工對象的余地更大，且給用戶帶來不少方便。特別是生產批量小，品種較多，又需要立、臥兩種方式加工時，用戶只需買一臺這樣的機床就行了。 2.2 精工銑床機械結構 精工銑床由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機、伺服裝置、精工系統等組成。 床身用于支撐和連接機床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當主軸箱內的主軸電機驅動主軸旋轉時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導軌在 Z 向移動，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導軌在 X 向移動，滑鞍可沿床身上的導軌在 Y 向移動，從而實現工件在 X 和 Y 向的移動。無論是 X、Y 向，還是 Z 向的移動都是靠伺服電機驅動滾珠絲杠來實現。伺服裝置用于驅動伺服電機。控制器用于輸入零件加工程序和控制機床工作狀態。控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。 2.3 精工銑床的精工系統 精工系統是數字控制系統的簡稱，英文名稱為（Numerical Control System），根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。通過利用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關量。一般整個精工系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。控制系統硬件是一個具有輸入輸出功能的專用計算機系統，按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；測量系統檢測機械的直線和回轉運動位置、速度，并反饋到控制系統和伺服驅動系統，來修正控制指令；伺服驅動系統將來自控制系統的控制指令和測量系統的反饋信息進行比較和控制調節，控制PWM電流驅動伺服電機，由伺服電機驅動機械按要求運動。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的精工系統。 按照伺服系統的控制方式，可以把精工系統分為以下幾類： （1）開環控制精工系統 這類精工系統不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的進給指令（多為脈沖接口）經驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電/斷電的 電流脈沖信號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構（齒輪箱，絲杠等）帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，從70年代開始，被廣泛應用于經濟型精工機床中。 （2）半閉環控制精工系統 位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際運行位置（直線位移），由于閉環的環路內不包括絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節，由這些環節造成的誤差不能由環路所矯正，其控制精度不如全閉環控制精工系統，但其調試方便，成本適中，可以獲得比較穩定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛采用。 （3）全閉環控制精工系統 位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進行調節控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些連接環節放在閉環內，導致整個系統連接剛度變差，因此調試時，其系統較難達到高增益，即容易產生振蕩。 3、精工銑加工工藝 精工銑加工工藝是指在精工機床上進行零件加工的一種工藝方法。 3.1 精工加工工藝特點 精工機床加工工藝與普通機床加工工藝在原則上基本相同，但精工加工的整個過程是自動進行的，因而又有其特點。 （1）工序的內容復雜。這是由于精工機床比普通機床價格貴，若只加工簡單工序在經濟上不合算，所以在精工機床上通常安排較復雜的工序，甚至在普通機床上難以完成的工序。 （2）工步的安排更為詳盡。這是因為在普通機床的加工工藝中不必考慮的問題，如工序內工步的安排、對刀點、換刀點及加工路線[2]。 3.2 精工加工工藝內容 一般來說，精工銑加工工藝包括以下內容： 工藝分析； 零件的裝夾與定位；刀具和切削用量的選擇；加工路線的分析；工序的安排。 （1）工藝分析，運用精工洗加工工藝的第一步是對所需加工對象進行工藝分析，工藝分析包括了如下內容：標注尺寸、要素全面、定位準確、統一的類型或尺寸。