汽车车灯面罩模具竖纹的三轴加工创新

2014-01-02孙铁城王继群

科技视界 2014年33期

孙铁城王继群

（北京工业职业技术学院机电工程学院，中国北京100042）

0 引言

近几年来，随着数控多轴加工技术在数控领域中快速发展，多轴机床在数控机床中所占的比重越来越大，复杂机械零件的生产加工能力也进一步提高。但是，多轴数控机床的成本较高，价格昂贵，目前对于中小企业，多轴机床的普及率还不高。在生产加工中，如果遇到多轴加工的实例，企业自己本身又不具备多轴设备的情况下，可以通过加工创新，改进工艺的方法，使用三轴数控机床完成生产任务。本文在这里阐述了汽车车灯面罩模具竖纹的三轴加工创新过程。

1 汽车车灯面罩简介

从20世纪开始，汽车就已经成为人类社会重要的交通工具，大大方便了我们的出行，缩短了地域之间的距离，促进了经济的快速发展。汽车车灯面罩是汽车中不可或缺的组成部分，它起到保护车灯，调节光线，美观汽车外形的作用，面罩材质通常是塑料，在表面上有很多竖纹，如图 1。

图1 汽车车灯面罩

2 汽车车灯面罩模具结构设计

汽车车灯面罩一般是通过模具注塑成型的，由于车灯面罩表面通常被设计成若干竖纹的外形，这就要求生产它的模具内腔表面必须也具备若干竖纹，模具的竖纹结构如图2。由于竖纹的空间位置是倾斜的，因此给模具的生产加工带来了一定的难度。

图2 模具的竖纹结构

3 模具竖纹的三轴加工创新

3.1 五轴加工

由于汽车车灯面罩模具竖纹的空间位置是倾斜的，因此这项生产任务首选的加工设备是五轴加工中心，五轴加工中心的数控加工功能十分强大，刀具可以倾斜转动，从而解决了位置倾斜的竖纹难以加工的问题。

3.2 三轴加工方案创新分析

但是如果加工现场不具备五轴加工设备，如何用三轴的数控铣床来完成加工呢？我们知道，问题的关键在于模具竖纹的加工必须要求数控铣刀倾斜，而铣刀倾斜恰恰又是三轴铣床无法实现的，那我们可以做一个加工方案的创新，在三轴的数控铣床上增加一个角度头，先把角度头装在铣床的主轴上，然后把铣刀最终装在角度头上，让角度头去实现倾斜加工，如图3。

3.3 角度头的设计及功能

角度头该如何设计呢？

首先要让角度头具备两种运动方式，一种是绕数控铣床的主轴即Z轴转动，另一种是装卡数控铣刀的角度头悬臂可以摆动，如图4。如何来实现这两种运动方式呢？我们分别在两个运动部位上，通过设计2组法兰盘就可以实现，在每组法兰上设计36个螺纹孔，如图5。需要转动时，先卸下螺丝，就可以旋转法兰盘，再重新拧紧螺钉，这样角度头就能够以10度为单位进行机械旋转了，角度头悬臂摆动也是用这种方法。虽然没有实现连续旋转，但对于加工车灯模具已经没有问题了。

图3 角度头

图4 角度头旋转摆动示意图

图5 法兰盘示意图

其次，还要给角度头单独配伺服电动机，这一点也很重要。我们知道，装在数控铣床主轴的铣刀高速旋转铣削工件时，动力从哪来？当然是通过主轴伺服电动机传递的。同样道理，装在角度头悬臂上的铣刀铣削旋转的动力从哪来呢？可以有两种方法解决这个问题，一种方法是在角度头内部的机械结构中加入锥齿轮，利用锥齿轮把铣床原来主轴的旋转运动直接传递给角度头悬臂。另一种方法是给角度头单独配伺服电动机，利用伺服电动机带动角度头悬臂旋转，这里采用第二种方法。

再次，让角度头上部具备刀柄结构，这样做是为了能把角度头顺利的装卡在数控铣床的主轴上，使角度头与机床融为一体。

利用增加了角度头的三轴数控铣床就可以加工模具表面竖纹了，如图6所示，数控铣刀实现了倾斜加工，完成了模具制作。虽然设计制作角度头也需要一定的成本，但比起购买多轴设备，成本还是大大降低了，从而节约了资金。

图6 模具竖纹加工过程

3．4 模具精度的检测

汽车车灯面罩模具加工完成以后，使用三坐标测量机对其进行尺寸、形状、位置、曲面曲率的全方位检测。经过检测，增加了角度头的三轴数控铣床所加工的模具精度完全合格，与五轴数控机床加工效果的一样，达到了生产的标准。

3．5 加工成果

汽车车灯面罩模具的加工成果如图7所示。

图7 模具产品成果

3．6 展望

本次创新中的角度头并没有能够实现连续转动，而是依靠法兰盘以10度为单位进行机械转动，我们可以在此基础上进一步创新，通过对其机械结构和电气控制的改进，实现角度头连续转动，进一步提高它的加工功能，甚至可以用来加工航空航天、核能、能源领域的关键零部件，如飞机发动机的叶片、核电泵叶片、火电汽轮机叶片等，使其成为数控机床重要的附件。