汽车侧围模具的数控加工制造

□ 李 超

上海大众汽车有限公司 上海 201805

1 加工背景

数控机床五轴加工中心作为航空航天、模具、精密机械、军工等行业的关键加工设备,为现代工业生产的发展奠定了基础。冲压模具是汽车制造过程中的关键装备,占汽车制造过程中所需模具总量的2/3左右。如今,对冲压模具自身结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度、加工精度都有着越来越高的要求。对数控机床在制造模具进行正确合理使用,为机械加工的效率和精准度提供了有力支撑。

当前,根据数控机床的发展,数控加工技术以程序实现对模具的加工,对产品生产数据进行精准控制,在研发并交付高质量模具过程中承担着越来越重要的作用。

在某车型侧围外板模具OP20新制项目中,受现有插铣刀长度条件限制,下模芯前后门框内导滑面无法加工,导致前后门洞压料芯无法安装到位,导滑面尺寸精度、表面质量无法达到验收标准,需要紧急制订优化措施。

2 方案分析

当前加工中心刀库中的插铣刀无法满足模芯内导滑面超程所需的深度,仅能满足上下模架合模时导滑面的加工要求。当前情况如图1所示。

图1 当前情况

受项目采购周期时间限制,项目节点风险预警。经过对具体加工工艺进行深入分析,为确保加工质量,采用特殊加工工艺应对侧围模具加工,拟采取两种方案。

方案一为模芯正面加工。使用球头刀,摆角度加工。优点是可以安装在模架中加工,整体性较好,根据模架三销孔基准,加工尺寸偏差小。缺点是不如插铣的垂直精度高,干涉因素为模芯型面。

方案二为模芯反面向上加工。使用球头刀,摆角度加工。优点是摆角度干涉情况少,干涉因素为平面。缺点是整体偏差比较大,需要在反面结构精加工时一步到位,翻身加工正面及装配完成后位置偏移导致尺寸误差大。

综合分析评判后,建议按照方案一实施加工,可以保证侧围模具加工精度在可控范围内,同时方案一需要充分考虑干涉因素和精确计算摆角角度。

3 工艺参数

工艺参数的确定对加工质量的好坏起到至关重要的作用,对零件精度等方面有直接影响。由此,根据使用的刀具、加工的型面材料和要求,确定切削用量,并结合数控程序调试结果及加工实际决定工艺参数。合理的工艺参数能保数控机床运行安全,达到最佳工作状态。

粗加工阶段对加工材料中的加工余量大幅度切削去除,对加工对象表面质量要求相对较低,一般情况下表面粗糙度Ra要求为12.5～25 μm,切削深度为3～6 mm,留半精加工余量1～2 mm。

半精加工阶段在粗加工基础上继续进行精细化加工处理,对加工对象表面进行光滑加工处理,同时对部分残留较多加工余量的边角切削处理,一般使用刀具规格较粗加工阶段小,为精加工预留均匀加工余量。经半精加工处理后,表面粗糙度Ra达到3.2～12.5 μm,轴向径向切削深度不超过1.5～2 mm,留精加工余量0.3～0.5 mm。

在精加工阶段,需要保证达到加工图纸要求的尺寸精度和表面粗糙度要求。表面粗糙度Ra应达到0.8～1 μm,轴向径向切削深度则不超过0.3～0.5 mm。

4 实施过程

当前加工高精度模具已经广泛使用五轴数控机床,五轴数控机床在自由曲面加工中体现出优越性。五轴数控机床可根据不同用途和功能分为正交与非正交两种,摆角转动原理如图2所示。正交五轴数控机床摆角A的范围在90°～100°之间。两种数控机床的主轴机械结构完全不同,不同场景下的应用也有不同,在特定情况下基于不同结构可以解决不同问题。侧围模具内导滑面加工过程中,因位置极限需模拟不同角度及不同主轴的最优方案。

图2 五轴数控机床摆角转动原理

极限情况下,需要模拟各种角度加工的可行性,并逐一排除。对正交五轴数控机床进行分析,因为正交五轴数控机床涉及的摆角转动原理相对简单,所以对于加工精度要求较高的场合,首先使用正交五轴数控机床。

在充分考虑实际应用场景和加工条件的前提下,调整摆角A和摆角C。在包围式结构内部加工,需要考虑各方向的干涉情况。正交五轴数控机床模拟干涉如图3所示,考虑到干涉原因,排除使用正交五轴数控机床加工的可行性。

图3 正交五轴数控机床模拟干涉

非正交五轴数控机床主轴不同于正交五轴数控机床,也可能同时带来极限情况下同方位摆角切换的问题。目前编程软件暂时没有可以直接换算得出同方位摆角第二解的功能,需要手动通过计算完成。此求解过程可通过自行建模完成,根据非正交五轴数控机床主轴结构组成,编程软件在计算非正交五轴数控机床角度时默认摆角方向存在非常明显的干涉,同时在无其它更优解的情况下,通过非正交五轴数控机床同方位摆角角度换算关系,模拟主轴在同方位的第二解,可以为封闭结构内部加工提供可靠解决方案。具体方法为根据现有正交五轴数控机床摆角A、C,通过建模换算软件换算出非正交五轴数控机床同方位摆角两个解,如图4所示。分别检查主轴与结构的干涉情况,同时要注意非正交五轴数控机床摆角两个解中的摆角C,根据相位差原理,减去90°方可使用。

图4 非正交五轴数控机床摆角换算

非正交五轴数控机床摆角两个解代入程序中,模拟显示干涉情况,第一解适用,第二解干涉。适用解如图5所示,干涉解如图6所示。

图5 非正交五轴数控机床摆角适用解

图6 非正交五轴数控机床摆角干涉解

摆角A为310°,摆角C为19.498°,与模芯存在干涉。摆角A为49.999°,摆角C为163°,不存在干涉,可以作为解决方案中的最终解使用。排除正交五轴数控机床解决可能性,排除非正交五轴数控机床同方位摆角不可使用解,留下唯一解,即为最终解决方案。

5 生产效果

在某些特殊情况下,需要使用特殊工艺完成难点和重点工作,侧围模具的数控加工制造效果较好,导滑面测量报告如图7所示。

图7 导滑面测量报告

在编程过程中,考虑到导滑面尺寸精度、表面质量、垂直度等关键因素,在编程参数上做出一定优化,反复试验粗精加工余量、步距、加工方式、进给等相关参数,最终完成情况比较理想,为今后类似模具的加工提供了可靠的技术支持。

6 结束语

汽车模具在生产精度与生产质量方面的要求较高,仅仅使用一种加工工艺方案,有时难以确保达到生产质量要求。由此,数控编程时需要考虑多种加工工艺,包括工艺技术、数控加工仿真技术、计算机辅助制造技术、计算机辅助设计技术。借助不同数控加工工艺的优势,可以保证或提升模具的生产精度和质量。

数控机床的合理运用及优化创新,是对传统行业机械模具制造技术和质量突破的关键。数控技术正朝着高速化、高精度、多轴联动、集成化、信息化的方向发展,只有不断创新和改进,才能提高生产质量和效率。作为制造业工作人员,应充分意识到高精度数控机床及其技术给生产制造带来的便利,不断尝试科学合理的方法运用数据机床,促进数控加工行业的稳定可持续发展。