高精度加工

第十二届车身研讨会论文汽车覆盖件模具高精度加工的数控编程技术天津汽车模具有限公司 刘晓英 赵文杰2000年6月汽车覆盖件模具高精度加工的数控编程技术天津汽车模具有限公司 刘晓英 赵文杰摘要：在模具型面的数控加工过程中，由于所产生的各项误差，影响了模具的质量和周期。本文通过分析数控加工时所产生的误差，从数控加工工艺数控编程刀具优化走刀方向及设定加工边界等方面探讨提高模具型面加工精度的方法。引言:随着我国汽车工业的迅速发展，汽车改型换代的周期日趋缩短，对汽车模具的制造精度和生产周期的要求越来越高。从某种意义上讲，汽车覆盖件模具的制造质量和周期，大大影响汽车改型换代的质量和周期，左右着汽车在市场上的竞争力。要想生产出高质量具有竞争力的汽车车身产品，必须首先制造出高质量的汽车模具，而高质量的汽车模具在很大程度上取决于模具的数控加工精度。因此如何应用CAM技术提高模具的加工精度受到模具同行们的广泛关注。天津汽车模具有限公司于1987年开始应用CAM技术，先后完成了天津夏利轿车换型改造的行李箱内外板前机盖内外板，天津华利汽车换型改造的前围板内外板，一汽捷达轿车翼子板，上海大众桑塔纳轿车，四川丰田旅行车，江西五十铃全顺汽车，北汽福田汽车等国内众多汽车厂家的各类大型模具的制造任务，不仅为企业创造了可观的经济效益，更主要的是我们在实现模具高精度加工的数控编程技术方面取得了许多宝贵的经验，为模具CAM技术的更好应用及更进一步的开发工作奠定了基础。本文将对汽车模具在数控加工时所产生的误差进行分析，并从数控加工工艺数控编程刀具优化走刀方向及设定加工边界等方面谈谈实现模具的高精度数控加工的一些方法，与大家交流探讨。2问题的提出 汽车覆盖件模具的设计制造周期主要取决模具的钳工研模及调整时间，发达国家如日本、美国及德国的模具加工中，数控加工及抛光所需的时间占整个模具研制时间的65%。在日本，模具的加工时间占30%，抛光时间占35%。美国和德国模具加工时间为50%，抛光时间为15%。从上述统计数字可以看出，模具的研制时间的缩短，制造质量的提高，主要取决于数控加工质量的提高和抛光时间的缩短。通常模具凸凹模加工完成后，其凸凹模型面的法向距离理论上应为汽车产品件的板料厚度，但是由于加工过程中产生的各种误差，通常达不到理论值，确切地说达到板料厚度的95%时既为合格。超过此范围的部分由钳工修配及抛光来去除。因此为缩短模具的钳工研制时间，降低制造成本，提高加工质量，必须提高模具的数控加工质量，进行高精度的数控加工。如何通过控制数控加工精度以缩短抛光时间，是各模具企业面临的实际问题。3 数控加工所产生的误差分析1 加工误差的定义 图1 凸凹模在合模示意图 图2 刀具因受切削力产生的误差示意图 如图1所示，数控加工完成后，模具凸凹模在合模后的法向间隙理论上应该等于汽车产品件板料厚度w，而实际上由于加工时产生的各项误差值，使得模具的实际型面不可能100%地符合，一般凸凹模在合模后的法向间隙低于板料厚度w。那么其中的误差值就必须通过钳工修磨加以修正。2 产生误差的因素分析1）工艺系统让刀误差1如图2所示，由于工艺系统存在一定的刚度，在铣削力作用下，刀具在实际切削过程中存在着让刀现象，产生让刀误差1，最后将导致实际型面与理论型面的偏差。让刀误差的大小取决于工艺系统的刚度、被加工材料材质等因素。2）刀具磨损误差2 在数控加工过程中，刀具在切削材料时，对于不同的加工材料会产生不同的刀具磨损误差2，并且在磨损状态下加工使切削力骤增，加剧了系统的让刀变形。我们通过实验得到刀具磨损误差2 与时间的关系，为补偿提供了依据。3）加工刀轴方向与切削表面的法向夹角对精度的影响3汽车覆盖件的形状非常复杂，使得刀具在实际切削过程中刀轴方向与切削表面的法向夹角在随时变化。如图4所示，当刀轴方向与切削表面的法向夹角为0时，切削点切削速度理论上为零，致使刀具与被加工表面之间产生挤压，刀具不易切入被加工表面，刀具的加工状态不良，加工质量差。若刀轴方向与切削表面的法向夹角为90度时，刀具挠曲变形量将达到最大值，从而导至刀具让刀量达到最大值，很显然这两种极限加工状态对加工精度都不利，只有当二者的相对位置处于图4所示的状态时，才能够既保证刀具挠曲变形量比较小又保证了切削点落在切削性能良好的部位，加工精度则显著提高。经计算可知此时a=30度。图3 刀轴方向与切削表面的法向夹角对精度的影响 4）加工刀具所产生的误差4在进行模具型面数控加工时，主要选用镶片式球刀。在其刀体上为了装卡硬质合金刀片有若干个凹槽和螺钉孔，因此造成刀具的刚度不足，在加工过程中容易产生让刀现象。在加工斜面时更为显著。另外，其硬质合金刀片的精度也直接关系到刀具的精度，经检测发现，国产刀片每两片之间的误差最大可达到0.2mm。因此，在加工过程中由于刀片损坏而需要更换另一片时，虽然经过重新对刀，仍抵消不了刀片间误差所造成的影响。镶片刀具的安装精度为：二片镶片刀：0.1-0.2；一片镶片刀：0.03；整体刀具：0.01-0.02。可见刀具本身对加工精度的影响十分显著。4 实现高精度加工的数控编程技术1） 数控加工工艺的改进a. 在模具型面粗精加工前，先进行型面的清根加工，其加工余量可与相应型面加工相同或者大一些。这样，可以把凹根处较大的加工量先切削掉，从而使型面加工比较畅顺，提高加工的效率。b. 在模具型面精加工后，增加清根加工的刀具种类，比如：25，20，16，等，对于凹圆角半径等于某一个清根刀具半径的情况，将清根加工方式改为顺着凹根走向加工，一次走刀完成。对于介于两种清根刀具半径之间的凹圆角，则采用较小的清根刀具顺着凹根走向往复式加工，多次走刀完成清根加工。c. 增加半精加工，或者说将1.0mm的加工余量分为两次加工，设定半精加工的移行为4.0mm，加工余量为0.6mm。d. 缩小精加工的移行量，将精加工的移行设定为1.0mm，那么在平面处加工后残留高仅为0.008mm。改进后的数控工艺可能会增加模具的编程工时，但是它能大大提高模具的型面质量，缩短模具的研制时间。2） 设定编程刀具半径来实现加工误差的补偿按着常规的编程方法，凸凹模之间的间隙应定义为一个料厚，但是由于以上所分析的加工误差1234的产生，实际加工完成后凸凹模型面之间的间隙要小于一个料厚，这样就会大大增加钳工的研磨时间。通过大量的实践我们发现，可以采用通过设定编程刀具半径的方法来实现加工误差的补偿，即数控编程时将刀具半径设定为比数控加工时所采用的刀具半径要小，由于我们所采用的CAM系统为美国通用公司的UGII软件中的CAM模块，它所输出的数控加工程序为刀具的刀心底点，这样在实际加工时，在模具型面的平面处不会产生过切，但在模具型面的陡峭处会将加工时所产生的误差补偿掉，从而使凸凹模合模后达到模具的精度要求。如下图所示：我们采用这种方法数控加工了大量的汽车内板件模具型面，通过钳工研磨发现：凸凹模之间的间隙基本上为一个料厚，大大缩短了钳工的研磨时间，并提高了模具的表面质量。3） 通过设定加工边界与加工刀具等工艺参数的最佳组合来提高加工精度 不同的刀具其耐用度是不同的，通过实测各种类型刀具的磨损曲线，实际加工确定各个刀具的磨损量，以确定在模具表面质量允许的条件下，该刀具最大的切削距离。从而确定加工程序的大小，也就是加工边界大小。这样我们在编程时，就可以针对不同模具型面，不同加工刀具确定数控加工程序的加工边界，达到刀具与边界的最佳组合，以确保在数控加工时能够快速准确的进行加工，并保证每个边界内型面的加工精度。4） 合理划分加工边界，优化走刀走向模具型面加工一般分为粗加工和精加工两个阶段。粗加工采用50镶片式球刀进行往复式加工（zigzag），由于采用实体铸造，模具毛坯型面的加工余量一般为10mm左右，为了保证良好的切削条件，对于较平缓型面采用沿着符型区域的长手方向加工，对于较陡峭型面采用等高线方法从上向下加工。以达到最高的加工效率，最小的刀具磨损。精加工采用30镶片式球刀进行往复式加工，由于精加工具有切削量少而均匀，加工精度要求高等特点，因此，为了提高切削效率，保证精度要求，应设置为往复式加工方式（zigzag），对于较平缓型面采用沿着符型区域的长手方向加工，以减少刀具在换行时所引起的速度减慢。同时对于较陡峭型面采用等高线方法从上向下加工，这样使刀具在加工时磨损量最小，让刀量最小，因而所产生的加工误差也最小。五 加工实例采用以上技术对夏利顶盖复制模进行了数控程序编制，边界划分及走走刀方向按上述方法，如图7所示，结果证明，采用这些技术后精度大大提高，间隙均匀度由过去的80%提高到现在的93%。 夏利顶盖复制模数控加工走刀方向 五 结束语通过提高NC编程水平在很大程度上提高了模具的数控加工精度，减少了钳工研修量和调整工作量，从而节约了总工时，从整体上缩短了模具制造周期。同时由于减少了钳工的参与，使模具型面的精度大大提高。我们利用此项技术加工的一汽捷达轿车翼子板外板的模具，受到了德国专家的一致好评。为天津汽车模具有限公司生产的模具能够进入国际市场创造了有利的条件。 2000/2/1