实现大型复杂模具的简单加工

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实现大型复杂模具的简单加工

引 言 随着汽车工业的快速发展，汽车用各种大型、高装饰性模具的需求正在迅速增长，例如，汽车仪表板，设计人员正在不断地提高这类模具产品的尺寸和复杂性。因此，各种大型模具的生产已成为许多加工企业寻求机会进行全球竞争的新领域。但是，要想进入这一领域并不是一件容易的事情。在落后的加工技术下，机床进给速度缓慢、操作者需要对工件进行多次调试装夹，而且还需要几个小时的手工抛光作业，所以加工周期很长。因此，必须寻求更先进的加工技术使大型模具的加工如同加工小型模具那样简单容易。
大型模具加工中存在的主要问题

1.巨大的尺寸和重量

在加工大型模具时，如何应付其自身的巨大尺寸和重量是加工企业面临的一大挑战。大型模具的加工往往需要大量的劳动力、专用设备和多次调试装夹，而加工精度也受到多方面潜在因素的影响而不易保证。

2.购置成本问题

加工生产各类大型模具直接相关的最大费用就是机床的购置成本。能够生产大型模具的机床是相当昂贵的，尤其是在复杂工艺安排下，需要使用多台机床才能完成从模具粗加工到精加工的全部工序。这样的先期高投入成本也是很多企业进入这一市场的最大障碍。

由此，我们可以看出，如果可以在一台合适的机床上实现大型模具的粗加工和精加工，甚至仅需一次调试装夹，那么很多问题将迎刃而解，加工精度也可以得到保证。

大型模具加工中心

考虑到大型机床的通用加工精度和调试装夹的问题，我们必须探讨一下大型模具加工中心所必备的一些设计特点。

1.铸铁床身结构，机床主轴具有散热功能

铸铁材料具有很高的刚性和散热特性，因而是制造机床结构件最稳定的材料。对于铣削大型零件用的任何机床，首先需要具有非常结实的铸铁结构，并装备有具有散热功能的主轴。

就机床的主轴而言，它必须采用内置冷却技术，从轴承外面来冷却主轴，保证在长时间加工过程中，主轴本身不会被烧坏或不会因热膨胀而造成精度损失。

这些因素是非常重要的，因为大型模具的加工需要消耗很长的时间，同时在重切削条件下，这会增加模具的热量和应力。所以，机床的结构部件必须具有良好的刚性和散热特性，这是加工出大型优质模具的前提。因此，必须最大程度地限制加工过程中机床的振动，并快速扩散加工过程中产生的热量。

高精度曲面加工

2.热稳定技术

由于加工时间过长，环境温度的影响也是必须要考虑的。例如，在普通机床上加工大型模具，当环境温度变化10℃时，将会导致机床立柱发生6℃的温度变化，从而引起主轴角板平行度发生0.07mm的变化。因此，机床的设计必须考虑到环境温度的效应，避免环境温度影响到加工零件的精度。

3.速度

对于一台行程能够快速移动的大型模具加工中心来说，大型模具加工机床的主轴转速应至少达到20 000r/min，金属的切削速度应满足762～20 000mm/min。

4.精度

精度控制始终贯穿于模具加工的各个阶段，如果需要在一台加工中心上实现对大型模具的粗加工和精加工，那么必须严格控制机床的定位精度和重复定位精度。大型模具专用的加工中心，一般其定位精度可以达到±1.5μm，重复定位精度应达到±1μm。同时，其节距精度应保持在5μm之内。

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选择合适的加工机床和刀具可以实现成本和周期的双赢

5.反馈分辨率

机床自身的反馈分辨率对于检测加工零件的精度是十分重要的。采用标准的1μm反馈分辨率，通常所获得的结果并不十分理想。如果分辨率能够达到0.05μm，那么其精加工结果几乎没有任何瑕疵。而且，通过对机床分辨率、标尺反馈和小节距滚珠丝杠的控制可进一步提升零件表面的加工质量。

6.主轴

大型模具加工中心上使用的主轴必须达到进行粗加工、半精加工和高质量精加工的要求，而且作为一个参考标准，其能够实现的表面加工质量应该控制在2μm的水平。通常，对于模具闭合面和分型线部分的精加工十分重要，但在传统工艺下，许多模具制造商不得不采用手工抛光的方式，以弥补刀具加工精度不足的问题。因为，大型加工机床的造价昂贵，如果为此项工序购置多功能机床，显然是不切合实际的。



主轴角度可随工件改变的卧式加工中心

此外，合理的主轴设计必须能够最大程度地延长刀具的使用寿命，使其能够在加工周期内以低振动、低温升的状态持续工作。例如，在大型模具加工中心上加工汽车仪表板模具时，如采用16mmCBN镶刀片精加工刀具，加工速度可以达到8m/min，使用寿命超过30h，可以将加工表面质量控制在0.336～3.2μm。由此可知，考虑到加工大型模具时的刀具成本增加，采用专门设计的大型模具加工机床，不仅可以延长刀具使用寿命，而且可以大量节约加工每付模具的刀具使用成本。

7.可移动的多轴加工头

由于模具尺寸和重量的限制，一般装夹工件需要花费很长的时间。因此，采用3轴联动加工中心不仅减少了工件的调试装夹次数，而且又不影响机床的加工精度，从而使车间加工大型模具的生产能力大大提高。

可移动的多轴加工头可以用于加工结构特别复杂的大型模具，按可变几何形状设计的加工头可允许3轴联动加工，仅需一次装夹工件，便可铣削加工型腔很深的模具和冷却孔，以及切削加工许多其他几何形状复杂的部位。例如，当主轴以最佳的角度倾斜时，可提高加工头对铣削加工点的接近程度，这样便可实现利用多轴加工头完成对斜孔的加工。

此外，由于多轴加工头加工工件表面时，采用的是刀具的半径刀刃而不是刀具的刀尖，因此可提高表面粗糙度。

8.切屑管理

金属切削加工时会产生大量的切屑，如果不能及时排除，必然会导致二次切削，以及造成机床结构部件或者工件表面的温升。大型模具加工中心的工作台下面通常具有18个排屑孔，不管工作台移动到什么位置，都能够可靠地排除切屑。机床上有4条内置铰链式切屑传送带，以很高的速度将切屑排送到机床前面。

9.高压冷却液

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在大型模具加工时，高压冷却液有着非常重要的作用。例如，在采用2+3轴的加工方法钻削斜孔时，需要压力为1 000psi（1psi=6 890Pa）的冷却液才能有效地排除切屑，并达到更高精度的切削。而如果没有这种高压冷却液，则在加工斜孔时，需要增添额外的机床，需要二次装卡，降低加工精度，而且增加周期成本。

根据以上分析可以看出，实现对大型模具的简单加工需要机床具有更多、更好的功能。牧野开发的新型MCC2516VG3轴卧式加工中心，主轴转速可达15 000r/min，并采用了“轴芯冷却”方式和“轴承内压润滑”功能，保证主轴及其附属轴承可以得到及时、有效地冷却。此外，主轴不仅可沿横向的X轴、垂直方向的Y轴和前后方向的Z轴方向运动，还可配合A轴和C轴转动。由于具备2种分度功能，因此不仅可减轻调整作业量，还可切削结构复杂的工件，例如保险杠、仪表盘和汽车头灯透镜等。

汽车仪表板模具加工

汽车仪表板是汽车内饰件当中最为重要的组成部分，仪表板的造型和产品表面质量对整车的性能、美感及产品销售至关重要。牧野MCC2516VG型机床是专门为大型、复杂模具2+3轴加工而设计制造的主轴角度可随工件的几何形状作变换的卧式加工中心，其加工精度达到超高水平，加工后的模具表面粗糙度极高，不需钳工进一步打磨处理。可以实现在一台机床、一次装卡的前提下，利用加工头倾斜加工和尖端加工完成全部加工任务。

一般来说，诸如汽车仪表板之类的大型模具产品应该尽量采用一台3轴机床完成粗加工、半精加工和精加工，多轴加工机床由于结构刚性问题而不适用于粗加工，所以不能在多轴加工机床上完成大型模具的全部加工工序。但也有特殊情况。加工过程中有一条不变的准则：凡是加工直径较小的几何形状，需要采用较高主轴转速和较短刀具相结合的方法。对于大型模具上的细小难加工部位进行精加工时，应该采用多轴机床，因为这种加工只占据总加工时间的5%～10%。但是，如果将这种零件从3轴机床上转移到多轴机床上加工时，零件的加工时间将会大幅度上升。

结语

汽车工业的发展，对模具产业提出了越来越高的要求。对于大型模具产品的加工，依托现有的技术是完全可以实现的。只要我们清楚模具加工的关键以及机床的设计特性，我们就完全可以实现像加工小型模具那样简单、快速地加工大型复杂模具。