傳統(tǒng)的冷、溫鍛造凹模制造過程

　　冷、溫鍛造凹模傳統(tǒng)的制造過程為：模坯粗加工→熱處理→預(yù)應(yīng)力環(huán)壓裝→精車/磨→放電加工→模腔研磨/拋光。以上制造過程中，放電加工是模腔成形的關(guān)鍵工序，也是整個(gè)模具制造過程中占用制造周期最長的一個(gè)工序。傳統(tǒng)的冷、溫鍛造模具制造過程中，放電加工占有重要地位。幾十年來，用于模具生產(chǎn)的各種放電加工設(shè)備也取得了巨大的進(jìn)展，放電加工成形的精度、效率逐年提高。在全球推動(dòng)綠色制造的形勢下，冷、溫鍛造生產(chǎn)得到了快速發(fā)展，對冷、溫鍛造模具的制造精度和快速制模要求越來越迫切，傳統(tǒng)的放電加工越來越不能滿足需要。

 

　　模具的放電成形主要不足之處表現(xiàn)為：

　　（1）因電加工白層影響，在生產(chǎn)過程中，模具早期開裂現(xiàn)象較為普遍，模具壽命始終沒有大的提升。

　　（2）電加工表面粗糙度達(dá)不到冷鍛模具要求，同時(shí)為了盡可能消除白層的影響，在后續(xù)工序中還需大量人工研磨拋光，生產(chǎn)周期長且影響尺寸精度。

　　（3）加工尺寸精度不高，如汽車等速萬向節(jié)星形套成形模具尺寸精度希望控制在0.015mm以內(nèi)，當(dāng)模腔采用放電加工-研磨-拋光成形時(shí)，模腔尺寸精度往往在0.05mm以上，難以滿足客戶對精密鍛件不斷提高的質(zhì)量要求。

　　（4）放電加工需要預(yù)先制造電極，加工周期長，難以適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)方式。一般情況下，電極準(zhǔn)備和放電加工至少要2天的時(shí)間，整個(gè)模具制造周期在10天以上。成形沖頭類模具因電加工余量較大，有時(shí)放電加工需要2天以上，整個(gè)模具制造周期長達(dá)15天以上。

　　（5）因電極損耗影響，模具加工一次合格率低。如汽車等速萬向節(jié)星形套模具的一次加工合格率僅有70%，大量模具需要二次修復(fù)，加工成本也難以得到有效控制。放電加工的工業(yè)化應(yīng)用已有幾十年的歷史，鑒于近期新的技術(shù)很難突破，我公司在2004年引進(jìn)了瑞士MIKRON三軸高速銑床，2007年又引進(jìn)了五軸高速銑床，由此模具的主要加工形式也發(fā)生了變化。

冷、溫鍛造凹模高速硬銑成形制造過程

　　冷、溫鍛造凹模高速硬銑成形制造過程為：模坯粗加工→模腔粗銑成形→熱處理→預(yù)應(yīng)力環(huán)壓裝→精車/磨→裝配基準(zhǔn)→模腔高速硬銑成形→模腔珩磨/拋光。數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最重要的一項(xiàng)工藝，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。通過幾年摸索與實(shí)踐，我們基本掌握了高速銑加工的特點(diǎn)，與電加工方式相比，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

 

　　（1）省略了電極加工，減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。特別是高速銑削的高效率切除金屬的特點(diǎn)，使模具制造周期大為縮短。以汽車等速萬向節(jié)星形套成形凹模為例，重量1～2kg復(fù)雜零件的冷鍛模具和6～10mm中厚復(fù)雜零件的精沖模具一個(gè)未經(jīng)預(yù)銑加工的模腔，全部精密銑削（硬銑）成形可在2～3h內(nèi)完成，模具加工周期縮短至3天以內(nèi)。模塊標(biāo)準(zhǔn)化后，可在計(jì)劃下達(dá)的4h內(nèi)將模具加工完并交付使用，這在以前是不可想象的。

　　（2）高速加工可以一次將型腔和定位銷孔加工完成。模具型腔尺寸精度可以達(dá)到0.015m m以內(nèi)，等分度誤差達(dá)到±1′。與電加工相比，提升了模具的加工精度，為精鍛件質(zhì)量水平的持續(xù)提高提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

　　（3）高速銑削使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了模具表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件（58～63H R C）的加工過程中，采用高速切削成形的模具，后續(xù)只需擠壓珩磨和拋光后即可交付使用，但電加工白層用擠壓珩磨很難完全去除。

　　（4）高速銑削模具表面沒有電加工產(chǎn)生的微裂紋，杜絕了表面早期開裂失效。原來星形套閉塞成形模具壽命只有4 000件左右，壽命很不穩(wěn)定，現(xiàn)在已提高到了2萬件以上，且壽命穩(wěn)定。

　　（5）模具在使用過程中往往需要多次修復(fù)，過去靠電加工多次修復(fù)來完成，采用高速加工后可更快地完成該工作，且可以使用原NC程序，無需重新編制。在淬硬模塊的高速硬銑成形過程中，根據(jù)各種模具復(fù)雜情況的不同，我們采用不同的加工方式：

 

　　其一，型腔較淺的模具（如星形套）采用三軸加工方法即可滿足要求。

　　其二，對于有后隙的沖頭類工件采用四軸聯(lián)動(dòng)的加工方法，可以一次裝夾完成刃帶、后隙及導(dǎo)向部分的加工。模具具有較低的表面粗糙度，后續(xù)只需直接拋光即可使用。

　　其三，對于形狀復(fù)雜的沖頭采用五軸聯(lián)動(dòng)加工，可以得到精確尺寸、優(yōu)良的表面粗糙度。較深或形狀復(fù)雜的凹模，采用熱固式夾頭五軸聯(lián)動(dòng)加工，對于很小的圓弧和拐角也能做到完美的處理。

　　其四，對于型腔較淺的模具，使用三軸加工就能夠滿足要求，但在冷、溫鍛造中多數(shù)為有后隙沖頭和型腔較深的模具，采用三軸加工要么無法加工，要么加工出來的模具精度很差，表面粗糙度很高，這一類模具需采用四軸、五軸數(shù)控銑削加工完成。

 

五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削成形應(yīng)用

　　（1）五軸聯(lián)動(dòng)銑削的優(yōu)勢 可以優(yōu)化切削過程與參數(shù)，有利于降低刀具磨損，減少后續(xù)加工，是汽車模具加工技術(shù)發(fā)展的潮流。適合于使用球頭銑刀加工小曲率的凸表面和較淺的凹表面，也可用于使用銑刀側(cè)面加工自由表面。采用五軸高速切削技術(shù)加工時(shí)，必須考慮盡可能用最短的切削刀具完成整個(gè)模具的加工，從而使加工模具精度高、表面質(zhì)量好，避免返工，同時(shí)減少人工拋光時(shí)間，五軸加工路徑的情況: 使用短的切削刀具是五軸加工的主要特征。短刀具會(huì)明顯地降低刀具偏差，從而獲得良好的表面質(zhì)量。五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工模具的目標(biāo)是：盡可能用最短的切削工具完成整個(gè)工件的加工，也包括減少編程、裝夾及加工時(shí)間來得到更加完美的表面質(zhì)量。

　　（2）“3軸”和“3＋2軸”加工 只要工件型腔不是很深，三軸刀具路徑就足夠了。如果工件型腔很深并有很窄的部位，使用純粹的三軸刀具路徑來完成整個(gè)精加工是不夠的。這種情況下，差的表面質(zhì)量和較長的加工時(shí)間隨之而來。三軸刀具路徑的情況: 最短刀具的走刀長度必須很長，以期在垂直的方向上能夠加工到工件的所有區(qū)域。　

   采用較短刀具時(shí)，主軸應(yīng)傾斜，以保證工件的特殊區(qū)域也能被加工到。“3＋2軸”加工通常設(shè)置一個(gè)相對主軸的常量角度。復(fù)雜工件可能要求更多的傾斜視圖以覆蓋整個(gè)工件，但這樣會(huì)導(dǎo)致刀具路徑重疊，從而增加加工時(shí)間。另外，所有的傾斜視圖也很難準(zhǔn)確結(jié)合，因而手工打磨的工作量會(huì)增加，同時(shí)還極大地增多了進(jìn)出動(dòng)作，常導(dǎo)致表面質(zhì)量問題和更多的刀具運(yùn)動(dòng)。　

      為了克服“3＋2軸”加工的缺點(diǎn)，五軸聯(lián)動(dòng)加工可能是一個(gè)更好的選擇，五軸聯(lián)動(dòng)加工能協(xié)調(diào)三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸使它們同時(shí)動(dòng)作，解決了“3軸”和“3+2軸”加工的所有問題。刀具可以非常短，且不會(huì)產(chǎn)生視圖重疊現(xiàn)象，遺漏加工區(qū)域的可能性更小，加工可以連續(xù)進(jìn)行而無需額外的導(dǎo)入、導(dǎo)出。

五軸銑削機(jī)床

　　五軸銑削機(jī)床具有多種不同的配置。

　　其一，通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可使工件在兩個(gè)自由度上自由旋轉(zhuǎn)，這種情況下主軸只能沿軸向移動(dòng)。其二，主軸安裝方式可提供兩個(gè)自由度，使銑刀旋轉(zhuǎn)，這種情況下工件不能移動(dòng)。其三，系統(tǒng)可以是以上兩種情況的組合，一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸由主軸充當(dāng)。購買三軸銑床時(shí)需考慮幾個(gè)不同的特征，如主軸功率、轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給率、工作范圍及重量極限等。評估五軸機(jī)床時(shí)，除了這些，還必須考慮如下幾個(gè)方面：

 

　　（1）復(fù)定位精度 重復(fù)定位性是指五軸機(jī)床具有能返回同一點(diǎn)并保持矢量一致性的能力。對五軸機(jī)床的重復(fù)定位精度來說，不僅是軸向位置的精度，還要考慮角度定位精度。

　　（2）轉(zhuǎn)速 其實(shí)也意味著刀具相對與工件的旋轉(zhuǎn)速度，這個(gè)值越快，機(jī)床切削速度也越快。老式五軸機(jī)床的轉(zhuǎn)速較慢，達(dá)不到高性能加工的生產(chǎn)要求。針對淬硬鋼加工方面考慮，30 000r/min左右的最高轉(zhuǎn)速已夠用，不必花高價(jià)追求特別高速的配置。

　　（3）角度極限 角度極限是銑床銑頭所允許的旋轉(zhuǎn)角度的物理極限，這是以特殊機(jī)床設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的。假如需要銑頭傾斜50°來使用最短的刀具或切削倒角，只具備30°旋轉(zhuǎn)極限的銑頭，當(dāng)然不能完成這次裝夾工況下的加工任務(wù)。

　　（4）五軸聯(lián)動(dòng)銑削C A M軟件 采用了五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工后，“3＋2軸”加工的問題并沒有完全得到解決，編程問題轉(zhuǎn)化成了C A M系統(tǒng)問題，振動(dòng)控制也成了最重要的考慮事項(xiàng)。C A M系統(tǒng)僅發(fā)現(xiàn)工件、刀具及錐柄間的振動(dòng)是不夠的，必須還能自動(dòng)消除這些振動(dòng)，這樣C A M 編程者就不需要手動(dòng)調(diào)整上千萬個(gè)或更多數(shù)據(jù)點(diǎn)的傾斜角度。另外，C A M系統(tǒng)的五軸自動(dòng)編程可獲得最優(yōu)化的刀具應(yīng)用。

 

　　自動(dòng)刀柄振動(dòng)消除對于深腔件的加工非常需要，尤其是高效加工，自動(dòng)刀柄振動(dòng)消除和較多形式的切削方式組合，使五軸模具加工具有更高的效率和柔性。當(dāng)評估用于加工模具的C A M軟件時(shí)，尤其是對于深腔模具加工，有許多因素需要考慮，如五軸功能的柔性，五軸切削路徑的可靠性、易用性，以及五軸銑削機(jī)床的極限等。

 

結(jié)語

　　五軸聯(lián)動(dòng)高速加工在效率、精度及質(zhì)量方面的優(yōu)勢，將使高速加工在冷、溫鍛模制造方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。但推廣應(yīng)用最大的障礙是設(shè)備投資巨大，刀具價(jià)格昂貴。當(dāng)前，國家將多軸聯(lián)動(dòng)高速數(shù)控加工中心列入高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項(xiàng)，一旦實(shí)現(xiàn)裝備和刀具的國產(chǎn)化，將對高速加工在冷、溫鍛造模具制造中應(yīng)用起到巨大的推動(dòng)作用。