?模具加工技術(shù) - 加工中心
模具加工技術(shù) 模具作為工業(yè)技術(shù)的核心產(chǎn)品，本身就蘊(yùn)含了各種各樣的技術(shù)精華。比如一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、進(jìn)度優(yōu)化等等，包括了工業(yè)機(jī)械設(shè)備加工中的主要切削功能，它是各種工業(yè)機(jī)械設(shè)備加工技巧的代言人[1]。 并且模具在現(xiàn)實(shí)生活中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧蚕喈?dāng)重要，比如很多日常工作中使用的手機(jī)、小靈通、電話機(jī)、傳真機(jī)、電腦、打印機(jī)等，以及日用品，臉盆、牙杯、水桶等等，都需要模具來(lái)做父母一樣的角色，才能生產(chǎn)出模具成品來(lái)。還有社會(huì)交通工具，特別是各類型汽車上的配件，發(fā)動(dòng)機(jī)、保險(xiǎn)杠、儀表盤、方向盤、門把手等；塑膠的、鋁鋅壓鑄的、膠木的、五金冷沖的、吹塑的、橡膠的，很多很多；尤其在我們國(guó)家改革開(kāi)放以后，社會(huì)不斷的進(jìn)步發(fā)展，消費(fèi)不斷的刺激需求，新產(chǎn)品、新款式的不斷開(kāi)發(fā)變換，模具就被當(dāng)作一種產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)一樣蓬勃發(fā)展，一枝獨(dú)秀了。模具加工在70、80年代的時(shí)候，還是以手工作業(yè)為主，尤以鉗工優(yōu)先，且分一至八等級(jí)。模具結(jié)構(gòu)中簡(jiǎn)單的、復(fù)雜的產(chǎn)品面，基本上以手工來(lái)完成（型腔、型芯、滑塊等）。到了80 年代 90年代初，有了現(xiàn)在一些基本的機(jī)械設(shè)備來(lái)輔助手工制作模具，電火花加工，線切割加工，車床，銑床，刨床，磨床等等，但還是依靠了基本的手搖動(dòng)作，在精度與速度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要；到了90年代，模具加工終于是出現(xiàn)了以數(shù) 字化控制工業(yè)機(jī)械設(shè)備的技術(shù)。 現(xiàn)在模具制造的主要加工方法有以下幾種： 1. 機(jī)械(切削）加工 機(jī)械加工（即傳統(tǒng)的切削與磨削加工）是模具制造不可缺少的一種重要的加工方法。機(jī)械加工的特點(diǎn)是加工精度高、生產(chǎn)效率高。但加工復(fù)雜的形狀時(shí)，加工速度慢，硬材料也難加工，材料利用率不高。 2. 特種加工 特種加工從廣義上說(shuō)，特種加工是指直接利用電能、化學(xué)能、聲能、光能等來(lái)去除工件上多余的材料，以達(dá)到一定形狀、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括電火花成形加工、線切割加工、電解加工、電化學(xué)拋光、電鑄、化學(xué)刻蝕、超聲波加工、激光加工等。特種加工與工件的硬度無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)以柔克剛，并可加工各種復(fù)雜形狀的零件。特種加工在模具制造中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 3、成型加工 （1）塑性加工：塑性加工主要指（冷熱）擠壓制模法，即將淬火過(guò)的成形模強(qiáng)力壓入未進(jìn)行硬化處理的模坯中，使成形模的形狀復(fù)印在被壓的模坯上，制成所需要的模具。 這種成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各種復(fù)雜型面的模具。 （2）鑄造加工：對(duì)于一些精度和使用壽命要求不高的模具，可以采用簡(jiǎn)單方便的鑄造法快速成形。例如：鋅基合金模具，用低熔點(diǎn)材料鋅基合金鑄造模具，其制模速度快，容易制成形狀復(fù)雜的模具。但模具材質(zhì)較軟，耐熱性差，所以模具壽命短，多用于試制和小批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。 其他如砂型鑄造、陶瓷型制造、實(shí)型鑄造等等。 （3）焊接加工：焊接法制模是將加工好的模塊焊接在一起，形成所需的模具。這種方法與整體加工相比，加工簡(jiǎn)單、尺寸大小不受限制，但精度難于保證，易殘留熱應(yīng)變及內(nèi)部應(yīng)力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。 本文主要介紹模具加工中的較傳統(tǒng)但是應(yīng)用很廣泛的加工方法：精工銑加工。 1、精工銑加工基礎(chǔ) 1.1 精工銑加工概述 精工銑加工是指在精工銑床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法，精工銑加工與傳統(tǒng)機(jī)床加工的工藝規(guī)程從總體上說(shuō)是一致的，但也發(fā)生了明顯的變化。用數(shù)字信息控制零件和刀具位移的機(jī)械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀復(fù)雜、精度高等問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)高效化和自動(dòng)化加工的有效途徑。 1.2 精工加工原理 采用精工機(jī)床加工零件時(shí)，只需要將零件圖形和工藝參數(shù)、加工步驟等以數(shù)字信息的形式，編成程序代碼輸入到機(jī)床控制系統(tǒng)中，再由其進(jìn)行運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)成驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的指令信號(hào)，從而控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，自動(dòng)地加工出零件來(lái)。當(dāng)更換加工對(duì)象時(shí)，只需要重新編寫程序代碼，輸入給機(jī)床，即可由精工裝置代替人的大腦和雙手的大部分功能，控制加工的全過(guò)程，制造出任意復(fù)雜的零件。 1.3 精工銑加工特點(diǎn) ①零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等；②能加工普通機(jī)床無(wú)法加工或很難加工的零件，如用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線零件以及三維空間曲面類零件；③能加工一次裝夾定位后，需進(jìn)行多道工序加工的零件；④加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，目前現(xiàn)在精工裝置的脈沖當(dāng)量一般為0.001mm，高精度的精工系統(tǒng)可達(dá)0.1μm，另外，精工加工還避免了操作人員的操作失誤；⑤生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。有利于生產(chǎn)管理自動(dòng)化；⑥生產(chǎn)效率高，精工銑床一般不需要使用專用夾具等專用工藝設(shè)備，在更換工件時(shí)只需調(diào)用存儲(chǔ)于精工裝置中的加工程序、裝夾工具和調(diào)整刀具數(shù)據(jù)即可，因而大大縮短了生產(chǎn)周期。其次，精工銑床具有銑床、鏜床、 鉆床的功能，使工序高度集中，大大提高了生產(chǎn)效率。另外，精工銑床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都是無(wú)級(jí)變速的，因此有利于選擇******切削用量；⑦從切削原理上講，無(wú)論是端銑或是周銑都屬于斷續(xù)切削方式，而不像車削那樣連續(xù)切削，因此對(duì)刀具的要求較高，具有良好的抗沖擊性、韌性和耐磨性。在干式切削狀況下，還要求有良好的紅硬性； 2、精工銑加工實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)—精工銑床 2.1 精工銑床分類 （1）按構(gòu)造分類 ①工作臺(tái)升降式精工銑床 這類精工銑床采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降，而主軸不動(dòng)的方式。小型精工銑床一般采用此種方式。 ②主軸頭升降式精工銑床 這類精工銑床采用工作臺(tái)縱向和橫向移動(dòng)，且主軸沿垂向溜板上下運(yùn)動(dòng)；主軸頭升降式精工銑床在精度保持、承載重量、系統(tǒng)構(gòu)成等方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，已成為精工銑床的主流。 ③龍門式精工銑床 這類精工銑床主軸可以在龍門架的橫向與垂向溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。大型精工銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程，縮小占地面積及剛性等技術(shù)上的問(wèn)題，往往采用龍門架移動(dòng)式。 （2）按通用銑床的分類方法分類 ①精工立式銑床 精工立式銑床在數(shù)量上一直占據(jù)精工銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。從機(jī)床精工系繞控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前3坐標(biāo)精工立銑仍占大多數(shù)；一般可進(jìn)行3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行3個(gè)坐標(biāo)中的任意兩個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工(常稱為2.5坐標(biāo)加工)。此外，還有機(jī)床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中的其中一個(gè)或兩個(gè)軸作精工擺角運(yùn)動(dòng)的4坐標(biāo)和5坐標(biāo)精工立銑。 ②臥式精工銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式精工銑床通常采用增加精工轉(zhuǎn)盤或萬(wàn)能精工轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)4、5坐標(biāo)加工。這樣，不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來(lái)，而且可以實(shí)現(xiàn)在一次安裝中，通過(guò)轉(zhuǎn)盤改變工位，進(jìn)行“四面加工”。 ③立臥兩用精工銑床 目前，這類精工銑床已不多見(jiàn)，由于這類銑床的主軸方向可以更換，能達(dá)到在一臺(tái)機(jī)床上既可以進(jìn)行立式加工，又可以進(jìn)行臥式加工，而同時(shí)具備上述兩類機(jī)床的功能，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工對(duì)象的余地更大，且給用戶帶來(lái)不少方便。特別是生產(chǎn)批量小，品種較多，又需要立、臥兩種方式加工時(shí)，用戶只需買一臺(tái)這樣的機(jī)床就行了。 2.2 精工銑床機(jī)械結(jié)構(gòu) 精工銑床由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機(jī)、伺服裝置、精工系統(tǒng)等組成。 床身用于支撐和連接機(jī)床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在 Z 向移動(dòng)，使刀具上升或下降。工作臺(tái)用于安裝工件或夾具。工作臺(tái)可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在 X 向移動(dòng)，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在 Y 向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在 X 和 Y 向的移動(dòng)。無(wú)論是 X、Y 向，還是 Z 向的移動(dòng)都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。伺服裝置用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)?？刂破饔糜谳斎肓慵庸こ绦蚝涂刂茩C(jī)床工作狀態(tài)。控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。 2.3 精工銑床的精工系統(tǒng) 精工系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，英文名稱為（Numerical Control System），根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)利用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開(kāi)關(guān)量。一般整個(gè)精工系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件是一個(gè)具有輸入輸出功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械的直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位置、速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)修正控制指令；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將來(lái)自控制系統(tǒng)的控制指令和測(cè)量系統(tǒng)的反饋信息進(jìn)行比較和控制調(diào)節(jié)，控制PWM電流驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)。這三部分有機(jī)結(jié)合，組成完整的閉環(huán)控制的精工系統(tǒng)。 按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以把精工系統(tǒng)分為以下幾類： （1）開(kāi)環(huán)控制精工系統(tǒng) 這類精工系統(tǒng)不帶檢測(cè)裝置，也無(wú)反饋電路，以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件。CNC裝置輸出的進(jìn)給指令（多為脈沖接口）經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各定子繞組依此通電/斷電的 電流脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪箱，絲杠等）帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。這種方式控制簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低廉，從70年代開(kāi)始，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型精工機(jī)床中。 （2）半閉環(huán)控制精工系統(tǒng) 位置檢測(cè)元件被安裝在電動(dòng)機(jī)軸端或絲杠軸端，通過(guò)角位移的測(cè)量間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)，由這些環(huán)節(jié)造成的誤差不能由環(huán)路所矯正，其控制精度不如全閉環(huán)控制精工系統(tǒng)，但其調(diào)試方便，成本適中，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，這種方式被廣泛采用。 （3）全閉環(huán)控制精工系統(tǒng) 位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，用以檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些連接環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)連接剛度變差，因此調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)較難達(dá)到高增益，即容易產(chǎn)生振蕩。 3、精工銑加工工藝 精工銑加工工藝是指在精工機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法。 3.1 精工加工工藝特點(diǎn) 精工機(jī)床加工工藝與普通機(jī)床加工工藝在原則上基本相同，但精工加工的整個(gè)過(guò)程是自動(dòng)進(jìn)行的，因而又有其特點(diǎn)。 （1）工序的內(nèi)容復(fù)雜。這是由于精工機(jī)床比普通機(jī)床價(jià)格貴，若只加工簡(jiǎn)單工序在經(jīng)濟(jì)上不合算，所以在精工機(jī)床上通常安排較復(fù)雜的工序，甚至在普通機(jī)床上難以完成的工序。 （2）工步的安排更為詳盡。這是因?yàn)樵谄胀C(jī)床的加工工藝中不必考慮的問(wèn)題，如工序內(nèi)工步的安排、對(duì)刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)及加工路線[2]。 3.2 精工加工工藝內(nèi)容 一般來(lái)說(shuō)，精工銑加工工藝包括以下內(nèi)容： 工藝分析； 零件的裝夾與定位；刀具和切削用量的選擇；加工路線的分析；工序的安排。 （1）工藝分析，運(yùn)用精工洗加工工藝的第一步是對(duì)所需加工對(duì)象進(jìn)行工藝分析，工藝分析包括了如下內(nèi)容：標(biāo)注尺寸、要素全面、定位準(zhǔn)確、統(tǒng)一的類型或尺寸。