模具高精度数控加工的探讨.PDF

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1、收稿日期:2004209203基金项目:2004年河南省科技开发计划(0424220240)作者简介:周文玉(1948-),女,河南信阳人,郑州轻工业学院教授,主要从事数控加工技术研究,多项科研成果通过省级鉴定,正在研究的“大型覆盖件模具的数字化敏捷制造”为河南省科技攻关项目。周文玉等模具高精度数控加工的探讨制造维修文章编号:100522895(2005)0420084204模具高精度数控加工的探讨周文玉1,郭健明2,李菊丽1(1.郑州轻工业学院机电系,河南 郑州450002;2.郑州工程学院工管系,河南 郑州450052)摘要:通过分析模具型面数控加工误差产生的原因,从数控加工工艺,数控程序

2、编制等方面探讨了提高模具加工精度的方法。关键词:模具;数控加工;精度中图分类号:TH161文献标识码:A1引言在轻工、家电、汽车等各类产品的生产中,模具的应用相当广泛。在市场经济激烈竞争的今天,产品改型换代的周期日趋缩短,质量要求日益提高。为增强产品的竞争力,如何进一步提高模具精度,缩短模具制造周期,越来越受到广泛关注。数控加工由于其加工精度高、生产周期短、适宜复杂型面加工,因而在模具制造中得到了广泛的应用。2提高模具数控加工精度的必要性数控加工虽比传统加工精度高,但是随着模具精度要求的提高,加工过程中产生的各种误差仍会使模具型面精度达不到要求,因而常常采用数控加工后再进行钳工修配、抛光等后处

3、理予以弥补。例如,图1所示为薄板材冲压模具示意图。凸凹模合模后的法向距离理论上要处处等于板材厚度w,而实际上由于数控加工中产生的各项误差,使得w各处不等,较大地影响了冲压件的尺寸形状和表面质量。为达到w的精度要求,许多厂家采取了先使机加工合模后的法向间隙为负偏差,即小于板材厚度w,然后通过修磨抛光等钳工后处理予以修正的方法。图1凸凹模合模示意图据不完全统计,数控机加工及钳工后处理所需时间约占整个模具研制时间的65%,其中,机加工时间 约 占30%,后 处 理 时 间 约 占35%。由此可见钳工修磨抛光等后处理工作,在很大程度上影响了模具研制周期的缩短。因此进一步提高模具数控加工精度,使机加工后

4、的模具不需修磨或只要很少量修磨,即可达到高精度要求,是缩短模具研制周期的有效途径。数控加工模具的方法很多,如CNC电火花、线切割、连续铣、多轴加工中心、坐标镗、坐标磨等等1。下面以数控连续铣削为例,从误差产生的原因、加工工艺、NC程序编制等方面,浅谈实现模具高精度数控加工的一些方法。3数控加工中误差的产生及补偿3.1让刀误差及补偿3.1.1工艺系统让刀误差及减小措施图2所示为在模具型面数控铣削加工中,由于工艺系统(刀具、夹具、工件、机床)刚度不足,在横向切削分力作用下刀具横向让刀,导致加工型面凸起,与理论型面间产生偏差,此即让刀误差 r。图2 让刀误差示意图刀具受切削力作用产生的横向弯曲变形是

5、产生让刀误差的主要因素。例如模具复杂型腔曲面精加工时,为避免刀具与非加工面干涉,常采用球头圆柱铣刀。球头直径较小时常用高速钢整体球头铣刀,此时48L ight Industry M achinery 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.周文玉等 模具高精度数控加工的探讨制造 维修 会因刀具直径较小刚度不足产生较大的让刀量;当球头铣刀直径不太小,但是模具为硬韧合金材料时,若选用硬质合金机夹或镶片式球头铣刀,其刀体因装卡刀片需要加工出若干凹槽和螺钉孔,削弱了刀具刚度,容易产生让刀现象;加工陡峭斜面

6、时,由于横向切削分力较大,让刀现象尤为明显。减少让刀误差的措施是提高工艺系统特别是刀具的刚度。具体方法有:在不发生干涉的情况下尽量加大刀具直径,缩短刀具伸出长度;对于机夹或镶片式刀具,合理设计定位槽和螺钉孔,尽量减小刀杆开槽尺寸;增加走刀次数,减少每次吃刀深度,以减少横向切削力。3.1.2 刀轴与型面法向夹角的合理选择许多模具的形状非常复杂,使得刀具在实际切削过程中刀具轴线与切削表面法向的夹角 不断变化(如图3)。当 为0 时,切削点理论切削速度为零,致使刀具与被加工表面之间产生挤压,不易切入被加工表面,此时切削状态不良,加工质量差;当 为90 时,刀具横向切削分力Fy和挠曲变形将达到最大值,

7、从而导致让刀误差 r达到最大值。很显然这2种状态对加工精度都是不利的。图3 刀轴与型面法向的夹角经实际加工检测,当刀具轴线与切削表面法向的夹角 为30 左右时,既兼顾刀具挠曲变形让刀量比较小,又可使切削状态良好,加工精度显著提高。该角称最佳 角。影响最佳 角的因素较多:刀具与工件材料,刀具类型、切削速度、工艺系统刚度等,通常不易准确计算,因而多采用试切实测的方法确定。3.2 刀具磨损误差及其补偿在数控加工中刀具不断磨损,其磨损量不仅直接影响尺寸精度,而且使切削刃角度发生变化(变秃),切削力增大,加大系统的让刀变形,使加工型面产生误差,此即为刀具磨损误差 m。刀具不同、切削用量不同、加工材料不同

8、,在一定时间内的刀具磨损量不同,因而刀具磨损误差大小也不相同。减少刀具磨损误差,应该从减少刀具磨损入手。减少刀具磨损有以下措施:(1)根据工件材料采用热硬性适宜的刀具材料;(2)根据加工工艺采用合理的刀具角度和切削用量;(3)及时排屑和切削区充分冷却。除此之外,还可以通过实测,绘出加工时间t与刀具磨损误差 m的关系曲线:t-m曲线,存入机床数控系统作为误差补偿的依据,以便数控系统在加工中根据加工时间实时自动给予补偿。3.3 刀具几何参数误差及消除在模具的加工中,常常需要更换刀具,所换刀具几何参数的差值将直接使模具型面产生尺寸误差 j。为缩短更换刀具时间,减少刀具磨损对加工精度影响,数控加工中常

9、采用硬质合金机夹式刀具和机夹可转位刀具,这些刀具所用刀片的尺寸差和同一刀片各切削刃换位后产生的尺寸差都是产生j的重要原因。经检测发现,国产硬质合金同规格刀片之间的尺寸差可达到0.2mm。为减少该尺寸差对加工精度的影响,刀片使用前最好先进行测量,按尺寸大小分组,当刀片损坏需要更换时,选用同组刀片进行更换,这样就可以有效减小刀片尺寸差对加工误差的影响。同一个可转位刀具的多刃刀片,由于各切削刃尺寸不完全相同,而且刀片转位时产生的安装误差,也会使刀片换位后产生 j,该误差随着同一刀杆上安装刀片的个数的增多而增加。笔者曾对该尺寸(直径)差作过测量:一片刀:0.04;二片刀:011;三片刀0.2。所以在高

10、精度模具的加工中,机夹可转位刀具的刀片转位夹紧之后,应该重新进行对刀测量,然后再投入使用。4 优化数控加工工艺,提高加工精度4.1 设定工艺参数的最佳组合刀具的耐用度影响着编程时加工边界的问题。该问题可照如下解决:在特定切削条件下,实测刀具的使用时间t与磨损量的关系,作出t-磨损曲线;实测刀具磨损量与其造成的刀具磨损误差 m的关系,作出-m误差曲线;根据以上2曲线,可以确定在满足模具精度要求的条件下,该刀具的最长切削时间,即刀具的耐用度,从而确定加工边界。这样在编制N C程序时,就可以针对要加工的模具型面和使用的刀具,确定加工边界,达到刀具耐用度与加工边界的最佳组合,确保在数控加工中能够准确控

11、制加工过程,保证每个边界内型面的加工精度。这一点在加工较大模具型面时是尤其要注意的。4.2 划分加工阶段优化走刀路径4.2.1 加工阶段和走刀路径模具型面加工一般分为粗加工和精加工2个阶段。粗加工常采用大直径球头铣刀、较大切削深度和进给量,精加工则采用直径较小的58轻工机械2005年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.周文玉等 模具高精度数控加工的探讨制造 维修 球刀、较小切削深度和进给量。为了保证良好的切削条件,对于平缓型面采用沿弧形区域的长度方向往复走刀,对于陡峭型曲面采用等高线方

12、法从上向下螺旋走刀。这样既可以达到较高的加工效率,也可以使刀具磨损量和让刀量较小,因而所产生的加工误差也较小。4.2.2 清根加工模具粗加工时,为提高生产效率常采用较大的切削用量,与之相应使用的刀具直径往往也较大,从而使模具凹根处余量不均匀,且较大。如果在模具型面精加工之前,先进行型面的清根加工,把凹根处的余量先去除一部分,使其与型面其它部分余量基本相同,这样精加工过程中就可以使切削力始终比较稳定,加工比较顺畅,有利于提高加工质量和效率。模具清根加工时,如果凹圆角半径等于清根刀具半径,可将清根加工方式取为顺凹根走向加工,一次走刀完成;如果凹圆角半径介于2种清根刀具半径之间,则采用较小的清根刀具

13、,顺凹根走向往复多次走刀完成清根加工。4.2.3增设半精加工增设半精加工,是提高精加工精度的常用方法。例如将原定1.0mm的精加工余量分为2次去除,即增加一次半精加工,其加工余量为0.6mm。若采用2个半坐标联动方式加工型面,为保证加工效率,可取半精加工的移行行距为较大值如4.0mm,精加工时则取移行行距为较小值1.0mm,此时吃刀深度为0.4mm,那么加工后残留高度仅为0.008mm。改进后的数控加工工艺虽然增加了模具加工的编程工时,但能有效提高模具的型面质量,减少甚至不需要钳工后处理,就可使模具型面达到高精度要求,缩短了模具总的研制时间。5通过编程实现误差补偿5.1设定刀具编程尺寸如图4所

14、示,当设定刀具的刀心底点运动轨迹为编程运动轨迹时,如果刀具轴心线不与型面轮廓垂直,实际加工中就会产生过切。模具型面越陡峭处产生的过切量越大,刀具直径越大产生的过切量也越大。图4过切误差示意图过切与让刀是2个方向相反的加工误差,利用该现象,可以采用设定编程刀具半径的方法实现过切与让刀误差的相互补偿。NC程序中指定的是刀心底点的运动轨迹,数控编程时将刀具半径设定为比加工时所采用的刀具实际半径小一些,即实际加工刀具半径大于编程半径,这样在模具型面的陡峭处会产生过切,该过切量正好补偿了陡峭面加工中所产生的让刀误差,提高了模具型面的加工精度。刀具实际半径与编程半径的差值应通过计算和实测确定。采用5轴联动

15、数控机床,利用刀轴摆动功能,使加工过程中刀轴能根据加工型面形状自动调整位置,使其轴心线处处与型面轮廓处于最佳 角,当然既可减少让刀误差又可减少过切误差,但是该类机床造价非常昂贵2。5.2利用刀具补偿指令标准NC程 序 代 码 中G41、G42、G43、G44分别为刀具半径和刀具长度补偿指令。利用该功能可以在不改变NC程序的情况下实现加工误差的补偿2。图5所示,程序段“G41 D01”中,G41为刀具半径左补偿指令,D01为刀补号码,代表内存中刀补数值(刀具半径值或偏移量)。执行该程序段,刀具中心将自动向左偏移工件一个半径值,也就是说使用该指令,可以仅按工件型面轮廓编程,而不用计算刀心的运动轨迹

16、。利用该指令,还可以在不改变NC程序和刀具实际半径的情况下补偿加工误差,方法是:首先测量加工误差值,根据加工误差的大小,重设D01中的“半径值”,用以改变刀具的偏移量;然后运行NC程序开始加工,这样加工中刀具将根据D01中新的“半径值”自动偏离型面轮廓多一些或少一些,以达到补偿加工误差的目的。图5程序段G41 D01功能示意图6结束语深刻分析模具数控加工中产生误差的原因,有针对性地采取措施,进一步提高模具数控加工精度,缩短模具制造周期,是企业开发新产品,保证产品质量,增强市场竞争力的有效途径,也是更加充分发挥数控加工的优越性,提高经济效益的很好选择。参考文献:1涂光祺,等.冲模技术M.北京:机

17、械工业出版社,2003.2周文玉,等.数控加工技术基础M.北京:中国轻工业出版社,1999.68L ight Industry M achinery 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.D iscussion on the NCMachin ing Techn iques forM ouldZHOU W en2yu1,GUO Jian2m ing2,L IJu2li1(1.Dept.ofM ech.and Electr.Sci.and Eng.,Zhengzhou Inst.of L ight

18、 Ind.,Zhengzhou 450002;2.Dept.of Bus.and A dm.,Zhengzhou Inst.of Tech.,Zhengzhou 450052,China)Abstract:This paper analyzes the key factors that bringthe errors inthe NC machining for mouldmanufacturing.Then authors present several methods to i mprove the precision in the NC machining processand the

19、NC machining programm s.Key words:mould;NC machining;precision收稿日期:2004210210基金项目:福建省教育厅资助项目(K04013)作者简介:陈功振(1966-),男,湖北大冶人,机械专业副教授,武汉理工大学机械工程硕士学位,学术骨干,一直从事机械(模具)设计与制造专业方向的教学与研究工作,已发表学术论文30多篇。陈功振基于凸轮控制的正反拉伸工件一次成型模具的设计制造维修文章编号:100522895(2005)0420087203基于凸轮控制的正反拉伸工件一次成型模具的设计陈功振(福州大学机械工程及自动化学院,福建 福州350

20、002)摘要:为解决片料压制效率低、产品质量不稳定的难题,设计了采用凸轮控制的新型模具结构,并对其拉深过程进行了分析。同时,也对本模具材料的选定作了说明。关键词:长冲模;凸轮控制;送片推坯器中图分类号:TG385.2文献标识码:B1问题之提出按照传统的深冲制坯工艺,由片料压制一只口杯类工件,必须经过2台压床2道工序才能完成,既费人力和电力,设备潜力又得不到充分的发挥,已不能适应口杯工件生产日益发展的需要。为了解决上述难题,现设计应用了双凸轮控制,采用正、反压延同时运动的方法,把原来的2道工序改为2道工步在1台压床上一次加工完成。这是薄板深冲提高生产效率的有效途径之一,从而为深冲工艺研究提供了良

21、好的开端,也为口杯制坯自动化流水线生产奠定了基础。实践证明,本模具结构紧凑合理,操作方便。现将压床改装部分及模具结构相关设计介绍如下。2模具设计依据探讨(1)正、反压延模的设计是在原来2道工序压延的基础上,改变部分模具的结构和装置,采用先正压第一次,后反压第二次的2个工步,来代替原来的2道工序进行的。(2)调整平面压力,第一次仍用原来的四柱螺栓调节,第二次改用小横杆直柱上的调节螺母来调节,操作十分简便。(3)第一、第二次压制在同一冲程内完成,而压床的负荷并未增加。只是受载的时间比原来的多1?3,这对压床的使用寿命影响不大。3模具的构造及其作用分析模具的构造见图1。其作用如下:(1)一次模一次模分为上下2只。上模1固装在上平板上。下模2则通过拉杆只作上下运动。它的上升由底座升高时推动,下降则靠套在拉杆3上的弹簧,在冲压完成后及时推下。78轻工机械2005年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.