大型復雜模具加工分析論文

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大型模具加工中存在的主要問題

1.巨大的尺寸和重量

在加工大型模具時，如何應付其自身的巨大尺寸和重量是加工企業面臨的一大挑戰。大型模具的加工往往需要大量的勞動力、專用設備和多次調試裝夾，而加工精度也受到多方面潛在因素的影響而不易保證。

2.購置成本問題

加工生產各類大型模具直接相關的最大費用就是機床的購置成本。能夠生產大型模具的機床是相當昂貴的，尤其是在復雜工藝安排下，需要使用多臺機床才能完成從模具粗加工到精加工的全部工序。這樣的先期高投入成本也是很多企業進入這一市場的最大障礙。

由此，我們可以看出，如果可以在一臺合適的機床上實現大型模具的粗加工和精加工，甚至僅需一次調試裝夾，那么很多問題將迎刃而解，加工精度也可以得到保證。

大型模具加工中心

考慮到大型機床的通用加工精度和調試裝夾的問題，我們必須探討一下大型模具加工中心所必備的一些設計特點。

1.鑄鐵床身結構，機床主軸具有散熱功能

鑄鐵材料具有很高的剛性和散熱特性，因而是制造機床結構件最穩定的材料。對于銑削大型零件用的任何機床，首先需要具有非常結實的鑄鐵結構，并裝備有具有散熱功能的主軸。

就機床的主軸而言，它必須采用內置冷卻技術，從軸承外面來冷卻主軸，保證在長時間加工過程中，主軸本身不會被燒壞或不會因熱膨脹而造成精度損失。

這些因素是非常重要的，因為大型模具的加工需要消耗很長的時間，同時在重切削條件下，這會增加模具的熱量和應力。所以，機床的結構部件必須具有良好的剛性和散熱特性，這是加工出大型優質模具的前提。因此，必須最大程度地限制加工過程中機床的振動，并快速擴散加工過程中產生的熱量。

高精度曲面加工

2.熱穩定技術

由于加工時間過長，環境溫度的影響也是必須要考慮的。例如，在普通機床上加工大型模具，當環境溫度變化10℃時，將會導致機床立柱發生6℃的溫度變化，從而引起主軸角板平行度發生0.07mm的變化。因此，機床的設計必須考慮到環境溫度的效應，避免環境溫度影響到加工零件的精度。

3.速度

對于一臺行程能夠快速移動的大型模具加工中心來說，大型模具加工機床的主軸轉速應至少達到20000r/min，金屬的切削速度應滿足762～20000mm/min。

4.精度

精度控制始終貫穿于模具加工的各個階段，如果需要在一臺加工中心上實現對大型模具的粗加工和精加工，那么必須嚴格控制機床的定位精度和重復定位精度。大型模具專用的加工中心，一般其定位精度可以達到±1.5μm，重復定位精度應達到±1μm。同時，其節距精度應保持在5μm之內

5.反饋分辨率

機床自身的反饋分辨率對于檢測加工零件的精度是十分重要的。采用標準的1μm反饋分辨率，通常所獲得的結果并不十分理想。如果分辨率能夠達到0.05μm，那么其精加工結果幾乎沒有任何瑕疵。而且，通過對機床分辨率、標尺反饋和小節距滾珠絲杠的控制可進一步提升零件表面的加工質量。

6.主軸

大型模具加工中心上使用的主軸必須達到進行粗加工、半精加工和高質量精加工的要求，而且作為一個參考標準，其能夠實現的表面加工質量應該控制在2μm的水平。通常，對于模具閉合面和分型線部分的精加工十分重要，但在傳統工藝下，許多模具制造商不得不采用手工拋光的方式，以彌補刀具加工精度不足的問題。因為，大型加工機床的造價昂貴，如果為此項工序購置多功能機床，顯然是不切合實際的。

主軸角度可隨工件改變的臥式加工中心

此外，合理的主軸設計必須能夠最大程度地延長刀具的使用壽命，使其能夠在加工周期內以低振動、低溫升的狀態持續工作。例如，在大型模具加工中心上加工汽車儀表板模具時，如采用16mmCBN鑲刀片精加工刀具，加工速度可以達到8m/min，使用壽命超過30h，可以將加工表面質量控制在0.336～3.2μm。由此可知，考慮到加工大型模具時的刀具成本增加，采用專門設計的大型模具加工機床，不僅可以延長刀具使用壽命，而且可以大量節約加工每付模具的刀具使用成本。

7.可移動的多軸加工頭

由于模具尺寸和重量的限制，一般裝夾工件需要花費很長的時間。因此，采用3軸聯動加工中心不僅減少了工件的調試裝夾次數，而且又不影響機床的加工精度，從而使車間加工大型模具的生產能力大大提高。

可移動的多軸加工頭可以用于加工結構特別復雜的大型模具，按可變幾何形狀設計的加工頭可允許3軸聯動加工，僅需一次裝夾工件，便可銑削加工型腔很深的模具和冷卻孔，以及切削加工許多其他幾何形狀復雜的部位。例如，當主軸以最佳的角度傾斜時，可提高加工頭對銑削加工點的接近程度，這樣便可實現利用多軸加工頭完成對斜孔的加工。

此外，由于多軸加工頭加工工件表面時，采用的是刀具的半徑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

金屬切削加工時會產生大量的切屑，如果不能及時排除，必然會導致二次切削，以及造成機床結構部件或者工件表面的溫升。大型模具加工中心的工作臺下面通常具有18個排屑孔，不管工作臺移動到什么位置，都能夠可靠地排除切屑。機床上有4條內置鉸鏈式切屑傳送帶，以很高的速度將切屑排送到機床前面。

9.高壓冷卻液

在大型模具加工時，高壓冷卻液有著非常重要的作用。例如，在采用2+3軸的加工方法鉆削斜孔時，需要壓力為1000psi（1psi=6890Pa）的冷卻液才能有效地排除切屑，并達到更高精度的切削。而如果沒有這種高壓冷卻液，則在加工斜孔時，需要增添額外的機床，需要二次裝卡，降低加工精度，而且增加周期成本。

根據以上分析可以看出，實現對大型模具的簡單加工需要機床具有更多、更好的功能。牧野開發的新型MCC2516VG3軸臥式加工中心，主軸轉速可達15000r/min，并采用了“軸芯冷卻”方式和“軸承內壓潤滑”功能，保證主軸及其附屬軸承可以得到及時、有效地冷卻。此外，主軸不僅可沿橫向的X軸、垂直方向的Y軸和前后方向的Z軸方向運動，還可配合A軸和C軸轉動。由于具備2種分度功能，因此不僅可減輕調整作業量，還可切削結構復雜的工件，例如保險杠、儀表盤和汽車頭燈透鏡等。

汽車儀表板模具加工

汽車儀表板是汽車內飾件當中最為重要的組成部分，儀表板的造型和產品表面質量對整車的性能、美感及產品銷售至關重要。牧野MCC2516VG型機床是專門為大型、復雜模具2+3軸加工而設計制造的主軸角度可隨工件的幾何形狀作變換的臥式加工中心，其加工精度達到超高水平，加工后的模具表面粗糙度極高，不需鉗工進一步打磨處理?？梢詫崿F在一臺機床、一次裝卡的前提下，利用加工頭傾斜加工和尖端加工完成全部加工任務。

一般來說，諸如汽車儀表板之類的大型模具產品應該盡量采用一臺3軸機床完成粗加工、半精加工和精加工，多軸加工機床由于結構剛性問題而不適用于粗加工，所以不能在多軸加工機床上完成大型模具的全部加工工序。但也有特殊情況。加工過程中有一條不變的準則：凡是加工直徑較小的幾何形狀，需要采用較高主軸轉速和較短刀具相結合的方法。對于大型模具上的細小難加工部位進行精加工時，應該采用多軸機床，因為這種加工只占據總加工時間的5%～10%。但是，如果將這種零件從3軸機床上轉移到多軸機床上加工時，零件的加工時間將會大幅度上升。

結語

汽車工業的發展，對模具產業提出了越來越高的要求。對于大型模具產品的加工，依托現有的技術是完全可以實現的。只要我們清楚模具加工的關鍵以及機床的設計特性，我們就完全可以實現像加工小型模具那樣簡單、快速地加工大型復雜模具。