模具加工技术

           模具加工技术

模具作为工业技术的核心产品，本身就蕴含了各种各样的技术精华。比如一些结构设计、加工工艺、进度优化等等，包括了工业机械设备加工中的主要切削功能，它是各种工业机械设备加工技巧的代言人[1]。 并且模具在现实生活中担当的角色也相当重要，比如很多日常工作中使用的手机、小灵通、电话机、传真机、电脑、打印机等，以及日用品，脸盆、牙杯、水桶等等，都需要模具来做父母一样的角色，才能生产出模具成品来。还有社会交通工具，特别是各类型汽车上的配件，发动机、保险杠、仪表盘、方向盘、门把手等；塑胶的、铝锌压铸的、胶木的、五金冷冲的、吹塑的、橡胶的，很多很多；尤其在我们国家改革开放以后，社会不断的进步发展，消费不断的刺激需求，新产品、新款式的不断开发变换，模具就被当作一种产业经济一样蓬勃发展，一枝独秀了。模具加工在70、80年代的时候，还是以手工作业为主，尤以钳工优先，且分一至八等级。模具结构中简单的、复杂的产品面，基本上以手工来完成（型腔、型芯、滑块等）。到了80 年代 90年代初，有了现在一些基本的机械设备来辅助手工制作模具，电火花加工，线切割加工，车床，铣床，刨床，磨床等等，但还是依靠了基本的手摇动作，在精度与速度上还远远不能适应时代发展的需要；到了90年代，模具加工终于是出现了以数 字化控制工业机械设备的技术。  现在模具制造的主要加工方法有以下几种：

1. 机械(切削）加工  机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。  

2. 特种加工  特种加工从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。  

3、成型加工  

（1）塑性加工：塑性加工主要指（冷热）挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坯中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。 这种成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。      

（2）铸造加工：对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。

例如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。 其他如砂型铸造、陶瓷型制造、实型铸造等等。    

（3）焊接加工：焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。  本文主要介绍模具加工中的较传统但是应用很广泛的加工方法：数控铣加工。  

1、数控铣加工基础  

1.1 数控铣加工概述  数控铣加工是指在数控铣床上进行零件加工的一种工艺方法，数控铣加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。  

1.2 数控加工原理  采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。

1.3 数控铣加工特点  ①零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等；②能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件；③能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件；④加工精度高、加工质量稳定可靠，目前现在数控装置的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1μm，另外，数控加工还避免了操作人员的操作失误；⑤生产自动化程度高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化；⑥生产效率高，数控铣床一般不需要使用专用夹具等专用工艺设备，在更换工件时只需调用存储于数控装置中的加工程序、装夹工具和调整刀具数据即可，因而大大缩短了生产周期。其次，数控铣床具有铣床、镗床、 钻床的功能，使工序高度集中，大大提高了生产效率。另外，数控铣床的主轴转速和进给速度都是无级变速的，因此有利于选择最佳切削用量；⑦从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干式切削状况下，还要求有良好的红硬性；  

2、数控铣加工实现机构—数控铣床  

2.1 数控铣床分类  

（1）按构造分类    ①工作台升降式数控铣床 这类数控铣床采用工作台移动、升降，而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用此种方式。    ②主轴头升降式数控铣床    这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴沿垂向溜板上下运动；主轴头升降式数控铣床在精度保持、承载重量、系统构成等方面具有很多优点，已成为数控铣床的主流。    ③龙门式数控铣床   这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向与垂向溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。大型数控铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。  

（2）按通用铣床的分类方法分类   ①数控立式铣床    数控立式铣床在数量上一直占据数控铣床的大多数，应用范围也最广。从机床数控系绕控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立铣仍占大多数；一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3个坐标中的任意两个坐标联动加工(常称为2.5坐标加工)。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中的其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立铣。   ②卧式数控铣床    与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。   ③立卧两用数控铣床    目前，这类数控铣床已不多见，由于这类铣床的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，而同时具备上述两类机床的功能，其使用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，且给用户带来不少方便。特别是生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。  

2.2 数控铣床机械结构  数控铣床由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。    床身用于支撑和连接机床各部件。主轴箱用于安装主轴。主轴下端的锥孔用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。主轴箱还可沿立柱上的导轨在 Z 向移动，使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具。工作台可沿滑鞍上的导轨在 X 向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在 Y 向移动，从而实现工件在 X 和 Y 向的移动。无论是 X、Y 向，还是 Z 向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现。伺服装置用于驱动伺服电机。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。控制电源用于向伺服装置和控制器供电。

2.3 数控铣床的数控系统  数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统硬件是一个具有输入输出功能的专用计算机系统，按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；测量系统检测机械的直线和回转运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服驱动系统，来修正控制指令；伺服驱动系统将来自控制系统的控制指令和测量系统的反馈信息进行比较和控制调节，控制PWM电流驱动伺服电机，由伺服电机驱动机械按要求运动。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。  按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：  （1）开环控制数控系统  这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的进给指令（多为脉冲接口）经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的 电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，从70年代开始，被广泛应用于经济型数控机床中。  （2）半闭环控制数控系统  位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如全闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。  （3）全闭环控制数控系统  位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行调节控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些连接环节放在闭环内，导致整个系统连接刚度变差，因此调试时，其系统较难达到高增益，即容易产生振荡。  

3、数控铣加工工艺  数控铣加工工艺是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。  3.1 数控加工工艺特点  数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的，因而又有其特点。  

（1）工序的内容复杂。这是由于数控机床比普通机床价格贵，若只加工简单工序在经济上不合算，所以在数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至在普通机床上难以完成的工序。        （2）工步的安排更为详尽。这是因为在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、对刀点、换刀点及加工路线[2]。

3.2 数控加工工艺内容  一般来说，数控铣加工工艺包括以下内容： 工艺分析； 零件的装夹与定位；刀具和切削用量的选择；加工路线的分析；工序的安排。  （1）工艺分析，运用数控洗加工工艺的第一步是对所需加工对象进行工艺分析，工艺分析包括了如下内容：标注尺寸、要素全面、定位准确、统一的类型或尺寸。