精密多腔模具零件加工

作者:查重猫     发表时间:2021-04-08 00:01:42   浏览次数:14



  摘要:通过详细分析和论述主要机加工工序CNC、EDM、WEDM、GRI及TUR在实际生产加工中的提效方法和精度控制手段,实现高精密多腔模具的加工质量和效率保证,特别是创新性的在机检测手段,简单实用,可解决因尺寸超差而导致的重复上机返工问题。

  关键词:模具;精密;多腔;夹具;检具;坐标磨床

  近年来,模具行业结构调整步伐加快,大型、精密、复杂和长寿命模具发展速度明显高于行业的总体发展速度。模具的质量和寿命相互关联,影响模具寿命的主要因素有模具的材质和坯料处理、相关的热处理、模具的加工精度(轮廓精度和位置精度等)以及模具的表面质量(包括表面粗糙度、硬度和表面层金相组织结构)等,其中最关键的影响因素是模具的精度,特别是模具的装配精度。因此,要制作高精度模具,特别是多腔精密模具(见图1),最重要的就是采用优质的工艺方案,以提高零件的加工精度和加工效率,适应市场需求。

  1.加工现状及改善目标

  已加工完成的1出8腔试验模如图2所示,各工序加工机床生产过程工时数据记录见表1。此加工工艺方案模具加工总工时达到1304h,由此推算1出128腔模具加工总工时需要20864h,以45天为一套模具加工周期,共需要208台加工设备,设备需求量过大,加工方案低效,无法满足客户实际订单周期需求。

  从成本、周期、资源综合考虑,必须进行加工提效,才能满足模具交付周期。目标是各工序平均提效30%,加工合格率达到95%,各工序提效目标分解见表2。

  2.原方案的分析与优化

  通过分析1出8腔试验模具生产过程出现的低效问题记录,制定对应的、可行性的优化方案,见表3。

  (1)CNC粗铣工序优化CAM程序策略优化使用的PowerMILL软件是由英国Delcam公司开发的专业CAM编程软件,该软件安全性能高且粗、精加工策略多,运用灵活。利用软件特性,加工方法由原来的“偏置粗铣策略”优化为“预钻孔+等高策略”后,切削刀路轨迹化繁为简,效率提升较明显,可提效32%,见表4。

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  设计专用工装夹具可有效缩短停机等待时间,提高机床稼动率。根据零件特性,设计排位6个槽可装夹6个零件的工装,其质量刚好适合手工安全搬运,装夹后单个零件不需要再分中和校表找正,一次装夹可加工6个零件的正、反两侧共4面的特征,优化之前现场的低效操作,实现了快速装夹、批量加工,大幅缩短了现场操作导致的停机等待时间。原加工方案是单件加工,每件需要4次装夹,6件共需24次装夹,6件加工总工时达12.6h。新加工方案使用专用工装夹具,6件共需4次装夹,单件零件的切削时间是1.3h(不含刀具切换时间),以每个工位装夹时间0.2h计算,加工总工时为8.6h,可提效46%,见表5。

  (2)TUR工序 原加工方案单件加工尾部预留15mm工艺脚,新加工方案采用长圆坯料,一次装夹车削8个零件,批量加工优化后可提效35%,见表6。

  1)采用组合备料,一次装夹完成加工分件,减少去除工艺脚线切割工时0.5h/件。

  2)密封圈槽和挡水片槽车削工序加工完成,减少热处理后磨床精加工工时0.3h/件。

  3)车削余量由原来的0.3mm调整为0.15mm,减少热处理后车床半精加工工时0.5h/件。

  4)材料成本缩减25%,加工8件原来需要340mm,新工艺加工8件只需260mm。

  (3)GRI工序设计工装原加工方案单件加工尾部预留艺脚,新加工方案使用专用工装夹具,无需每件都用校表找正,优化后可实现快速切换加工,提效30%,见表7。

  1)使用专用工装夹具,实现批量快速切换加工,减少零件装夹校正时间0.3h/件。

  2)密封圈槽、挡水片槽采用车削直接加工完成,减少精磨时间0.3h/件。

  (4)WEDM工序设计工装原加工方案为单件装夹加工,每件需2次装夹,6件共12次,6件总装夹校正时间2.4h,6件总加工时间需7.2h。新加工方案使用专用工装夹具实现批量快速切换加工,无需每件都校正,6件总装夹校正时间0.2h,6件总加工时间为5h,优化后提效44%,见表8。

  1)使用专用工装夹具,实现批量快速装夹加工,减少零件装夹校正时间0.2h/工位。

  2)零件切削时间只有0.4h/工位,单件装夹难以实现连续加工,大大降低设备稼动率。

  (5)CNC-RDS精铣工序设计工装 原加工方案采用单件装夹加工,每件需在机校正,6件加工总工时为7.2h。新加工方案使用专用工装夹具实现快速切换加工,无需每件都校正,6件总加工时间为5.3h,优化后提效36%,见表9。

  1)使用专用工装夹具,配合CMM机外抄数,单件装夹校正时间减少0.2h/件。

  2)配合程序串联软件实现加工程序串联,减少刀具切换时间(精加工刀具预热时间为300s)、零件切削时间0.8h/件(不含刀具切换时间),涉及需要预热的精加工刀具3支,可减少3次对刀和3次主轴预热。

  (6)EDM工序 进行放电优化。1)如图3所示,采用自动化刀库加工,实现24h无人化高效加工。

  2)电极设计优化:合并电极,优化放电参数,减少电极切换时间,提升电打效率83%,见表10。

  3)变更传统电极设计理念,优化电打加工方案,由单一铜或单一石墨,转换成混合电打的方式,细颗粒石墨粗打,高纯度纯铜精打(见图4)。

  4)调整加工参数,电打加工到VDI-14#纹号(表面粗糙度值Ra为0.56µm),实现加工后不抛光(见图5)。

  5)优化电极加工程序,调整电打参数(模型号E、起始段号I、结束段号J、精修段号O、跳跃幅度S、跳跃周期T、跳跃速度F、精修开始段号M、精修时间U),提升电打效率,EDM放电代码详见表11。原加工方案需4.58h,现加工方案仅耗时2.4h。

  3.夹具的开发运用

  为提高机床加工效率,缩短停机等待时间,设计了各类零件的装夹工装,实现批量加工,将模具传统单件加工理念向批量零件加工理念转换。各工序加工均使用专用工装夹具固定,不仅大大缩短了零件加工时间,提升了设备稼动率,而且能更好地控制零件加工质量。

  1)CNC批量装夹高效加工,实现一次装夹加工多个零件,如图6所示。

  2)WEDM批量装夹高效加工,实现一次装夹加工多个零件,如图7所示。

  3)如图8所示,GRI实现一次装夹、多面磨削加工。

  4.坐标磨床的使用

  高精密模具除了需要高精密镶件,还需要高精度模架来保证,因此坐标磨床尤为重要。坐标磨床是近代在坐标镗床加工原理和结构的基础上发展起来的一种精密机床,它是精密模具加工的关键设备,可用于磨削模具中的精度很高的各类模具零件特征、各种精密机械零件和各类坐标孔(见图9)。

  坐标磨床上常磨削各种淬硬钢,模具加工中常磨削一些韧性好、难磨且高硬度的模具钢材料,对砂轮要求较高。CBN砂轮有很高的硬度与耐磨性,硬度达到8000~9000HV,仅次于金刚石,有较低的摩擦系数、很好的导热性和耐热性,可承受1400~1500℃的高温,能将磨削点上产生的热迅速地转移到砂轮上,把对工件的热损伤抑制在最小限度,还可使工件增加压缩残余应力。因此“坐标磨床+CBN砂轮”可以很好地保证模架导柱、导套等关键特征的位置精度和形状精度,为整套模具提供高精度的装配保证。

  5.在机检测精度管控

  在检具设计开发之初,应该考虑到其完整性、人机工程、稳定性及成本等方面。根据零件精度要求,结合检具开发需注意的问题点,开发制作适合零件检测的检具,并配合CMM首检,实现精密零件在机批量检测,提升一次加工合格率,降低加工成本,缩短加工周期,同时避免因尺寸超差而重复上机带来的重复定位误差和加工操作错误的风险。

  (1)检具“通、止规”的发明运用 该检具适用于侧壁90°面特征。如图10所示,零件圆特征为φ13mm,公差要求0.01~0.02mm,设计制作两个高精度的圆柱,一个为13.01mm,可以放入φ13mm圆孔特征内为通规;另一个为13.02mm,无法放入φ13mm圆孔特征内为止规。如果用通规检测能进入、止规检测不能进入,代表零件特征加工合格;如果不合格,检后可以即时发现并在机重新加工,直到达到公差要求。

  (2)检具“侧面斜度检规”的发明运用 该检具适用于精度要求极高的侧壁斜面特征(如公差0~0.003mm)。如图11所示,侧壁为3°的圆凹槽特征,把“紧配高度规”徒手摁进去后(不能用工具敲),在CNC机床用千分表测量“紧配高度检规顶面”和“零件顶面”的高度差,如果两平面高度差在0~0.02mm,则侧面间隙为0.001mm,达到公差要求。如果不合格,检测后可以即时发现并在机重新加工,直到达到公差要求。

  6.结语

  通过优化CAM编程方法、电极设计合并方案、优化放电参数、设计装夹工装等一系列的研究改善,达到了各工序平均提效30%、合格率达到90%的初期目标,较好地解决了精密模具零件加工过程中的实际问题,并提高了生产效率,保证了加工质量。同时,这种实用工艺方法也可为精密模具零件加工提供有益的借鉴参考,适合在实际生产加工中运用推广。——论文作者: 钟晓鸥 林松福 曾增权 郑启贵

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