數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳志堅

引言

工藝設(shè)計的主要任務(wù)在于為零件選擇合理的加工方法和加工程序，以便于按照設(shè)計要求生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的成品零件。所以工藝設(shè)計是模具生產(chǎn)制造過程當(dāng)中的核心組成內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計和實際生產(chǎn)之間起到了良好的協(xié)調(diào)作用。為了提升現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的水平，增強產(chǎn)業(yè)競爭能力，就需要在覆蓋件的設(shè)計和制造方面重視技術(shù)方案的改進和優(yōu)化，縮短模具設(shè)計周期，提升工藝水準(zhǔn)，而數(shù)控加工技術(shù)在這一過程當(dāng)中扮演著重要的角色。

1 數(shù)控加工系統(tǒng)應(yīng)用和分類

盡管近年來我國的模具生產(chǎn)能力得到了較大規(guī)模的發(fā)展，但是和國際先進水平相比仍然具有一定的差距。但引進高精度數(shù)控機床和編程輔助軟件之后，我國的模具制造產(chǎn)業(yè)則擁有了良好的發(fā)展前景，尤其是數(shù)控加工系統(tǒng)的應(yīng)用有效發(fā)揮了技術(shù)價值。從系統(tǒng)的發(fā)展過程來看，先后出現(xiàn)的各類系統(tǒng)按照工作原理進行劃分有以下幾種。

1.1 交互式系統(tǒng)

交互式系統(tǒng)是數(shù)控加工系統(tǒng)的最早發(fā)展形式，但此時只是通過計算機環(huán)境來配合人工完成決策過程，且這種系統(tǒng)開發(fā)相對簡單，應(yīng)用價值并不突出。

1.2 派生式和創(chuàng)成式系統(tǒng)

派生式系統(tǒng)要被稱作變異系統(tǒng)，由成組技術(shù)發(fā)展而來利用的是模具零件的相似性特征和加工工藝要求讓零件制定典型的工藝路線，借助數(shù)控加工編碼流程從標(biāo)準(zhǔn)的工藝庫中選擇對應(yīng)的工藝路線，在多次編輯和修改之后直至達到滿意的結(jié)果。我們按照零件信息的描述與輸入方法，可以將系統(tǒng)分為存儲技術(shù)派生系統(tǒng)和基于特征的系統(tǒng)。

創(chuàng)成式系統(tǒng)則通過數(shù)控加工技術(shù)和數(shù)學(xué)模型的推理決策完成工藝規(guī)程的規(guī)劃，在對算法進行流程設(shè)計時可以從對象的生成過程當(dāng)中生成決策樹和數(shù)學(xué)模型，向系統(tǒng)輸入零件信息之后對文件內(nèi)容進行識別。在臨時建立的數(shù)據(jù)庫之內(nèi)，存儲工藝設(shè)計所需要的材料精度的信息，可以完全按照工藝決策邏輯和算法自動生成工藝規(guī)程，每一個步驟都有對應(yīng)的決策模塊。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢在于并不需要通過人工干預(yù)，因此系統(tǒng)的自動化程度明顯更高，但對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的零件創(chuàng)成還存在著一定的缺陷。

1.3 綜合系統(tǒng)

數(shù)控加工綜合系統(tǒng)能夠針對不同類型的場合和零件類型彌補傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能缺陷，利用成組技術(shù)編制工藝工程，無論是從軟件開發(fā)還是從系統(tǒng)應(yīng)用上都是一種實用性突出的系統(tǒng)。以我們熟知的專家系統(tǒng)為例，從20世紀(jì)80年代開始，以人工智能為代表的各類智能化手段就對工藝設(shè)計進行了模擬，邏輯算法與決策表特征在專家系統(tǒng)內(nèi)部進行調(diào)整修改，將存儲在知識庫當(dāng)中的經(jīng)驗知識內(nèi)容進行特征提取，最終以決策推理進程獲取結(jié)果?？傮w來看，工藝設(shè)計與制造環(huán)境密切相關(guān)涉及的因素比較復(fù)雜，在數(shù)控加工得到綜合運用之后，制造業(yè)企業(yè)的信息集成化發(fā)展速度較快，在一定程度上保障了我國制造領(lǐng)域的高精度要求。再加上數(shù)據(jù)庫功能強大，可以得到可靠真實的設(shè)計數(shù)據(jù)極大提升模具設(shè)計效率，無論是今后的市場競爭還是企業(yè)發(fā)展進程當(dāng)中，都需要對數(shù)控加工過程進行方法研究，確定最佳的工藝參數(shù)設(shè)定方法。與此同時，基于自動化編程開展的數(shù)控加工程序研究工作也將得到進一步推進，以保障企業(yè)的生產(chǎn)能力。

2 數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

2.1 模具結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制

從結(jié)構(gòu)特點來看，模具制造形狀和輪廓要求復(fù)雜，空間曲面形狀用數(shù)學(xué)方程式描述難度較大，且內(nèi)部形狀會直接關(guān)系到?jīng)_壓線的成型工藝。模具結(jié)構(gòu)的質(zhì)量精度要求依然較高，以我們熟知的汽車覆蓋件為例，汽車覆蓋件的尺寸精度，在焊裝過程當(dāng)中應(yīng)注重輪廓尺寸和局部形狀的不同尺寸，并且在形狀精度方面需要和主模型保持一致，否則將偏離總體設(shè)計要求。在模具覆蓋件的成型過程當(dāng)中，材料應(yīng)該有塑性變形功能，使得模具在受到外力作用時不會因為震動產(chǎn)生早期的損傷和影響材料性能[1]。從這一角度來看，材料的公益性特點和覆蓋件質(zhì)量之間密切相關(guān)，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，在一定的生產(chǎn)規(guī)模條件下要對工藝和沖壓模具設(shè)計做出調(diào)整，確定模具成型特點，之后進行設(shè)計時就能規(guī)避某些常見技術(shù)缺陷。

數(shù)控加工的技術(shù)優(yōu)勢在于利用良好的數(shù)學(xué)插值方法來進行直線插補等措施，數(shù)控機床功能的有效完善，不僅縮短了行業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)周期，并且能夠精確加工出曲面和圓弧內(nèi)容，刀具的運動軌跡可以提前進行程序編制，實現(xiàn)無人操作自動加工。與之相比，傳統(tǒng)加工的誤差不僅較大，且生產(chǎn)效率比較低，無法實現(xiàn)對于復(fù)雜曲面的精確加工要求。對此未來的數(shù)控加工模具結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制將通過更加精確的程序編排來提升加工效率與加工質(zhì)量，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的流程控制體系。

2.2 工藝參數(shù)管理應(yīng)用

由于數(shù)控技術(shù)在模具制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其精度要求和可靠性突出的特點，也讓技術(shù)人員更加關(guān)注加工程序的參數(shù)選擇。假設(shè)我們利用CAD、CAM軟件進行數(shù)控加工時，就需要先確定數(shù)據(jù)模型和數(shù)控加工方案，從參數(shù)選擇當(dāng)中生成刀具運動軌跡，檢驗軌跡之后生成最終的加工程序。模具在進行加工時，往往會被判定為粗加工和精加工等不同的階段，每個加工階段的目標(biāo)也有所差異[2]。例如粗加工的目的是為了確定刀具的參數(shù)和走賬方式，而精加工則更加傾向于零件的整體要求和誤差控制。

在刀具的選擇方面，為了確定加工幾何體的半徑和刀具的最大直徑，可以通過數(shù)控加工技術(shù)來完成區(qū)域的判定，刀具直徑可以按照加工設(shè)備狀態(tài)進行選擇。刀具系統(tǒng)庫內(nèi)部具有精加工的刀具直徑要求，而加工設(shè)備控制內(nèi)則包含了計算范圍內(nèi)最大的加工余量和最小搭刀量。綜合來看，合理規(guī)劃走刀方式能夠有效縮短加工時間，提升模具的加工效率，這些物理因素和工藝因素也是數(shù)控加工技術(shù)在應(yīng)用時需重點關(guān)注的內(nèi)容。如果涉及基因加工，那么在保障零件的表面質(zhì)量前提下，還應(yīng)控制切削速度和機床功率參數(shù)，在保障最大生產(chǎn)力時確定最佳切削速度，維持較大進給量。必要時還應(yīng)該做好走刀路線的模擬計算和軌跡適應(yīng)圖編制工作。

2.3 拉延模數(shù)控加工

以汽車覆蓋件為例，同一般沖壓件相比，覆蓋件的材料更薄復(fù)雜度更高，對于表面質(zhì)量和尺寸剛性的要求明顯大于一般沖壓件。而覆蓋件作為形狀特殊的薄板零件，在滿足設(shè)計制造需求的前提下，需要根據(jù)工藝差異將一個零件分為不同的加工方案設(shè)計。要想提升模具加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在數(shù)控加工環(huán)節(jié)應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)特點來控制走刀，例如平行走刀就是基于切削軌跡相互平行進行的刀具路徑選擇，也是模具加工中效率較高的一種走刀方式，對于一些比較平坦的表面而言，該方式效果非常突出。而在清根加工方面，筆式清根加工能夠讓加工零件表面具有清晰的棱線，在后期能夠為鉗工休整工作提供關(guān)鍵的參考性依據(jù)?？傮w來看，粗加工的目的在于提升工作效率，且模具本身是單件生產(chǎn)，在確定加工要求的前提下再利用精加工工藝實現(xiàn)加工質(zhì)量改進，現(xiàn)實價值更加突出。在實際的模具加工環(huán)節(jié)，大型拉營模具作為典型的面向訂單產(chǎn)品，每一次生產(chǎn)過程都需要進行設(shè)計制造和反復(fù)試驗，制造質(zhì)量要求相對較高，在確定方案之后，工藝部門將通過數(shù)控加工技術(shù)來完成信息的規(guī)劃，減少工藝工作量和產(chǎn)生錯誤的可能性，從各種類型的零件當(dāng)中確定自動化方案，或是對以往相似的結(jié)構(gòu)內(nèi)容進行參考和借鑒，獲得典型加工工藝[3]。

2.4 數(shù)控加工技術(shù)與模具制造的工藝規(guī)范

在未來的模具制造應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，需要進一步縮短產(chǎn)品和模具的開發(fā)制造周期，因此結(jié)合實際的裝備加工要求，需要從多個方面進行效率保障。

首先是要具備良好的沖壓加工工藝，通過刀具選擇和編程方法減少粗加工消耗的時間；其次是通過各類模具的工序要求選擇加工參數(shù)；最后是讓數(shù)控加工程序的編制標(biāo)準(zhǔn)更加符合技術(shù)要求。盡管數(shù)控加工和普通加工在工藝層面上差異并不突出，但數(shù)控加工應(yīng)用時本身要考慮兩個方面的特殊要求，一是普通加工當(dāng)中對于工藝的特殊規(guī)范性需求，二是數(shù)控加工編程的自身特征?？傮w而言，此類數(shù)控加工的難點主要集中在工序和工步的順序安排，且模具加工制造本身要涉及產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計和程序編制等非常復(fù)雜的技術(shù)流程，最終通過數(shù)據(jù)加工和調(diào)試工作生產(chǎn)出合格的模具[4]。在今后的工作實踐環(huán)節(jié)，我們可以考慮利用大型數(shù)控加工工藝模板作為輔助措施，針對某些結(jié)構(gòu)相似的模具數(shù)控加工進行直接調(diào)用參考深層適合加工的工藝和數(shù)控程序。這樣一來就能直接確定加工方法和工具準(zhǔn)備要求從而優(yōu)化工藝設(shè)計，做好經(jīng)驗總結(jié)，不同的子模型之間相互獨立，但相互影響，以生產(chǎn)實踐中的實際信息作為參考依據(jù)將其存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)容當(dāng)中，最終定義合理的加工參數(shù)完成程序創(chuàng)建過程，延長有效工作時間保障工作效率。

3 結(jié)語

模具數(shù)控加工是當(dāng)前工業(yè)制造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，針對模具加工工藝展開的技術(shù)分析工作對于提升制造穩(wěn)定性和效率而言意義突出。本次研究首先分析了數(shù)控加工系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，同時確定了數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用方法，旨在為今后的工藝流程提供合理的技術(shù)支持。但工藝設(shè)計本身經(jīng)驗性較強，大量的數(shù)據(jù)信息和工藝內(nèi)容必然隨著設(shè)備和技術(shù)的改進不斷變化，因此還需要根據(jù)工程要求做出合理修改和調(diào)整。