模具鑄造鑲塊的標準化制造

對沖壓模具加工制造鑄造鑲塊的工藝優(yōu)化的研究過程中，具體分析了原制造工藝存在的問題，從設備、刀具、工藝安裝板及編程等方面進行優(yōu)化，提高了單個鑲塊的加工精度和整體模具制造效率，形成了一套完整的加工模板和工序管控的流程，實現(xiàn)了鑲塊制造工藝的標準化，保證了鑲塊的互換性，為鑲塊制造的自動化打下了基礎。

1　序言

模具是定形、定值、精密、高效且經(jīng)濟的生產(chǎn)工具，其發(fā)展水平體現(xiàn)了國家商品生產(chǎn)的發(fā)展程度，為加快商品上市，搶占市場先機，就必須縮短模具的生產(chǎn)周期。傳統(tǒng)模具是典型的單件生產(chǎn)，裝配主要采用修配，工作零件的互換性較差、生產(chǎn)周期較長。

模具的標準化有利于設計水平、質量和效率的提高，從而使模具生產(chǎn)由單件生產(chǎn)轉為成批、通用的專業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期。模具零件可分為結構零件和工藝零件，模具結構零件的標準在模具生產(chǎn)中已得到廣泛的推廣，裝配時調(diào)整少，甚至不調(diào)整，對于縮短制造周期、降低采購成本和提高模具質量，有著極大的促進作用。由于模具工藝零件的差異性大，裝配過程研配工作較復雜，所以對模具工藝零件制造的標準化研究可以將模具制造經(jīng)驗進行總結和推廣，加速模具商品化進程，使得模具的流水線制造成為可能，為企業(yè)帶來巨大生產(chǎn)力。

2　 原鑄造鑲塊制造工藝介紹

鑄造鑲塊在覆蓋件模具中廣泛應用于修邊、整形結構中，其數(shù)量大、形狀復雜，材料為空冷鋼（材料牌號7CrSiMnMoV，代號CH-1），該材料是一種以鑄代鍛的高碳低合金鋼，熱處理方式采用表面火焰淬火，淬火后硬度為50～55HBC，具有熱處理變形小的優(yōu)點，在沖壓模具生產(chǎn)上應用廣泛。圖1所示為修邊鑲塊的典型結構,為了裝配和維護的要求，一般鑲塊長度L控制在300mm左右、質量＜20kg。

一套雙槽門板修邊模的鑲塊數(shù)量在100塊以上，為保證模具裝配精度，傳統(tǒng)制造工藝將鑲塊單獨完成底面銑削、磨削后，進行靠山面、結合面的精加工，再由鉗工研修底面和結合面，安裝在底板上合銑型面和輪廓。該工藝的主要弊端為：①生產(chǎn)組織上，底板加工完成后才能安裝鑲塊，最后在底板上合銑，不能做到制造過程中的并行生產(chǎn)，耽誤制造周期。②鑲塊裝配時鉗工研修工作量大，鑲塊拼裝質量取決于鉗工的經(jīng)驗和技能水平。③占用了大型CNC臺機的數(shù)控加工時間，機床有等待時間，增加了制造成本。④由于鑲塊數(shù)量多，在鉗工拼裝時存在累計誤差，從而使得單件鑲塊的結合面、螺釘孔和銷孔偏差大，互換性差，更換時必須回原廠修配制造，加大了維護成本。

a) 不帶廢料刀

b) 帶廢料刀

圖1  修邊鑲塊的典型結構

3　鑲塊標準化工藝研究

（1）鑲塊的標準化制造的難點　①加工的工序內(nèi)容多，不僅有型面、輪廓加工，還有結合面、靠山面、標識平面和孔加工等。②加工型面復雜，型面起伏大，對于不同區(qū)域需采用不同的加工策略。③毛坯不規(guī)則，毛坯余量不均勻，從而使得單件制造過程中耗費的裝夾、對刀時間長，對機床操作人員來說，頻繁的裝夾、換刀和程序調(diào)用，勞動強度加大，還大大增加了出錯的可能性。④對工藝編程人員的要求較高，編程人員不僅要掌握扎實的建模、刀具和編程知識，還需要有模具設計和裝配制造的工藝經(jīng)驗。

（2）鑲塊標準化制造工藝方案　在提高單個鑲塊制造精度的前提下保證整體合模精度，雖然增加了鑲塊的制造成本，但可以有效地縮短工藝流程，減少工藝等待時間，將順序生產(chǎn)組織方式變?yōu)椴⑿猩a(chǎn)方式，改變模具單件配做制造理念，將鑲塊視為商品化制造產(chǎn)品來生產(chǎn)，保證了單個鑲塊的互換性，減少了維護等待時間，提升了后期服務滿意度，縮短了模具整體制造周期。

對比表1、表2的新舊加工方案可以看到，修邊模具鑲塊的工藝流程縮短，裝夾次數(shù)減少，加工集中化程度提高，減少了累計誤差，充分發(fā)揮了加工中心自動化、高精度的優(yōu)勢，減少了手工出錯。采用新工藝方案的優(yōu)點有：①制造過程自動化，采用加工中心單元，充分利用了加工中心刀庫高效自動換刀功能，一次裝夾即可完成粗、精加工，避免了基準轉換誤差。②制造工藝標準化，規(guī)定了鑲塊統(tǒng)一的裝夾定位方法，按標準工藝流程數(shù)控（CNC）加工。③加工數(shù)據(jù)規(guī)范化，將鑲塊上產(chǎn)品制造信息（PMI）顯式表述，根據(jù)鑲塊功能、精度和工藝要求建立統(tǒng)一涂色標準。④數(shù)控編程模板化，制訂的標準工藝規(guī)則最終是靠數(shù)控程序來體現(xiàn)，為提高編程效率，規(guī)范程序質量，減少人為差錯，各個工序均采用標準的加工模板，實現(xiàn)數(shù)控程序的規(guī)范。

4　鑲塊標準化加工關鍵技術

（1）鑄造鑲塊快速裝夾工具開發(fā)　為保證鑲塊的加工效率和質量，確保工藝方案的順利實施，開發(fā)了以下快速裝夾工具：①用于快速定位的工藝安裝板（見圖2），在工藝安裝板上等距加工螺紋定位孔，將四周設計為可拆卸式的定位擋板，以適應鑲塊形狀的多樣性，便于調(diào)整選擇合適的夾緊方式。②定位T形塊、定位銷及定位螺釘（見圖3），實現(xiàn)工藝安裝板與機床臺面、鑲塊與工藝安裝板、鑲塊與工藝鎖板的快捷安裝。③工藝鎖板（見圖4），用于廢料刀或熱處理后不需型面二次加工的鑲塊的快速定位，工藝鎖板背面設計有工藝槽，便于調(diào)整定位螺釘?shù)木嚯x尺寸。

圖2　工藝安裝板

圖3　定位T形塊、定位銷和定位螺釘

圖4　工藝鎖板

（2）快速裝夾工具的應用　如圖5所示，在機床工作臺上安裝定位T形塊，其位置由定位螺釘設定為加工所用的編程坐標系。待鑲塊在工藝安裝板上裝夾完成后，通過工藝安裝板底面的定位銷，可以將工藝安裝板精確定位到工作臺，實現(xiàn)加工坐標的自動找正。

圖片

a）機床工作臺上的T形定位塊

b）安裝板底面定位銷

c）鑲塊在安裝板安裝

d）安裝板在機床安裝，自動找正

圖5　工藝安裝板在加床工作臺上自動找正原理示意

如圖6所示，對于修邊模廢料刀或熱處理后只需輪廓加工的鑲塊，將鑲塊通過定位螺釘裝在工藝鎖板上，工藝鎖板通過定位銷安裝到工藝安裝板，實現(xiàn)了設備外的安裝，自動定位加工基準，從而實現(xiàn)了快速更換定位。

圖片

圖6　工藝鎖板在工藝安裝板上自動找正原理示意

（3）統(tǒng)一鑲塊編程原點、加工坐標系　加工坐標系是編程、加工的基準，根據(jù)不同的鑲塊類型，采用下面幾種方法確定編程坐標系（MCS）。

1）對于薄板件，設計時沒有靠山面，非加工面見光后坐標系設定如圖7所示。

2）對于有靠山面的鑲塊，加工前底面、靠山面到尺寸，加工坐標系設置如圖8所示。

3）凸模廢料刀位于修邊模下模，用于切斷廢料，一般無靠墻或只有單側靠墻（見圖9），毛坯面見光或靠山面到尺寸后，加工坐標系設置如圖10所示。

（4）鑲塊數(shù)控編程模板開發(fā)　數(shù)控加工程序是CNC加工工藝的具體體現(xiàn)，它展示了制造過程中刀具的選擇、刀軌的形式、走刀方式、對刀零點及機加工工藝參數(shù)的設置，程序的編制是整個加工任務的核心環(huán)節(jié)，數(shù)控程序的優(yōu)劣決定了加工的質量和效率。為此規(guī)范了數(shù)控加工刀具的規(guī)格和加工方式。

1）為減少數(shù)控刀具的庫存，規(guī)范了加工刀具庫（見表3），將加工中心配置統(tǒng)一刀具參數(shù)的刀庫，同時在NX CAM中設置鑲塊加工刀庫，在更換刀具時自動加載轉速、進給率、步距與下刀量。

2）規(guī)范鑲塊編程標準化程度，有利于實現(xiàn)鑲塊加工的標準化和自動化。經(jīng)過初期加工驗證，得到了大量加工數(shù)據(jù)，包括加工幾何信息（平坦、陡峭）、加工方式（型腔銑、區(qū)域銑、等高銑）、刀具（球刀、立銑刀、飛刀）、切削參數(shù)（加工余量、轉速、進給、切削深度）和進刀方式（圓弧、直線）等。但模具鑲塊的個體差異性較大，很難找到加工共性，驗證過的制造工程準則必須通過繼承和集成才能規(guī)范標準的編程行為。為此開發(fā)了圖11所示的鑲塊編程模板，該模板不僅融合了專家工藝知識，還具有一定的開放性，提供了衍生數(shù)控編程知識的手段，拓寬了獲取工藝知識的途徑，編程人員還可以添加自己的模板，從而減輕編程的勞動強度，使編程人員的主要精力集中在鑲塊零件區(qū)域的規(guī)劃上，保證了數(shù)控程序的一致性。

鑲塊加工模板專家?guī)?/p>

5　鑲塊精度檢測

精加工后的鑲塊從圖12三坐標檢測報告中可以看到型面、輪廓偏差為0.02mm，銷孔孔位、孔徑偏差為0.01mm，滿足裝配要求。大幅減少了鉗工研配量，經(jīng)驗證鑲塊備件可以滿足模具裝配互換性的要求。

　三坐標檢測結果

6. 結束語

通過近幾年來對鑄造鑲塊標準化加工工藝的不斷探索和改進，對提高制造精度、快速裝夾、提高加工效率和規(guī)范編程等問題的研究，使模具的流水線制造成為可能，形成了鑲塊標準化工藝流程，為后續(xù)鑲塊的自動化、無人化制造實現(xiàn)打下了基礎。