高精度加工

第十二届车身研讨会论文

汽车覆盖件模具高精度加工

的数控编程技术

天津汽车模具有限公司

刘晓英赵文杰

2000年6月

汽车覆盖件模具高精度加工的数控编程技术

天津汽车模具有限公司刘晓英赵文杰

摘要：在模具型面的数控加工过程中，由于所产生的各项误差，影响了模具的质量和周期。本文

通过分析数控加工时所产生的误差，从数控加工工艺﹑数控编程刀具﹑优化走刀方向及设定加工

边界等方面探讨提高模具型面加工精度的方法。

引言:

随着我国汽车工业的迅速发展，汽车改型换代的周期日趋缩短，对汽车模具的制造精度和生产周期的要求越来越高。从某种意义上讲，汽车覆盖件模具的制造质量和周期，大大影响汽车改型换代的质量和周期，左右着汽车在市场上的竞争力。要想生产出高质量具有竞争力的汽车车身产品，必须首先制造出高质量的汽车模具，而高质量的汽车模具在很大程度上取决于模具的数控加工精度。因此如何应用CAM技术提高模具的加工精度受到模具同行们的广泛关注。

天津汽车模具有限公司于1987年开始应用CAM技术，先后完成了天津夏利轿车换型改造的行李箱内外板﹑前机盖内外板，天津华利汽车换型改造的前围板内外板，一汽捷达轿车翼子板，上海大众桑塔纳轿车，四川丰田旅行车，江西五十铃全顺汽车，北汽福田汽车等国内众多汽车厂家的各类大型模具的制造任务，不仅为企业创造了可观的经济效益，更主要的是我们在实现模具高精度加工的数控编程技术方面取得了许多宝贵的经验，为模具CAM技术的更好应用及更进一步的开发工作奠定了基础。本文将对汽车模具在数控加工时所产生的误差进行分析，并从数控加工工艺﹑数控编程刀具﹑优化走刀方向及设定加工边界等方面谈谈实现模具的高精度数控加工的一些方法，与大家交流探讨。

2．问题的提出

汽车覆盖件模具的设计制造周期主要取决模具的钳工研模及调整时间，发达国家如日本、美国及德国的模具加工中，数控加工及抛光所需的时间占整个模具研制时间的65%。在日本，模具的加工时间占30%，抛光时间占35%。美国和德国模具加工时间为50%，抛光时间为15%。从上述统计数字可以看出，模具的研制时间的缩短，制造质量的提高，主要取决于数控加工质量的提高和抛光时间的缩短。通常模具凸凹模加工完成后，其凸凹模型面的法向距离理论上应为汽车产品件的板料厚度，但是由于加工过程中产生的各种误差，通常达不到理论值，确切地说达到板料厚度的95%时既为合格。超过此范围的部分由钳工修配及抛光来去除。因此为缩短模具的钳工研制时间，降低制造成本，提高加工质量，必须提高模具的数控加工质量，进行高精度的数控加工。如何通过控制数控加工精度以缩短抛光时间，是各模具企业面临的实际问题。

3 数控加工所产生的误差分析

1 加工误差的定义

图1 凸凹模在合模示意图图2 刀具因受切削力产生的误差示意图

如图1所示，数控加工完成后，模具凸凹模在合模后的法向间隙理论上应该等于汽车产品件板料厚度w，而实际上由于加工时产生的各项误差值，使得模具的实际型面不可能100%地符合，一般凸凹模在合模后的法向间隙低于板料厚度w。那么其中的误差值就必须通过钳工修磨加以修正。

2 产生误差的因素分析

1）工艺系统让刀误差△1

如图2所示，由于工艺系统存在一定的刚度，在铣削力作用下，刀具在实际切削过程中存在着让刀现象，产生让刀误差△1，最后将导致实际型面与理论型面的偏差。让刀误差的大小取决于工艺系统的刚度、被加工材料材质等因素。

2）刀具磨损误差△2

在数控加工过程中，刀具在切削材料时，对于不同的加工材料会产生不同的刀具磨损误差△2，并且在磨损状态下加工使切削力骤增，加剧了系统的让刀变形。我们通过实验得到刀具磨损误差△2与时间的关系，为补偿提供了依据。

3）加工刀轴方向与切削表面的法向夹角对精度的影响△3

汽车覆盖件的形状非常复杂，使得刀具在实际切削过程中刀轴方向与切削表面的法向夹角在随时变化。

如图4所示，当刀轴方向与切削表面的法向夹角为0时，切削点切削速度理论上为零，致使刀具与被加工表面之间产生挤压，刀具不易切入被加工表面，刀具的加工状态不良，加工质量差。若刀轴方向与切削表面的法向夹角为90度时，刀具挠曲变形量将达到最大值，从而导至刀具让刀量达到最大值，很显然这两种极限加工状态对加工精度都不利，只有当二者的相对位置处于图4所示的状态时，才能够既保证刀具挠曲变形量比较小又保证了切削点落在切削性能良好的部位，加工精度则显著提高。经计算可知此时 度。

图3 刀轴方向与切削表面的法向夹角对精度的影响

4）加工刀具所产生的误差△4

在进行模具型面数控加工时，主要选用镶片式球刀。在其刀体上为了装卡硬质合金刀片有若干个凹槽和螺钉孔，因此造成刀具的刚度不足，在加工过程中容易产生让刀现象。在加工斜面时更为显著。

另外，其硬质合金刀片的精度也直接关系到刀具的精度，经检测发现，国产刀片每两片之间的误差最大可达到0.2mm。因此，在加工过程中由于刀片损坏而需要更换另一片时，虽然经过重新对刀，仍抵消不了刀片间误差所造成的影响。镶片刀具的安装精度为：二片镶片刀：±0.1----±0.2；

一片镶片刀：±0.03；

整体刀具：±0.01----±0.02。可见刀具本身对加工精度的影响十分显著。

4 实现高精度加工的数控编程技术

1）数控加工工艺的改进

a. 在模具型面粗精加工前，先进行型面的清根加工，其加工余量可与相应型面加工相

同或者大一些。这样，可以把凹根处较大的加工量先切削掉，从而使型面加工比较畅顺，提高加工的效率。

b. 在模具型面精加工后，增加清根加工的刀具种类，比如：Ф25，Ф20，Ф16，……

等，对于凹圆角半径等于某一个清根刀具半径的情况，将清根加工方式改为顺着凹根走向加工，一次走刀完成。对于介于两种清根刀具半径之间的凹圆角，则采用较小的清根刀具顺着凹根走向往复式加工，多次走刀完成清根加工。

c. 增加半精加工，或者说将1.0mm的加工余量分为两次加工，设定半精加工的移行

为4.0mm，加工余量为0.6mm。

d. 缩小精加工的移行量，将精加工的移行设定为1.0mm，那么在平面处加工后残留高

仅为0.008mm。

改进后的数控工艺可能会增加模具的编程工时，但是它能大大提高模具的型面质量，缩短模具的研制时间。

2）设定编程刀具半径来实现加工误差的补偿

按着常规的编程方法，凸凹模之间的间隙应定义为一个料厚，但是由于以上所分析的加工误差△1﹑△2﹑△3﹑△4的产生，实际加工完成后凸凹模型面之间的间隙要小于一个料厚，这样就会大大增加钳工的研磨时间。

通过大量的实践我们发现，可以采用通过设定编程刀具半径的方法来实现加工误差的补偿，即数控编程时将刀具半径设定为比数控加工时所采用的刀具半径要小，由于我们所采用的CAM系统为美国通用公司的UGII软件中的CAM模块，它所输出的数控加工程序为刀具的刀心底点，这样在实际加工时，在模具型面的平面处不会产生过切，但在模具型面的陡峭处会将加工时所产生的误差补偿掉，从而使凸凹模合模后达到模具的精度要求。

如下图所示：

我们采用这种方法数控加工了大量的汽车内板件模具型面，通过钳工研磨发现：凸凹