毕业论文(设计)：汽车覆盖件模具的加工

毕业论文
论文题目：汽车覆盖件模具的加工
汽车覆盖件模具的加工
摘要
本文综述了汽车覆盖件模具的加工工艺过程。

介绍了覆盖件模具的加工特点，以及加工过程中加工工艺的选择；通过分析一个拉延件模具的加工全过程，加深了对刀具的选择、以及在加工过程中遇到问题和解决问题的意识。

讨论了加工过程中加工方法的选择，通过对上述的总结得到了以下一些经验：
1．加工方法要选择合理；
2．刀具要选择正确；
3．加工时一定要采用大刀开粗、小刀清根、大刀光刀、小刀光刀的加工原则；
4．操作机床过程中不能大意，遇到问题了更不能紧X、急噪，要清醒、冷静的去对待
问题、解决问题。

关键词：覆盖件；模具加工；加工方法；加工工艺；刀具选择
目录
第一章汽车覆盖件及其模具的概述
１．汽车覆盖件的定义和分类 (1)
２．覆盖件的特点及其模具的加工要求 (1)
３．覆盖件模具数控加工特点 (2)
第二章汽车覆盖件模具的加工工艺
第一节刀具及加工参数的选择原则 (3)
第二节汽车覆盖件模具的加工工艺 (3)
１．粗加工 (4)
２．半精加工和精加工 (5)
３．清根加工 (5)
４．后处理 (6)
５．对加工程序的验证 (6)
6.数控加工NC代码的生成 (6)
第三章加工实例
第一节模具 UG／CAD 建模 (7)
第二节模具数控加工与编程 (9)
1．坐标系的确定 (9)
2．刀具选择 (9)
3．粗加工 (9)
4．做底面加工的基准面 (9)
5．底面加工 (10)
6．正面结构面加工 (10)
7．清根加工 (11)
第三节加工过程中出现的主要问题及解决方法 (11)
１．加工过程中出现的问题 (11)
２．改善刀具的加工角度的两种方法 (11)
致谢 (13)
参考文献 (14)
第一章汽车覆盖件及其模具的概述
一．汽车覆盖件的定义和分类
汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。

覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。

覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。

按工艺特征分类如下：
1.对称于一个平面的覆盖件。

诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水箱罩等。

2.不对称的覆盖件。

如车门的内、外板，翼子板，侧围板等。

3.可以成双冲压的覆盖件。

所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成型的封闭件。

4.具有凸缘平面的覆盖件。

如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。

5.压弯成型的覆盖件。

二、覆盖件的特点及其模具的加工要求和特点
(一)覆盖件的特点
覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。

(二)覆盖件模具的加工要求
材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高特点决定了覆盖件模具加工的特殊要求。

1.尺寸形状
覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在零件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。

2.刚性
覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀，会使某些部位刚性变差。

刚性差的覆盖件受到振动时会产生噪声，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件损坏。

3.工艺性
覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。

一个汽车覆盖件一般需要经过拉延、切边、冲孔、整形翻边等工序才能完成冲压成型，其中关键工艺是拉延工艺。

拉延工序以后的工艺，仅仅是确定工序次数和安排工序顺序的问题。

好的工艺性可以减少工序次数，进行必要的工序合并。

前道工序为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和前道工序衔接好
4.表面质量
覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。

覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。

三．覆盖件模具的数控加工特点
一个汽车覆盖件一般需要经过拉延、切边、冲孔、整形翻边等工序才能完成冲压成型，因此覆盖件模具也大致分为拉延模、切边冲孔模、整形翻边模。

而每套模具又由不同的部分组成。

具体如下：
1.拉延模：凸模、凹模、压边圈、退料芯等。

2.切边冲孔模：凸模、切边模、推进器等。

3.整形翻边模：凹模、凸模等。

因此，不同类型的模具其加工方式是不同的。

同类型的模具也会因为其型面不同而采用不同的加工方式。

覆盖件模具一般采用的加工方式有粗加工、精加工、轮廓加工、以及清根加工等。

第二章汽车覆盖件模具的加工工艺
第一节汽车覆盖件模具加工中的刀具选择
一. 刀具及加工参数的选择原则
刀具的选择主要反映在模具的曲面、异形型腔加工方面。

(一)选择合理的刀具种类：
对于一些淬火后产生变形的修边模刃口，我们采用的方法是淬火前留下0.3mm的余量，淬火后采用大螺旋角六刃的超硬刀具加工，如日立的CEPR6200-TH-20-HHE及SANDVIK的R215.3A-10030-BC22H-1010，切削参数为：刀具直径为20mm、转速为1600r／min、进给速度为600mm／min、加工材料为7CrSi和Crl2MoV 等、硬度在HRC55以上，取得了良好的效果。

对于那些型面淬火后变形的模具，我们采用带有立方氮化硼涂层材料CBN的硬质合金刀片来加工，实际加工效果也很理想，其线速度可达500m／min以上。

机夹刀的合金刀片要根据不同的加工材料来选用，错用将缩短刀片寿命。

使用球头刀精加工时，在能满足曲面形状几何要求的前提下优先使用大直径刀。

刀具使用当否直接关系到模具制造的成本、质量及效率。

随着新型刀具的不断推出以及模具材料的不断变化，切削参数也在不断变化，另外。

由于不同机床的结构不同，切削参数也不同。

在汽车覆盖件模具加工过程中，3+2（五面体）的加工方式是刀具及机床发挥其功能的极佳方式。

XX汽车模具XX使用较多的是日本BIG厂家的仿形铣刀，进口刀价格虽高但耐用，综合性价比高。

粗加工多用可转位硬质合金球头刀、端铣刀和盘刀，精加工用单片硬质合金球头刀仿形刀和螺旋角刀，清根
用清根刀。

(二)选择合理的转速：
人们通常更关心数控机床的转速，而往往忽略了刀具的额定线速度。

实际上，每种刀具都有其适宜的加工X围，其线速度是一定的。

以最常用的硬质合金球头刀为例，根据经验总结:直径为20mm的球头刀的线速度为200～300m／min时，其适宜的机床转速在5000～7000r／min之间，而这个线速度已接近该刀具的最高线速度了，因此，刀具的选择应当在转速和线速度之间找出最佳值，使刀具寿命和加工效率达到最理想的状态。

第二节汽车覆盖件模具的加工工艺
汽车覆盖件模具数控加工一般的粗框架工艺路线是粗加工--清根--半精加工--清根--精加工--清根.
一．粗加工
(一)粗加工的目的，是以较快的速度去除材料余量，使残留的毛坯接近零件形状。

(二)粗加工的对象一般有两种情况：
一种是方料毛坯，即从平面开始加工；另一种是铸钢件、钢板焊接件等带有一定零件形状的坯料，这是汽车车身模具中使用较多的。

(三)粗加工中需要注意的问题
(1)铸造、钢焊毛坯的粗加工，由于不是从平面开始，初始毛坯不易确定，如果简单地用分层加工的方法会有许多空跑刀，大大降低了效率。

这时要仔细分析加工量，可先用投影线在型腔的典型部位分别拉几刀，测得实际加工量以后再酌情确定加工工艺。

UG软件的粗加工可以对零件的不同X围分别设置不同的毛坯厚度及参数，自动计算加工层数，程序一次完成。

(2)粗加工中出现的材料过切问题。

1.不同的机床控制系统引起的过切问题
机床的控制系统与NC程序不统一会引起过切问题。

不同的机床控制系统，如日本的FANUC系统和日本的大隈系统，在G00运行时的方式有所不同，编程时应采取不同的解决方案，如图2-1所示：
图2-1 FANUC数控系统在G00指令代码时的运动路线
从图中可以看出，从A点到B点程序的算法是运行点到点的直线，而机床控制系统走折线，当C点存在零件域时，看程序没有问题但实际加工却产生了过切。

这种情况CAM软件自带的刀轨验证无法察觉，只有NC程序经过仿真验证软件的检查，在模拟加工中正确设置机床参数才能发现。

解决方法：可适当加大层间抬刀的垂直参数（G00时避开折线点），例如将层间抬刀至安全平面，缺点是降低了效率。

彻底的解决办法是用Rapid取代G00编程。

2.切削方式引起的过切问题
由于普通铣床的丝杠结构精度差，操作时一般多用逆铣方式，而数控机床的滚珠结构丝杠精度极高，顺铣不会崩刀，更不会出现过切，所以CAM软件里切削方式默认值一般都为顺铣。

所以粗加工在绝大多数情况下应选择顺铣的切削方式。

数控程序的原则是尽量保持连续切削，刀具频繁出入切削材料容易被损坏，同时增加了机床操作难度。

对方料毛坯进行粗加工多采用分层切削的方法，每层环形走刀或平行走刀，层间螺旋下刀。

切削层间下刀的角度取值一般小于15°，深度取刀直径的12－25％为宜，每层的步距根据模具材料不同一般不大于刀具直径的30％。

我们的干法是："少拉快跑，活好刀好"，即取较小的切削量、较快的进给速度，保证了工件的加工质量和效益，保护了刀具。

对于复杂的型腔，可以采用大、小几把刀具分别开粗，把上一道工序加工完的几何体作为下一道工序的毛坯来使用，以提高加工效率和连续进刀率。

汽车覆盖件模具的材料一般选用铬钼铸铁，毛坯采用实型铸造，加工余量比较大，通常有15-25mm。

在整型翻边模中的镶块，其材料通常采用Cr12MnV。

这些零件很难一次加工成型，必须进行粗加工,一般采用层切的方式进行粗加工，层切切削方式有很多。

二．半精加工、精加工
半精加工一般用于零件几何公差要求比较高时，为了给精加工留下较小的加工余量的切削，可根据零件公差要求及加工材料特点灵活使用。

精加工是对型腔最后的切削运动，直接关系到加工质量的高低，不同的刀路程序会对零件加工出截然不同的精度效果，CAM软件提供了多种方式可选。

一般在较为陡峭的面多选等高线加工方式，而其他曲面使用Contour_Area即可。

值得一提的是在曲面加工刀路中的3D步距，可以克服在不同斜率的面上加工残留不均匀的问题，UG、Cimatron等软件都有此功能。

缺点是刀轨较长，不适合在太复杂的曲面加工使用。

图2-2是UG的3D步距刀轨示意图。

图2-2 步距刀轨示意图
精加工时对精度的取值也要看具体情况，不要一味地追求精度而忽视了加工效率。

据发达国家日、美的资料显示，其汽车覆盖件模具的设计制造周期主要取决于模具的研制时间，而他们的数控加工和抛光所需的时间占整个模具研制时间的60％以上。

这也从一个方面提示了研究、做好数控加工在模具研制中的重要意义。

三．清根加工
清根是常用的加工工序，主要是把前面的加工中由于刀具直径大的原因而没有切除掉的余量加工掉。

有两种情况必须注意使用清根：一是在大刀后换小刀以前，为了给小刀加工一个好的环境，避免小刀在型腔拐角处的切削量过大而进给不能保持恒定速度，此时要先清根（小刀用等高线加工可除外）；再就是用于精加工前后，也是为了速度及加工出符合要求的圆角。

清根常采用球头刀，针对单独的小R也可用端铣刀小步距层切（此非清根工艺），要看曲面的情况而定。

四．后处理
后处理就是把CAM软件生成的刀具轨迹文件转换成数控机床能够识别执行的G代码NC程序，针对不同的数控操作系统NC程序的格式各有不同，这是数控编程的最后环节。

UG的后处理器可以直接对内部刀轨进行后处理。

UG的PostBuilder可供用户自定义后处理格式，以解决各种编程中的问题。

五．对加工程序的验证
在制造业的软件解决方案中，三维仿真模拟加工、验证、分析是一个重要环节，模拟分析的好处就是可以在计算机上像了解真实加工一样观察产品制造的过程，用计算机来分析还没有制造出来的产品零件的质量，并发现设计、制造等诸问题。

验证分析可以针对产品、模具设计，可针对数控加工程序。

NC程序常用的仿真验证软件是CGTech公司的Vericut，用它可以进行NC程序的三维验证分析，仿真C机床，还可对程序进行优化，可从NC刀具路径创建CAD兼容模型，并与CAD设计模型相比较，等等。

通过对G代码和CAM输出数据的模拟加工，可以检测出刀轨路径的错误以及导致零件、夹具和刀具损坏或机床碰撞等问题。

如果加工程序的验证既由编程人员同时也由机床操作人员来做，经过两个层面的工作，一般能较有效
地防止错误的发生。

六．数控加工NC代码的生成
因为数控机床中的控制系统只能识别数控指令，如G代码、M代码等。

零件加工的刀具轨迹文件产生以后，其计算结果是不能直接在数控机床上使用的，为了得到能够驱动数控机床工作的NC指令必须将刀位文件转换成特定的数控指令，即进行后处理。

UG/CAM提供了两种后置处理方法，分别是图形后处理模块和UGPOST后置处理方法。

UGPOST后置处理可以直接利用操作导航工具中的操作生成NC文件。

我们将生成的刀轨通过由UGPOST完成的所用数控机床后置处理进行转换，生成所用机床控制器能够接受的NC程序，通过计算机RS232串行口和机床专用数据接口连接，NC程序被传输至机床。

第三章加工实例
要制造一套汽车覆盖件模具，必须对零件及加工过程进行计算机辅助设计。

本例中用UG来进行计算机辅助设计。

根据设计要求：首先，建立出零件模型；其次，建立扳金件的模具模型；再次，是模具零件的数控加工。

加工要求：生产出的模具加工出来的零件应当与左侧板（图3-1）左下部分和右侧板（图3-2）右下部分相吻合，保证间隙最大不超过0.5mm。

模具大小有1000mm×600mm。

要想达到加工要求既要参考模具图，又要参考左侧板和右侧板的UG模型。

经过初步分析该零件加工过程至少需要拉延、切边冲孔、整形翻边等三套主要模具，根据模具特点认为采用UG/CAD和UG/CAM作为设计工具，日本OKUMA的加工中心（加工X围X4000mm、Y2000mm、Z900mm，刀库容量60把，BT50刀柄，控制系统东芝888）作为主要加工机床。

图3-1 左侧板图3-2 右侧板
第一节模具 UG／CAD 建模
一个汽车覆盖件一般需要经过拉延、切边、冲孔、整形翻边等工序才能完成冲压成型，覆盖件模具也大致分为拉延模、切边冲孔模、整形翻边模。

经过建模，具体如下：
1.拉延模：凸模（图3-3）、压边圈（图3-4）、凹模（图3-5）、退料芯等；
2.切边冲孔模：切边模（图3-8）推进器（图3-6）凸模（图3-9）等；
3.整形翻边模：凹模（图3-10）凸模（图3-11）等。

图3-3 凸模图3-4 压边圈
图3-5 凹模图3-6推进器
图3-7 切边冲孔模产生的零件模型图3-8 切边模
图3-9凸模图3-10 凹模
图3-11 大凸模
第二节模具数控加工编程
一．坐标系的确定
UG的坐标系包括绝对坐标系、工作坐标系和加工坐标系。

它非常符合汽车覆盖件模具的制造需要，汽车覆盖件模具的建模采用绝对坐标系，当我们设计工艺的时候采用工作坐标系，数控加工编程时采用加工坐标系。

我们要求工作坐标系和加工坐标系一致。

坐标系一致，有利于模具加工时的定位和找正。

由于UG ／CAM刀具轴的默认方向为Z轴，所以当我们加工同一套模具的凸模和凹模时，其加工坐标系原点一样，只是Z轴相差180度。

当建立加工坐标系的时候，只要将WCS旋转，然后根据工作坐标系建立加工坐标系即可。

二．刀具选择
数控龙门加工中心床所用的刀具主要有：牛鼻刀，插铣刀，球头刀，光刀，螺旋角刀等。

由于模具粗加工去除的材料是比较多的，加工时间也比较长，所以我们采用可换刀片的牛鼻刀进行加工，刀具直径在Φ20—Φ35之间。

球头刀主要用于型面和清根加工。

型面加工一般用Φ16—Φ25的刀具，清根加工根据R 的大小可用Φ4—Φ16的刀具。

三．粗加工
汽车覆盖件模具的材料一般选用铬钼铸铁，毛坯采用实型铸造，加工余量比较大，通常有15-25mm。

在整型翻边模中往往装有镶块，其材料通常采用工具钢，如：CrWMn。

这些零件很难一次加工成型，必须进行粗加工。

一般采用层铣的方式进行粗加工，UG提供了很多层铣切削方式如：凹槽铣削，行切，等高外形，平行截线等。

例如拉延模凹模（图5）的粗加工可以采用CAVITY_MILL。

特别强调，由于零件毛坯很大，大小有1000mm×600mm左右，为了减小不必要的走刀路径，选择的毛坯要进行特别的处理，确定毛坯的实际形状和尺寸，然后建立毛坯的UG模型，使两者相差不大。

四．做底面加工的基准面
(一)检测毛坯高度基准线，在模具行业中叫做百线（模具上百线以下100mm的面作为基准面）按照要求调整基准线高度一致（不能大于5道）。

大型模板为底面加工作基准时就考虑正面加工余量，找正试切余量，可重设定中心，以避免反向加工完成后，正面各位置尺寸无法按底面基准坐标加工出来。

(二)铣基准面：力求做到基准面等高，若无法一致。

应取整数差加工，（标准垫板作为补差）常用的标准垫板有300块，100块和各种规格和垫块。

五．底面加工
(一)按铸件中心基准线找正并定中心，使工件装夹并用压板锁紧。

(二)底面粗铣：用￠250盘刀去除大部分余量，筋条部分用￠63的盘刀加工。

(三)快速定位键槽加工，首先用在D26键铣粗铣留单边余量50道。

然后用￠16键铣粗加工，换二号刀验棒检测，槽宽公差控制在+0.01—+0.03mm.。

(四)压板槽加工，没有铸出压板槽采用32键铣刀开槽，用40光刀光压板槽。

(五)压板面加工：用63插铣加工。

(六)松开工件压力点螺母，检查支撑点受力情况，作调整，用￠125超轻快盘刀精加工底面，切深在30道以内，要求平面度在5道以内。

在底面加工时应当注意：一是支撑物必须均衡受力；二是若一次精加工达不到其精度，应用量表测出表面高度，反向切深前次切深高度加5道进行加工。

六．正面结构面加工
(一)工件的装夹：按底面定位键槽定中心，用快速定位键定并装夹工件。

(二)安装面的粗加工：选用125刀开粗，切深5-7mm（不能大于10mm），留1050道的余量待精加工。

(三)结构面精加工：用63插铣精加工安装面。

有挡墙处可按挡墙尺寸胀10道加工底面。

同一高度面加工时不能随意抬升主轴加工。

(四)键槽加工：先用D26键铣粗铣留单边余量50道。

然后用D16键铣粗加工，验棒检测，槽宽公差控制在+0.01—+0.03mm.。

(五)做基准孔：按D10，深20mm加工。

加工完成后其坐标必须钢号打出。

这个基准孔只是加工过程中的过渡孔，待模具组合件精加工完成重做D16的基准孔。

(六)点窝：镶块安装点窝。

(七)导板面的加工。

63采用层切粗加工，然后用63插铣精加工，允许亏3道以内。

(八)型面加工：型面粗加工，应用型面试切程序测试加工余量做到型面余量均匀且无较大缺陷。

清根量较大时采用抬刀多次加工。

半精和精加工前清根所用刀具半径必须小于半精和精加工所用刀具半径。

轮廓用￠40光刀粗精加工，精加工时也可用螺旋角刀。

七．清根加工
清根是常用的加工工序，主要是把前面的加工中由于刀具直径大的原因而没有切除掉的余量加工掉。

有两种情况必须注意使用清根：一是在大刀后换小刀以前，为了给小刀加工一个好的环境，避免小刀在型腔拐角处的切削量过大而进给不能保持恒定速度，此时要先清根（小刀用等高线加工可除外）；再就是用于精加工前后，也是为了速度及加工出符合要求的圆角。

清根常采用球头刀，针对单独的小R也可用端铣刀小步距层切。

清根加工是我们做模具加工时经常用到的一种加工方法，UG的清根加工操作非常方便，计算速度很快。

UG提供的加工方式有：单步轮廓铣削,多步轮廓铣削等,在加工时可以根据实际情况选择加工方式。

第三节加工过程中出现的主要问题及解决方法
一．加工过程中出现的问题
在汽车模具数控加工过程中，由于覆盖件模具的特殊性和复杂性以及3轴数控机床无法根据零件表面曲率的变化调整加工角度，使得刀具在不同的加工角度下，切削的线速度始终在变化，无法达到理想的状态。

当垂直角度加工时，球头刀的切削点线速度为零，且在刀尖点附近切削线速度也很低，影响模具的表面质量；另外，在加工深型腔的模具时，则需要加长刀具来进行切削。

以XX汽车模具XX的实际加工为例，加工此拉延模具的过程中出现的主要问题有：
1.切削后的型面的表面粗糙度不均匀；
2..侧面加工时产生了让刀现象，导致侧面间隙变小；
3.刀具在频繁的线速度变化中提前磨损；
4..由于刀具的加长使其切削刚性不足而导致整体刚性下降，引起机床颤动，在变型区出现刀具颤动后产生的凹坑、麻点；
5.一些区域受刀具长度限制而难于加工，甚至不能加工；
6.一些修边模的刃口及型面因热处理而产生变形，导致难以加工；
7.一些盆型的深型腔的模具用球头刀加工时，效率低下。

二．改善刀具的加工角度的两种方法：
(一)五轴联动加工
五轴联动机床可以根据不同的切削角度来调整刀具的倾斜角度以使切削线速度基本恒定，始终保持理想的切削速度，其优点可概括如下：
1.减小刀具长度，提高了加工刚性；
2.可获得较均匀的表面粗糙度；
3.使用相对低的转速，达到理想的切削效果；
4.可保持较佳的切削线速度；
5.可加工三轴数控机床难以加工或无法加工的深型腔模具。

(二)3+2的加工方式
所谓“3+2(五面体)”的加工方式是指A、c头根据不同型面的需要转到一定的角度，然后锁紧进行加工，当加工完某一区域后，再根据需要调整A、C头的角度。

要实现300mm／min的切削线速度，0度倾角时需要14000r／min的转速，而30度倾角时只需要6500r／min的转速就可达到相同的切削线速度。

概括起来，3+2(五面体)的加工方式具有以下优点：
1.可根据不同的型腔采用不同的加工倾角，使倾角加工实现了较理想的切削直径，从而获得较佳的线速度；
2.可实现一个工件分不同区域采用多方向、多角度的加工，可以取得良好的效果；
3.可使操作人员根据实际情况随时灵活调节加工角度；
4.由于A、C头的锁紧而增加了整体的刚性，从而获得了理想的间隙；。