基于柔性生產(chǎn)線的鋁擠壓模具的加工

溫家亮，王春曉，高萬(wàn)里

叢林鋁業(yè)科技（山東）有限責(zé)任公司 山東龍口 265700

1 序言

近年來(lái)，數(shù)控技術(shù)在鋁擠壓模具制造中得到了廣泛應(yīng)用，在用三軸普通立式數(shù)控銑床進(jìn)行模具的粗銑加工工序時(shí)，模具的裝卸件、人工翻件及重復(fù)找正等過(guò)程占據(jù)了非加工時(shí)間，使機(jī)床不能達(dá)到穩(wěn)定的連續(xù)性加工狀態(tài)。同時(shí)，隨著鋁加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，高規(guī)格復(fù)雜斷面鋁型材越來(lái)越多，鋁擠壓模具構(gòu)造也趨于復(fù)雜化，尤其是分流模的上模入口處的分流洞中往往存在三軸加工不到位的盲區(qū)，這就需要轉(zhuǎn)至電火花工序，根據(jù)其三維模型得到對(duì)應(yīng)盲區(qū)部位的電極，進(jìn)行電火花放電加工，加工周期長(zhǎng)。鋁擠壓模具加工包含數(shù)控加工、線切割、電火花和熱處理等工序，由于模具80%～90%的切削余量都是由數(shù)控加工工序完成，因此熱處理前的數(shù)控粗加工工序的加工效率就尤為重要[1-3]。

我公司采用定制的柔性生產(chǎn)線，利用hyperMILL編程軟件，并對(duì)模具熱處理前的粗加工工序進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整部分加工工序，解決鋁擠壓模具在生產(chǎn)加工中存在的上述問(wèn)題。模具在裝載臺(tái)經(jīng)過(guò)一次裝夾，可完成不同類型模具的連續(xù)加工，加工過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)管理模式，在有效提升機(jī)床利用率的同時(shí)營(yíng)造了安全便捷的工作環(huán)境。

2 柔性生產(chǎn)線布置

公司引進(jìn)的鋁擠壓模具柔性生產(chǎn)線采用的是芬蘭Fastems法斯頓柔性加工系統(tǒng)，此系統(tǒng)是根據(jù)公司模具制造生產(chǎn)需求而定制，根據(jù)選定的機(jī)床設(shè)備，利用模塊化架構(gòu)和交換式托盤(pán)模式來(lái)滿足生產(chǎn)需求，具體由自動(dòng)加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。柔性生產(chǎn)線平面布置如圖1所示，三維模型如圖2所示。

圖1 柔性生產(chǎn)線平面布置

圖2 柔性生產(chǎn)線三維模型

柔性生產(chǎn)線的自動(dòng)加工系統(tǒng)包括3臺(tái)型號(hào)為DMC100H的臥式加工中心，1臺(tái)型號(hào)為DMC125FD的五軸車銑復(fù)合加工中心，主要加工外圓直徑398～700mm的鋁擠壓模具。DMC100H臥式加工中心和DMC125FD五軸車銑復(fù)合加工中心都具備兩體回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其快速托盤(pán)交換裝置可以在8s內(nèi)將一個(gè)新的模坯置于準(zhǔn)備位置，最大程度地縮短了模具裝卸件的非加工時(shí)間，且加工精度高，動(dòng)態(tài)性能好。機(jī)床系統(tǒng)為SEIMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，其提供了CYCLE800固定循環(huán)程序，在編制程序時(shí)只需在工單中設(shè)定一個(gè)工件坐標(biāo)系，即可實(shí)現(xiàn)工件參考坐標(biāo)系的連續(xù)性轉(zhuǎn)換，在實(shí)際加工中只需要一次裝夾模具。

柔性生產(chǎn)線采用Fastems系統(tǒng)的物流系統(tǒng)，其由裝載臺(tái)、托盤(pán)架和堆垛升降機(jī)等器件組成，可以完成模具的儲(chǔ)存與傳送，是柔性生產(chǎn)線重要的組成部分。高效能堆垛升降機(jī)（見(jiàn)圖3）能確保在系統(tǒng)中迅速運(yùn)輸載有模具的托盤(pán)，使機(jī)床操作者無(wú)需等待，堆垛升降機(jī)進(jìn)行叉模作業(yè)如圖4所示。1個(gè)堆垛升降機(jī)為2個(gè)裝載臺(tái)和4臺(tái)機(jī)床服務(wù)，同時(shí)配備了載有18個(gè)專用臥式夾具的托盤(pán)和4個(gè)立式自定心卡盤(pán)托盤(pán)。一旦物流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能實(shí)現(xiàn)模具的運(yùn)輸，就會(huì)極大地制約數(shù)控機(jī)床的加工能力。

圖3 堆垛升降機(jī)

圖4 堆垛升降機(jī)進(jìn)行叉模作業(yè)

柔性生產(chǎn)線采用的Fastems MMS信息控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的開(kāi)放系統(tǒng)，可以對(duì)加工和運(yùn)輸過(guò)程中所需的各種信息進(jìn)行收集、處理及反饋，包括倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存、夾具、NC程序的傳遞、刀具監(jiān)測(cè)和主軸功率等。裝載臺(tái)操作面板主界面（見(jiàn)圖5）采用人性化的互動(dòng)觸屏，工人可以實(shí)時(shí)查看并確認(rèn)加工訂單的作業(yè)安排和各設(shè)備的狀態(tài)，以便做出對(duì)應(yīng)排產(chǎn)和機(jī)床的維修保養(yǎng)等工作，其中紅色代表設(shè)備或系統(tǒng)故障報(bào)警，綠色代表設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行正常，黃色代表設(shè)備或系統(tǒng)處于空載狀態(tài)，藍(lán)色代表設(shè)備或系統(tǒng)處于半自動(dòng)操作狀態(tài)，灰色代表設(shè)備或系統(tǒng)處于維修保養(yǎng)狀態(tài)。System 1為堆垛升降機(jī)運(yùn)載托盤(pán)狀態(tài)系統(tǒng)，System 2為主控制臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)。1號(hào)裝載臺(tái)為3臺(tái)臥式加工中心服務(wù)，2號(hào)裝載臺(tái)為五軸車銑復(fù)合加工中心服務(wù)。對(duì)刀具壽命的管理以刀具使用的時(shí)間閾值作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[4]，采用機(jī)床的G0功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同規(guī)格的刀具設(shè)定相應(yīng)的固定加工時(shí)間作為壽命周期。當(dāng)?shù)毒哒Ｇ邢髂p達(dá)到設(shè)定的安全閾值時(shí)，通過(guò)程序中的G0 Z抬刀指令進(jìn)行刀具壽命周期檢查和刀具更換。刀庫(kù)內(nèi)配備不同規(guī)格的牛鼻刀、平底刀、T形刀、錐銑刀、螺紋銑刀、球刀及鉆頭等刀具，同一規(guī)格的銑刀各配置2把，在加工過(guò)程中根據(jù)加工時(shí)間自動(dòng)換刀。

圖5 裝載臺(tái)操作面板主界面

模具加工時(shí)，工人將粗車完成后的模坯通過(guò)裝載臺(tái)裝夾在對(duì)應(yīng)規(guī)格托盤(pán)的專用夾具上，并儲(chǔ)存于托盤(pán)架上，夾具的待裝模狀態(tài)如圖6所示。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將生產(chǎn)訂單在裝載臺(tái)操作面板處下達(dá)，堆垛升降機(jī)將載有模坯的相應(yīng)托盤(pán)運(yùn)送至臥式加工中心進(jìn)行生產(chǎn)加工作業(yè)，再由主控制臺(tái)的信息控制系統(tǒng)將待加工的NC程序傳輸至相應(yīng)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。模具加工完成后，堆垛升降機(jī)將載有加工好的模具的托盤(pán)輸送至倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)，等待工人在1號(hào)裝載臺(tái)按序卸載模具，整個(gè)加工過(guò)程不需要人工干預(yù)機(jī)床和刀具。如果已在臥式加工中心加工完成分流模下模、模墊、平模和導(dǎo)向，卸載后可周轉(zhuǎn)到下一道工序。分流模上模在1號(hào)裝載臺(tái)卸載后，再經(jīng)2號(hào)裝載臺(tái)進(jìn)行立式裝夾，通過(guò)堆垛升降機(jī)將載有分流模上模的自定心卡盤(pán)輸送至五軸車銑復(fù)合機(jī)床，進(jìn)行五軸定位加工，加工完成后方可卸載進(jìn)行周轉(zhuǎn)。

圖6 臥式夾具托盤(pán)置于裝載臺(tái)待裝模

3 hyperMILL軟件編程

柔性生產(chǎn)線的程序包含主程序、自動(dòng)找正程序和NC加工程序：通過(guò)主程序可調(diào)用自動(dòng)找正程序和NC加工程序；自動(dòng)找正程序是固定程序，負(fù)責(zé)模具的中心測(cè)定、模具厚度尺寸測(cè)定和基準(zhǔn)面的判定等；NC加工程序需要編程員針對(duì)每套模具編制程序后下發(fā)到柔性生產(chǎn)線的控制臺(tái)主機(jī)上。

利用hyperMILL軟件對(duì)柔性生產(chǎn)線上的模具進(jìn)行編程，模具的定位銷孔、螺紋孔、分流洞、工作帶及上、下空刀等部位，采用槍鉆、啄鉆、銑螺紋、3D任意毛坯粗加工、3D等高精加工等策略。選擇合適的刀具和合理的編程策略不僅能保證加工效率，還能滿足模具的加工質(zhì)量要求。圖號(hào)為001的上模設(shè)計(jì)如圖7所示，其在hyperMILL軟件中的模擬仿真和在DMC100H機(jī)床上的定位加工分別如圖8、圖9所示。001上模在柔性生產(chǎn)線上各加工工序的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 001上模二維設(shè)計(jì)

圖8 001上模在hyperMILL軟件模擬仿真

圖9 001上模在DMC100H機(jī)床定位加工

hyperMILL編程軟件是德國(guó)OPEN MIND公司開(kāi)發(fā)的一款集成化NC編程CAM軟件，表1中序號(hào)為7、8、10、11和12的工序主要應(yīng)用hyperMILL軟件的“3＋2軸定位加工”功能解決。“3＋2軸定位加工”的原理是當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)了一定角度后，仍以普通三軸的方式加工傾斜面，回轉(zhuǎn)軸總是旋轉(zhuǎn)到加工平面垂直于刀具軸的位置，在避免刀具干涉的情況下，其銑削過(guò)程為粗銑狀態(tài)，銑削量大，銑削效率高。加工期間加工平面保持固定，不僅保證了數(shù)控加工中刀具的安全性，而且降低了對(duì)編程人員的經(jīng)驗(yàn)要求，提高了編程的工作效率，相比于五軸聯(lián)動(dòng)功能，其更適合鋁擠壓模具制造。在車銑復(fù)合機(jī)床中運(yùn)用的最大規(guī)格刀具為切削深度為250mm的D32硬質(zhì)合金刀，其切削長(zhǎng)徑比高達(dá)7。上模模芯構(gòu)造如圖10所示，利用該刀具對(duì)上模模芯下空刀頸與分流洞連接部位的導(dǎo)流清根和外圓直徑＞700mm的上模分流洞拓展盲區(qū)進(jìn)行加工。利用hyperMILL編程軟件將模具的三維建模、定義毛坯、二次開(kāi)粗、干涉檢查、仿真模擬和后處理刀庫(kù)特征進(jìn)行集成，有效解決了數(shù)控編程效率低的問(wèn)題。

表1 001上模在柔性生產(chǎn)線上各加工工序工藝參數(shù)

圖10 上模模芯構(gòu)造

4 工藝優(yōu)化

鋁擠壓模具采用H13模具鋼，按技術(shù)要求熱處理后的模具硬度為49～51HRC。合理優(yōu)化熱處理前的粗加工工序能有效提高生產(chǎn)效率并降低刀具成本。

未引進(jìn)柔性生產(chǎn)線前，上模加工工藝為：S1粗車→S2粗銑（分流洞、模芯）→S3熱處理→S4精銑（模芯、上下空刀、分流洞與下空刀頸處導(dǎo)流）→S5電火花（模芯內(nèi)筋、穿洞）→S6打磨、拋光。該工藝存在以下問(wèn)題。

1）老舊設(shè)備為三軸立式加工中心，主軸和工作臺(tái)都不具備旋轉(zhuǎn)功能，上模分流洞在三軸加工中存在的擴(kuò)展盲區(qū)只能借助電火花工序加工，對(duì)操作人員的電加工操作經(jīng)驗(yàn)要求較高。

2）分流洞與下空刀頸處導(dǎo)流存在2～4mm的內(nèi)扣余量，采用直徑20mm的T形刀加工，主軸進(jìn)給速度為1200mm/min，切削深度為0.1mm，由于刀具長(zhǎng)度限制，切削總深度無(wú)法達(dá)到圖樣要求，需要后續(xù)人工打磨剩余凸臺(tái)，這樣不僅加工時(shí)間長(zhǎng)，而且刀頭不耐磨損。

3）模芯的上空刀在熱處理后使用直徑6mm的平底刀進(jìn)行加工，熱處理后模具硬度高，刀具易磨損。

針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行工藝優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝為：S1粗車→S2粗銑（分流洞、模芯、上下空刀、分流洞與下空刀頸處導(dǎo)流）→S3熱處理→S4精銑（模芯、上空刀）→S5電火花（模芯內(nèi)筋、穿洞）→S6拋光。

表1中的7～12工序即為調(diào)整后的工藝，分流洞尺寸在熱處理前直接加工到圖樣尺寸，熱處理產(chǎn)生的氧化皮通過(guò)最后工序進(jìn)行拋光處理，在柔性生產(chǎn)線上采用“3＋2軸定位加工”，粗銑效率高。上模工作帶的上空刀熱處理前留取0.3mm的加工余量，采用直徑6mm的5°錐銑刀（見(jiàn)圖11）進(jìn)行銑削，熱處理后只進(jìn)行精銑即可，既簡(jiǎn)化了工序，又縮短了模具加工周期，提高了熱處理前的數(shù)控銑削效率[5]。

圖11 刀庫(kù)內(nèi)加工上空刀的5°錐銑刀

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，該柔性生產(chǎn)線加工效率與傳統(tǒng)單機(jī)數(shù)控加工模式相比，效率提升了20%，主軸利用率超過(guò)90%，只需一名操作人員就可負(fù)責(zé)一個(gè)班次的生產(chǎn)，提高效率的同時(shí)也避免了人為失誤帶來(lái)的影響；同時(shí)利用可靠的NC加工程序和合理的加工工藝，保證了模具的加工質(zhì)量。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展和產(chǎn)品的高速更新?lián)Q代，只能加工一種或幾種類似零件的生產(chǎn)模式難以應(yīng)付多品種、多規(guī)格及中小批量零件的生產(chǎn)需求。柔性制造技術(shù)組合了當(dāng)今機(jī)床技術(shù)、刀具技術(shù)、傳輸技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有高穩(wěn)定性、高可靠性和高自動(dòng)化的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，小到柔性制造單元的組合，大到柔性制造工廠建立和智能加工的實(shí)現(xiàn)，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新的方向。