1前言

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。三軸普通立式數(shù)控銑床用于模具粗銑加工時(shí)，裝卸模具、手動(dòng)翻轉(zhuǎn)模具、反復(fù)對(duì)中等過程占用了非加工時(shí)間，使機(jī)床無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定連續(xù)的加工狀態(tài)。同時(shí)，隨著鋁加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，高規(guī)格、復(fù)雜截面的鋁型材越來(lái)越多，鋁擠壓模具的結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜。特別是三軸加工不到位的分流模上模入口處的分流孔往往存在盲點(diǎn)，需要切換到電火花加工工藝，根據(jù)其三維模型即可得到盲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極，加工周期長(zhǎng)。鋁擠壓模具加工包括數(shù)控加工、線切割、電火花和熱處理等。因?yàn)槟＞?0% ~ 90%的切削余量是由數(shù)控加工完成的，所以熱處理前數(shù)控粗加工的加工效率就顯得尤為重要[1-3]。

我公司采用定制化柔性生產(chǎn)線，使用hyperMILL編程軟件，優(yōu)化模具熱處理前的粗加工工藝，調(diào)整部分加工工藝，解決了鋁擠壓模具生產(chǎn)加工中存在的上述問題。在裝模平臺(tái)上一次裝夾后，即可完成不同類型模具的連續(xù)加工，加工過程中無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了一人多機(jī)的管理模式，有效提高了機(jī)床利用率，創(chuàng)造了安全便捷的工作環(huán)境。

2靈活的生產(chǎn)線布局

公司進(jìn)口鋁擠壓模具柔性生產(chǎn)線采用芬蘭Fastems柔性加工系統(tǒng)，根據(jù)公司模具制造生產(chǎn)要求定制。根據(jù)選用的機(jī)床設(shè)備，采用模塊化結(jié)構(gòu)和交換托盤方式滿足生產(chǎn)要求，由自動(dòng)加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。柔性生產(chǎn)線布局如圖1所示，三維模型如圖2所示。

柔性生產(chǎn)線的自動(dòng)加工系統(tǒng)包括三個(gè)DMC100H臥式加工中心和一個(gè)DMC125FD五軸車銑復(fù)合加工中心，主要加工圓柱直徑為398 ~ 700 mm的鋁擠壓模具。DMC100H臥式加工中心和DMC125FD五軸車銑復(fù)合加工中心均配有兩體旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其快速托盤交換裝置可在8s內(nèi)將新模具毛坯放置在準(zhǔn)備位置，可縮短模具裝卸零件的非加工時(shí)間機(jī)床為西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，提供CYCLE800固定循環(huán)程序。編程時(shí)，只需要在工單中設(shè)置一個(gè)工件坐標(biāo)系，就可以實(shí)現(xiàn)工件參考坐標(biāo)系的連續(xù)轉(zhuǎn)換。實(shí)際加工時(shí)，模具只需夾緊一次。

柔性生產(chǎn)線采用Fastems系統(tǒng)的物流系統(tǒng)，由裝載平臺(tái)、托盤架、碼垛升降機(jī)等組成。它可以完成模具的存儲(chǔ)和傳輸，是柔性生產(chǎn)線的重要組成部分。高效堆垛升降機(jī)(見圖3)可以確保裝載模具的托盤在系統(tǒng)中快速運(yùn)輸，使機(jī)器操作員無(wú)需等待。堆疊升降機(jī)執(zhí)行交叉模具操作，如圖4所示。一個(gè)堆垛升降機(jī)為兩個(gè)裝載臺(tái)和四個(gè)機(jī)床服務(wù)，并配備有承載18個(gè)特殊水平夾具和四個(gè)垂直自定心卡盤托盤的托盤。一旦物流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，模具的運(yùn)輸就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這將極大地制約數(shù)控機(jī)床的加工能力。

柔性生產(chǎn)線中使用的Fastems MMS信息控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的、開放的系統(tǒng)，能夠收集、處理和反饋加工和運(yùn)輸過程中所需的各種信息，包括入庫(kù)、夾具、NC程序的傳輸、刀具監(jiān)控和主軸功率等。裝載平臺(tái)操作面板的主界面(見圖5)采用人性化的交互式觸摸屏，工人可以實(shí)時(shí)查看和確認(rèn)加工指令的運(yùn)行安排和各設(shè)備的狀態(tài)，以便對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度和維護(hù)，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)運(yùn)行狀態(tài)，灰色代表設(shè)備或系統(tǒng)處于維護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)1是碼垛升降機(jī)的托盤狀態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)2是主控制臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)。1號(hào)裝載平臺(tái)為三臺(tái)臥式加工中心服務(wù)，2號(hào)裝載平臺(tái)為五軸車銑復(fù)合加工中心服務(wù)。刀具壽命的管理以刀具使用的時(shí)間閾值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]，采用機(jī)床的G0功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)的固定加工時(shí)間被設(shè)置為不同規(guī)格工具的生命周期。當(dāng)?shù)毒叩恼Ｇ邢髂p達(dá)到設(shè)定的安全閾值時(shí)，檢查刀具壽命周期，并通過程序中的G0 Z刀具提升指令更換刀具。刀具庫(kù)中有不同規(guī)格的牛鼻子刀具、平底刀具、T形刀具、錐形刀具、螺紋刀具、球形刀具、鉆頭和其他刀具。每臺(tái)配置兩把相同規(guī)格的刀具，加工時(shí)根據(jù)加工時(shí)間自動(dòng)更換刀具。

加工模具時(shí)，工人通過載物臺(tái)將粗車后的模具毛坯夾在相應(yīng)托盤的專用夾具上，存放在托盤架上。圖6示出了待模制的固定裝置的狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，在裝載平臺(tái)的操作面板發(fā)出生產(chǎn)指令，堆垛升降機(jī)將相應(yīng)的載有模具毛坯的托盤運(yùn)送到臥式加工中心進(jìn)行生產(chǎn)加工，然后由主控制臺(tái)的信息控制系統(tǒng)將待加工的數(shù)控程序傳輸?shù)较鄳?yīng)的機(jī)床上進(jìn)行自動(dòng)加工。模具加工完成后，碼垛升降機(jī)將載有加工好的模具的托盤運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)，在1號(hào)裝載平臺(tái)上等待工人依次卸下模具。整個(gè)加工過程不需要機(jī)床和刀具的人工干預(yù)。如果分模的下模、模墊、平模、導(dǎo)軌已經(jīng)在臥式加工中心加工完畢，卸料后可以轉(zhuǎn)入下一道工序。分流模的上模在1號(hào)上料平臺(tái)卸下后，被2號(hào)上料平臺(tái)垂直夾緊。承載分流模上模的自定心卡盤由堆垛升降機(jī)輸送到五軸車銑復(fù)合機(jī)床進(jìn)行五軸定位加工。加工完成后，可以卸貨周轉(zhuǎn)。

3 hyperMILL軟件編程

柔性生產(chǎn)線的程序包括主程序、自動(dòng)對(duì)位程序和數(shù)控加工程序:自動(dòng)對(duì)位程序和數(shù)控加工程序可以通過主程序調(diào)用；自動(dòng)對(duì)中程序是一個(gè)固定程序，負(fù)責(zé)測(cè)量模具中心，測(cè)量模具厚度和尺寸，判斷基準(zhǔn)面等。數(shù)控加工程序要求程序員為每套模具編制程序，并發(fā)送到柔性生產(chǎn)線的控制臺(tái)主機(jī)。

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、分流孔、工作帶、上下空刀等部位采用槍鉆、啄鉆、螺紋銑削、任意毛坯的3D粗加工、3D高精加工等策略。選擇合適的刀具和合理的編程策略，既能保證加工效率，又能滿足模具的加工質(zhì)量要求。帶有圖001的上模設(shè)計(jì)如圖7所示，其在hyperMILL軟件中的模擬和在DMC100H機(jī)床上的定位加工分別如圖8和圖9所示。01柔性生產(chǎn)線上上模各加工工序的工藝參數(shù)見表1。

HyperMILL編程軟件是德國(guó)OPEN MIND公司開發(fā)的集成式數(shù)控編程CAM軟件。表1中編號(hào)為7、8、10、11、12的工序主要通過hyperMILL軟件的“3+2軸定位加工”功能解決?！?+2軸定位加工”的原理是當(dāng)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，斜面仍以普通三軸方式加工，旋轉(zhuǎn)軸始終旋轉(zhuǎn)到加工平面與刀軸垂直的位置。在避免刀具干涉的情況下，銑削過程處于粗銑狀態(tài)，銑削體積大，銑削效率高。在加工過程中，加工平面保持固定，既保證了數(shù)控加工中刀具的安全，又降低了程序員的經(jīng)驗(yàn)要求，提高了編程的工作效率。與五軸聯(lián)動(dòng)功能相比，更適合鋁擠壓模具制造。車銑復(fù)合機(jī)床使用的最大刀具是D32硬質(zhì)合金刀具，切削深度為250mm，切削長(zhǎng)徑比高達(dá)7。上模芯結(jié)構(gòu)如圖10所示，利用刀具對(duì)上模芯下空心頸與分流孔連接處進(jìn)行分流和清根處理，擴(kuò)大外圓直徑大于700 mm的上模分流孔盲區(qū)，利用HyperMILL編程軟件集成三維建模、毛坯定義、二次粗加工、干涉檢查、仿真和后處理刀庫(kù)功能，有效解決了數(shù)控編程效率低的問題。

4流程優(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 ~ 51 HRC。熱處理前優(yōu)化粗加工工藝可以有效提高生產(chǎn)效率，降低刀具成本。

在引進(jìn)柔性生產(chǎn)線之前，上模的加工工藝是:S1粗車→S2粗銑(分流孔和模芯)→S3熱處理→S4精銑(模芯分流、上下刀、分流孔和下刀頸)→S5電火花(模芯內(nèi)強(qiáng)化和沖孔)→S6打磨拋光。該方法存在以下問題。

1)老設(shè)備是三軸立式加工中心，主軸和工作臺(tái)都沒有旋轉(zhuǎn)功能。三軸加工中上模分流孔的擴(kuò)大盲區(qū)只能采用電火花加工的方式進(jìn)行加工，這就要求操作者具有較高的電加工經(jīng)驗(yàn)。

2)導(dǎo)流洞與下刀頸之間有2 ~ 4 mm的內(nèi)螺紋余量。采用直徑2~4mm的T型刀進(jìn)行加工，主軸進(jìn)給速度為1200mm/min，切削深度為0.1 mm，由于刀長(zhǎng)的限制，總切削深度達(dá)不到圖紙要求，需要手工打磨剩余凸臺(tái)，不僅加工時(shí)間長(zhǎng)，而且使刀頭耐磨。

3)熱處理后，用直徑為6mm的平底刀加工模芯的上刀。熱處理后模具硬度高，刀具易磨損。

針對(duì)以上問題，優(yōu)化后的工藝為:S1粗車→S2粗銑(分流孔、模芯、上下刀、分流孔處分流、下刀頸)→S3熱處理→S4精銑(模芯、上刀)→S5電火花(模芯內(nèi)筋、通孔)→S6拋光。

表1中的步驟7 ~ 12是調(diào)整后的流程。分流孔的尺寸直接加工到熱處理前的圖形尺寸，熱處理產(chǎn)生的氧化皮通過最后一步拋光。柔性生產(chǎn)線上采用“3+2軸定位加工”，粗銑效率高。熱處理前，上模工作帶的上刀預(yù)留0.3mm的加工余量，用直徑6mm的5°錐度銑刀(見圖11)銑削。熱處理后只需精銑，既簡(jiǎn)化了工藝，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]。

5結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)際運(yùn)行，與傳統(tǒng)單機(jī)數(shù)控加工模式相比，柔性生產(chǎn)線的加工效率提高了20%，主軸利用率超過90%。一個(gè)操作人員可以負(fù)責(zé)一個(gè)班次的生產(chǎn)，提高了效率，避免了人為錯(cuò)誤的影響。同時(shí)，采用可靠的數(shù)控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)的快速發(fā)展和產(chǎn)品的高速更新?lián)Q代，只能加工一個(gè)或幾個(gè)相似零件的生產(chǎn)模式難以滿足多品種、多規(guī)格、中小批量零件的生產(chǎn)要求。柔性制造技術(shù)結(jié)合了當(dāng)今的機(jī)床技術(shù)、刀具技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。它具有高穩(wěn)定性、高可靠性和高自動(dòng)化的特點(diǎn)。應(yīng)用廣泛，從柔性制造單元的組合，到柔性制造工廠的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。