汽车覆盖件模具数控加工机床的选型及应用

■ 东风汽车公司技术中心 （湖北武汉 430058） 杨 兴 李庆丰

技术主管、高级工程师 杨 兴

汽车覆盖件模具生产制造技术在国内日渐成熟，作为汽车的外衣，覆盖件模具的质量直接关系到外观感知，即用户所能感受到的一个产品设计或制造的精心程度、顾客的印象及认可度的综合表现，也称感知质量。汽车是一种工业产品，更是一种工艺品，糅合时尚、科技、安全和环保等多种元素设计结晶，集中体现设计、工艺及制造。在国际市场方面，跨国公司到我国来采购模具的趋势和市场份额不断加大，模具行业的发展进入加速竞争的时代，各模具公司均加大了先进技术和装备的投入。数控加工机床作为大型汽车覆盖件模具生产的核心装备，在模具生产质量、周期和成本控制上起着关键作用。工欲善其事，必先利其器，数控加工设备选型在模具生产中有着核心的作用。大型汽车覆盖件加工使用的数控机床选型主要从以下几方面综合选择。

1. 数控床身刚性结构配置特点

选择具有粗加工能力的设备，数控龙门机床为典型结构。只用于数控精加工则可采用动梁式结构的机床。图1所示为数控龙门五面体机床。

1）X轴采用全行程轨道支撑设计，大幅提升结构的稳定性与抗振性。X/Y轴采用高刚性、高精度滚柱式线性滑轨，Z轴采用方形硬轨式主轴头，提供最大的切削能力。Z轴也可选高刚性、高精度滚柱式线性滑轨，提供最佳的三轴进给匹配性能。

2）主轴头采用的双油压配重，其中心线紧靠于主轴头重心位置，主轴位于主轴电动机、Z轴螺杆及双对称配重油压缸中心之最佳位置，可排除不平衡力矩产生，确保微量进给的确动性及长时间加工精度。

图1 数控龙门五面体机床

3）X轴采用三轨高荷重高刚性、高精度滚柱式线性滑轨，三主轨大跨距式设计，加大工作台载重承载跨距，有效提升工作台载重能力和工件的动态水平精度，提供最佳进给刚性。

4）主结构件皆采用高级强韧铸铁（X轴行程6m以上底座，可选用焊接制造，见图2）。所有主结构件都经热处理消除内应力，确保最佳刚性与精度持久性。对切削振动有高度抗性的机床结构能够满足加工中刚性需求。

5）底座采用V形结构肋高刚性设计，工作台滑道最佳跨距计算，宽大承载面，确保最大载重时的最佳动态水平精度。

6）横梁采用方型截面设计，机头重心均匀紧靠于横梁中心，以达到运动精度及重切削能力。

7）最佳主轴配置，主轴中心线紧靠Z轴滑轨，大幅减少因热变位的影响及切削力矩可能产生的弯曲变形，确保最佳精度。超大立柱结构及大横梁之支撑面，确保最佳结构刚性。

2. 高精度性能机构零部件配置要点

高精度性能机构零部件配置要点如下：

1）三轴C3级螺杆搭配P4级斜角滚珠轴承，并在行程4m以上的X轴上增加特殊设计的螺杆支撑防振装置，以提供最佳轴向进给刚性。

2）Y轴采用齿形皮带传动提升扭力机构（减速比2∶1），X轴采用齿轮式传动扭力提升机构，Z轴直结式传动搭配高速配重液压缸，提供全机最佳化的进给推力及刚性。

3）Z轴双配重液压缸，搭配自动定位校正机构及高速响应气压式蓄压系统，提供Z轴高速进给之平滑性，实现高加减速性能。

4）主轴、轴承及齿轮箱采用强制自动冷却润滑系统，大幅降低热变位并提升使用寿命。

5）主轴采用高刚性P4级精密轴承并于专业主轴厂制造，确保最佳动态精度与使用寿命。

6）齿轮式两段速度变换主轴，低转速时出力大，适合重切削，数控侧铣重切试验如图3所示；高转速时加工效果精细。采用JIS 0级研磨齿轮，具有噪声低、寿命高及传动功率损失低等最佳性能。

7）主轴浮动式锁放刀机构，保护主轴轴承，确保长期精度与寿命。

3. 高速加工对应的技术参数

大型覆盖件的零件加工质量要求提高，特别是模具基准件（见图4）的加工要求，具体体现在：加工型面整体精度公差控制在0.2mm以下；无明显数控加工形成的段差和数控加工接刀痕迹；孔位尺寸公差＜0.02mm。

为实现高速加工，数控机床需要对应以下技术参数。

图2 数控机床铸铁结构

图3 数控侧铣重切试验

图4 覆盖件模具凸模基准件

（1）高速高刚性主轴 ①主轴直径100mm转速≥12 000r/min；欧洲大型数控机床转速24 000 r/min。②标准两面约束主轴（对应BIG+规格，见图5）；HSK高速刀柄。

图5 两面约束BBT主轴

（2）高速进给具体选用参数 X和Y轴切削速度30m/min，Z轴10m/min，W轴4.8m/min（选用），可以通过反向函数控制高精度、高速进给运动。

1）平滑补偿功能的应用。以往的补偿功能由数控程序作出平滑的曲线（见图6），根据曲线与数控程序的误差（公差）用平滑补偿处理修正，有时曲面边界也会受到平滑处理，以致发生变形。新型补偿方式（见图7）由数控程序识别曲面边界，曲面内部受到平滑补偿处理，曲面边界不受平滑处理影响，曲面内部更加顺滑，边缘轮廓更加清晰。

图6 以往的补偿方式

图7 新型补偿方式

2）进给轴振动补偿。沿面加工中，指令点在曲面内常不按照理想情况排列机械按指令点路径运动，造成减速，使加工面不平整，不受程序环境影响实现平滑的速度节奏。进行进给轴振动补偿（见图8）后能够改善加工效果。

（3）编程策略和机床功能匹配 通常在曲面形状中，单凭扫描线或等高线不能使点距均一排列，所以要用混合型或沿面型（见图9）。沿同一面编成路径时，路径数越少，进给时的减速次数越少，效率越高。

刀具路径发生急速转折时，进给减速导致刀具、机械上的挠曲变化，在加工面形成创伤，如图10所示，其中S为转速（r/min）；F为进给速度（mm/min）；v为切削速度（m/min）。因此平滑的刀具路径很重要。

（4）高速ATC（自动换刀装备）的使用参数要求 ①刀对刀时间（Tool to tool）：5s。②总换刀时间（Chip to chip）：15s。ATC换刀系统如图11所示。

4. 热补偿和刀尖补偿功能

覆盖件模具对于零件的段差要求严格，通过机床功能有效减少段差对于后期模具调试的不利因素，通常段差控制在0.02mm以下。先进的数控机床在数控加工中会考虑制造的累积误差，进行合理消除和微调机床参数，尽可能消除机床变形的误差。

（1）抑制热变形的机床结构设计 ①主轴滑块热变位补偿主轴冷却系统抑制发热的同时，温度感应器进行热变位补偿。②附件头热变位补偿（可选），附件头也安装温度感应器，配合加工条件进行补偿。③立柱热变位补偿（可选），受到周围环境变化的影响，立柱会发生倾斜，可通过温度感应器及水平仪进行高度补偿。

图8 振动补偿示意

图9 线型示意

图10 刀具路径发生急速转折

图11 ATC换刀系统

（2）刀尖补偿功能 从三个方向对附件头圆心偏移、旋转位置偏移进行测定并补偿（包括热变位在内的工作台与刀尖的相对误差），如图12所示。

5. 机床加工模式的选择

机床加工模式的选择如图13所示。

（1）加工模式的种类 根据零件的加工要求，加工模式可以划分成高精度、标准及高速加工，用户可以根据相应的加工模式，灵活地进行数控加工，在保证质量的前提下，提升加工效能。

（2）圆滑处理设定 自动推定数控系统误差，以最适合的参数进行数控加工。

（3）数控程序公差 检测元件匹配相应的加工参数，可以使加工进给平顺性更好。

（4）工件质量设定 采用龙门数控机床、工作台移动的设备，工件在移动中加减速对于加工质量还是有影响的。在不同质量加工时，适当调整伺服系统的参数可以保证数控加工的平顺性，同时能够合理保持机床精度的稳定性。

6. 机床扩展功能选择和相关技术文件制订

模具生产过程是典型的单件、小批量工艺类型。大型模具加工过程中，需要具备有相关技能等级的人员操作。为了尽量降低加工过程对技能素质的依赖，模具生产设备根据需求可以订制相关宏指令功能、虚拟轴功能和局部区域限位等功能。大型模具的加工周期较长，机床的加工稳定性显得非常重要。机床选型中应该考虑机床本身对环境因素、振动及强电环境下的抗干扰能力。机床的技术文件包含：产品的生产管理检验过程符合ISO 9001标准、机器精度检测记录表、地基图、CNC控制器操作手册、机械操作手册、电控操作手册、电控线路图、阶梯图和参数表。交货、安装、验收和售后服务也是选型的重要考虑要素，企业根据生产要求可以在招标前规定好相关事项。

图12 刀尖补偿功能

图13 加工模式的选择

7. CAD/CAPP/CAM/CAE无缝集成数字化虚拟制造的数控机床选型

CAD/CAPP/CAM/CAE过程以产品加工数据为中心，CAE模拟分析、模具设计、模具NC加工以及模具CMM（三坐标）检测均使用同一数据流，用于车间的工艺文档可直接由CAD生成传输到CAPP中，使最终模具产品和设计者的意图保持高度一致。这就是CAD/CAPP/CAM/CAE一体化技术。三维模型的同一性保证了CAX链的闭环特性，难以产生设计、加工错误，从而提高模具的开发效率。CAX的无缝集成使虚拟制造技术成为现实，从根本上改变了设计→试制→修改设计→规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。在高集成化数字化生产中，数控加工机床选型要求良好的数据传输能力、自适应加工能力和柔性化制造能力。

随着技术水平的不断提升，国内模具制造企业已经缩小了与国际先进制造模具企业的差距。模具企业单从价格进行竞争的优势逐渐减弱，今后除了在数控加工装备选型上参数不断细化外，必须从技能、技术和管理水平上突破，才能最大限度发挥数控机床的效能，制造出高端模具，这些仍需国内各模具企业不断研究和探索。