数控加工技术在模具制造中的应用

湖南工业职业技术学院 陈志坚

引言

工艺设计的主要任务在于为零件选择合理的加工方法和加工程序，以便于按照设计要求生产出符合质量要求的成品零件。所以工艺设计是模具生产制造过程当中的核心组成内容，在产品设计和实际生产之间起到了良好的协调作用。为了提升现代工业设计的水平，增强产业竞争能力，就需要在覆盖件的设计和制造方面重视技术方案的改进和优化，缩短模具设计周期，提升工艺水准，而数控加工技术在这一过程当中扮演着重要的角色。

1 数控加工系统应用和分类

尽管近年来我国的模具生产能力得到了较大规模的发展，但是和国际先进水平相比仍然具有一定的差距。但引进高精度数控机床和编程辅助软件之后，我国的模具制造产业则拥有了良好的发展前景，尤其是数控加工系统的应用有效发挥了技术价值。从系统的发展过程来看，先后出现的各类系统按照工作原理进行划分有以下几种。

1.1 交互式系统

交互式系统是数控加工系统的最早发展形式，但此时只是通过计算机环境来配合人工完成决策过程，且这种系统开发相对简单，应用价值并不突出。

1.2 派生式和创成式系统

派生式系统要被称作变异系统，由成组技术发展而来利用的是模具零件的相似性特征和加工工艺要求让零件制定典型的工艺路线，借助数控加工编码流程从标准的工艺库中选择对应的工艺路线，在多次编辑和修改之后直至达到满意的结果。我们按照零件信息的描述与输入方法，可以将系统分为存储技术派生系统和基于特征的系统。

创成式系统则通过数控加工技术和数学模型的推理决策完成工艺规程的规划，在对算法进行流程设计时可以从对象的生成过程当中生成决策树和数学模型，向系统输入零件信息之后对文件内容进行识别。在临时建立的数据库之内，存储工艺设计所需要的材料精度的信息，可以完全按照工艺决策逻辑和算法自动生成工艺规程，每一个步骤都有对应的决策模块。这种系统的优势在于并不需要通过人工干预，因此系统的自动化程度明显更高，但对于一些结构复杂多样的零件创成还存在着一定的缺陷。

1.3 综合系统

数控加工综合系统能够针对不同类型的场合和零件类型弥补传统系统的功能缺陷，利用成组技术编制工艺工程，无论是从软件开发还是从系统应用上都是一种实用性突出的系统。以我们熟知的专家系统为例，从20世纪80年代开始，以人工智能为代表的各类智能化手段就对工艺设计进行了模拟，逻辑算法与决策表特征在专家系统内部进行调整修改，将存储在知识库当中的经验知识内容进行特征提取，最终以决策推理进程获取结果。总体来看，工艺设计与制造环境密切相关涉及的因素比较复杂，在数控加工得到综合运用之后，制造业企业的信息集成化发展速度较快，在一定程度上保障了我国制造领域的高精度要求。再加上数据库功能强大，可以得到可靠真实的设计数据极大提升模具设计效率，无论是今后的市场竞争还是企业发展进程当中，都需要对数控加工过程进行方法研究，确定最佳的工艺参数设定方法。与此同时，基于自动化编程开展的数控加工程序研究工作也将得到进一步推进，以保障企业的生产能力。

2 数控加工技术在模具制造中的应用

2.1 模具结构质量控制

从结构特点来看，模具制造形状和轮廓要求复杂，空间曲面形状用数学方程式描述难度较大，且内部形状会直接关系到冲压线的成型工艺。模具结构的质量精度要求依然较高，以我们熟知的汽车覆盖件为例，汽车覆盖件的尺寸精度，在焊装过程当中应注重轮廓尺寸和局部形状的不同尺寸，并且在形状精度方面需要和主模型保持一致，否则将偏离总体设计要求。在模具覆盖件的成型过程当中，材料应该有塑性变形功能，使得模具在受到外力作用时不会因为震动产生早期的损伤和影响材料性能[1]。从这一角度来看，材料的公益性特点和覆盖件质量之间密切相关，对于产品结构设计来说，在一定的生产规模条件下要对工艺和冲压模具设计做出调整，确定模具成型特点，之后进行设计时就能规避某些常见技术缺陷。

数控加工的技术优势在于利用良好的数学插值方法来进行直线插补等措施，数控机床功能的有效完善，不仅缩短了行业产品的开发周期，并且能够精确加工出曲面和圆弧内容，刀具的运动轨迹可以提前进行程序编制，实现无人操作自动加工。与之相比，传统加工的误差不仅较大，且生产效率比较低，无法实现对于复杂曲面的精确加工要求。对此未来的数控加工模具结构质量控制将通过更加精确的程序编排来提升加工效率与加工质量，建设标准规范的流程控制体系。

2.2 工艺参数管理应用

由于数控技术在模具制造领域得到了广泛应用，其精度要求和可靠性突出的特点，也让技术人员更加关注加工程序的参数选择。假设我们利用CAD、CAM软件进行数控加工时，就需要先确定数据模型和数控加工方案，从参数选择当中生成刀具运动轨迹，检验轨迹之后生成最终的加工程序。模具在进行加工时，往往会被判定为粗加工和精加工等不同的阶段，每个加工阶段的目标也有所差异[2]。例如粗加工的目的是为了确定刀具的参数和走账方式，而精加工则更加倾向于零件的整体要求和误差控制。

在刀具的选择方面，为了确定加工几何体的半径和刀具的最大直径，可以通过数控加工技术来完成区域的判定，刀具直径可以按照加工设备状态进行选择。刀具系统库内部具有精加工的刀具直径要求，而加工设备控制内则包含了计算范围内最大的加工余量和最小搭刀量。综合来看，合理规划走刀方式能够有效缩短加工时间，提升模具的加工效率，这些物理因素和工艺因素也是数控加工技术在应用时需重点关注的内容。如果涉及基因加工，那么在保障零件的表面质量前提下，还应控制切削速度和机床功率参数，在保障最大生产力时确定最佳切削速度，维持较大进给量。必要时还应该做好走刀路线的模拟计算和轨迹适应图编制工作。

2.3 拉延模数控加工

以汽车覆盖件为例，同一般冲压件相比，覆盖件的材料更薄复杂度更高，对于表面质量和尺寸刚性的要求明显大于一般冲压件。而覆盖件作为形状特殊的薄板零件，在满足设计制造需求的前提下，需要根据工艺差异将一个零件分为不同的加工方案设计。要想提升模具加工质量和生产效率，在数控加工环节应该根据结构特点来控制走刀，例如平行走刀就是基于切削轨迹相互平行进行的刀具路径选择，也是模具加工中效率较高的一种走刀方式，对于一些比较平坦的表面而言，该方式效果非常突出。而在清根加工方面，笔式清根加工能够让加工零件表面具有清晰的棱线，在后期能够为钳工休整工作提供关键的参考性依据。总体来看，粗加工的目的在于提升工作效率，且模具本身是单件生产，在确定加工要求的前提下再利用精加工工艺实现加工质量改进，现实价值更加突出。在实际的模具加工环节，大型拉营模具作为典型的面向订单产品，每一次生产过程都需要进行设计制造和反复试验，制造质量要求相对较高，在确定方案之后，工艺部门将通过数控加工技术来完成信息的规划，减少工艺工作量和产生错误的可能性，从各种类型的零件当中确定自动化方案，或是对以往相似的结构内容进行参考和借鉴，获得典型加工工艺[3]。

2.4 数控加工技术与模具制造的工艺规范

在未来的模具制造应用领域当中，需要进一步缩短产品和模具的开发制造周期，因此结合实际的装备加工要求，需要从多个方面进行效率保障。

首先是要具备良好的冲压加工工艺，通过刀具选择和编程方法减少粗加工消耗的时间；其次是通过各类模具的工序要求选择加工参数；最后是让数控加工程序的编制标准更加符合技术要求。尽管数控加工和普通加工在工艺层面上差异并不突出，但数控加工应用时本身要考虑两个方面的特殊要求，一是普通加工当中对于工艺的特殊规范性需求，二是数控加工编程的自身特征。总体而言，此类数控加工的难点主要集中在工序和工步的顺序安排，且模具加工制造本身要涉及产品开发设计和程序编制等非常复杂的技术流程，最终通过数据加工和调试工作生产出合格的模具[4]。在今后的工作实践环节，我们可以考虑利用大型数控加工工艺模板作为辅助措施，针对某些结构相似的模具数控加工进行直接调用参考深层适合加工的工艺和数控程序。这样一来就能直接确定加工方法和工具准备要求从而优化工艺设计，做好经验总结，不同的子模型之间相互独立，但相互影响，以生产实践中的实际信息作为参考依据将其存储在数据库内容当中，最终定义合理的加工参数完成程序创建过程，延长有效工作时间保障工作效率。

3 结语

模具数控加工是当前工业制造技术领域的研究热点，针对模具加工工艺展开的技术分析工作对于提升制造稳定性和效率而言意义突出。本次研究首先分析了数控加工系统的分类标准，同时确定了数控加工技术在模具制造中的应用方法，旨在为今后的工艺流程提供合理的技术支持。但工艺设计本身经验性较强，大量的数据信息和工艺内容必然随着设备和技术的改进不断变化，因此还需要根据工程要求做出合理修改和调整。