模具电极排版设计及加工工艺的优化与改进

收稿日期：20240426

作者简介：胡光良，机电制造高级工程师、高级技师，主要从事模具机械工程方面的研究。

摘 要：对电极传统装夹及加工方法进行分析研究，提出了一种基于标准载板整体排版的电极批量高效加工的方法和工艺。详细介绍了电极排版设计的方法，NC程序串联工具软件的开发，以及各工序对应的加工作业要求和标准等。该电极排版设计和加工工艺可以实现机外操作，机内加工，机床近乎处于全程零停机的高效率加工状态，使电极CNC加工达到高效、经济、成本最优化，从而减少电极CNC加工对高技能操作人员的依赖，同时也能满足高质量的加工要求。实践证明，该排版设计方法对电极批量加工操作可以化繁为简，实现降本增效，具有实际指导意义和借鉴价值。

关键词：标准载板；模具电极；电极排版；CNC代码串联；电极池

中图分类号：TG547

文献标志码：A

Optimization and improvement of mold electrode layout design and processing technology

HU Guangliang "WANG lei "YAN Shengyi "ZHU Shaojun "YIN yinhui²

（1. Zhejiang Chankiang Automotive Electronics Co.， LTD， Wenzhou 325025， Zhejiang， China;

2. Zhejiang Jufeng Mould Base Co.， Ltd， Wenzhou 325025， Zhejiang， China）

Abstract： The traditional clamping and machining methods of electrodes are analyzed and researched， and a method and process for efficient batch machining of electrodes based on the overall layout of a standard carrier plate is proposed. The article describes in detail the method of electrode layout design， the development of NC program tandem tool software， and the corresponding machining requirements and standards for each process. The electrode layout design and machining process can realize off-machine operation， on-machine machining， and the machine tool is in the state of high efficiency machining with almost zero downtime， so that the electrode CNC machining achieves high efficiency， economy and cost optimization， thus reducing the dependence of the electrode CNC machining on the high-skilled operators， and at the same time meeting the requirements of high-quality machining. It has been proved by practice that this layout design method can simplify the electrode batch machining operation and realize cost reduction and efficiency， which has practical guidance significance and reference value.

Key words： standard carrier plate； mold electrode； electrode layout； CNC code in series； electrode pool

0 引 言

近年来，随着我国传统制造业不断加快技术改造步伐，信息化、自动化、智能化贯穿于设计研发、生产制造和管理服务等各个环节成为制造业发展的新趋势。作为工业之母的模具行业肩负着承上启下的作用，对模具工业的整体水平提出了更高要求，因此，模具行业一直受到世界各工业发达国家的高度关注和重视^［1］。对于大多数模塑相关企业来说，为了提前抢占市场，提高产品核心竞争优势和市场占有率，在项目开发过程中留给模具加工制造的周期被不断缩短，加之国内人工成本大幅提升，同行业加工制造成本内卷严重，造成模具利润空间被不断压缩。因此，通过优化模具加工工艺，提升加工效率，降低加工成本是每家企业不得不考虑的降本增效举措^［2］。

模具加工属于模具开发制造过程中成本最高且重要的一个环节，加工工艺的可行性、科学合理性以及加工效率的高低在某种程度上决定了加工的成本和质量^［3］。而电极加工作为模具CNC加工的一部分，其显著特点是数量多，结构类型错综复杂，由于种种外界因素和条件限制，导致电极加工通常采用单一类型结构单件或小批量加工，因此，造成电极编程及CNC操作人员需进行单独排版和独立加工，而该加工方式的多次装夹、校正、对刀、换刀等造成停机时间长，加工误差大效率低^［4］，加工质量较难保证等种种问题，最终导致模具制造成本高、周期长，没有竞争优势。

本文介绍了一种批量高效加工电极的整体排版方式及工艺设计。随着模具行业加工技术的不断发展与探索，现有CNC加工普遍采用多电极整体排版加工，通过优化加工方式和工艺方法，把多件电极排版成一件，多刀具加工优化成单刀具加工^［5］，减少电极装夹、校正、对刀等次数，以及刀具装夹、换刀和停机时间，进而大幅提升CNC加工效率，减少操作人员人工干预，提升加工质量，降低加工成本，缩短加工周期^［6］。

1 电极排版设计

电极的设计及加工制造分为三大步，分别是关联电极设计^［7］，电极编程以及CNC加工三道工序，形成一套完整的电极设计及加工制造标准流程，可以保证各工序高效完成。

1.1 标准电极载板排版设计

如图1所示，传统的电极装夹及加工一般采用虎钳或专用治具，然后固定在机床上进行校正、对刀、取数等，该装夹方式要求电极坯料长宽某一方向尺寸必须相同，否则多个电极无法同步装夹进行批量加工，导致每批次加工数量有限，加工效率较低，设备及人工利用不高，周期拉长，成本增加。

如图2所示，改进优化后的电极批量加工采用标准电极载板整体排版装夹的方式进行批量加工，该排版设计方法充分考虑到电极规格差异及装夹方式对加工精度和效率的影响，采用带基准的标准刻度载板和固定坐标定位法装夹电极，该装夹方式高效快捷，不受电极规格差异限制，同时多个标准电极载板可实现一板在机加工，一板下料检测，一板装夹排版，保证CNC机床高效加工零停机，实现人机利用最大化。具体实现步骤如下。

（1） 以车间机床的种类或工作台大小定义电极载板长宽规格，比如以北京精雕S400为例，定制400mm×500mm×30mm的标准载板，以50mm×62.5mm均分载板共计64均等区域，形成八横八竖共64条经纬线，交点为电极放置参考点。

（2） 以行为机床坐标十位数字符，以列为机床坐标个位数字符，在标准载板上定义64个固定坐标原点。

（3） 在机床工作台安装专用固定直角铁作为标准载板定义坐标参考与装夹基准，并且每块标准载板长宽高方向需保证尺寸，各坐标点位录入CNC机床后形成固化参数，不再需要操作人员对机床进行重复工件定位操作，实现以标准装夹代替手动上料分中的烦琐动作。

（4） 为提升装夹效率及便捷性，电极整体排版装夹采用久而久牌金属专用502胶水进行固定，不仅拆装方便，经多次实践验证，该方法既能保证装夹精度及稳定性，且拆装成本相对较小。

1.2 电极开料编程及加工

为了提高加工效率，保证加工质量，针对标准电极载板整体排版设计和加工可按如下要求操作。

（1） 要求电极按实际尺寸规格长宽高双边+5mm的毛坯余量备料，且线下电极装入载板前，操作人员需再次确认电极毛坯尺寸；

（2） 电极编程时，如图2所示，以电极左下角即第三象限基准台极点为电极单边取数基准，Z向坐标取电极底部为0；

（3） 如图3所示，先设计2mm毛坯扫面程序和扫面后顶部试刀程序，待此两条程序加工完成后，即可继续进行后续的程序加工。

（4） CNC操作员将下发电极程序单的多个待加工电极汇总成电极池，从电极池筛选尺寸规格相近的电极进行装载排版，实现板载容量最大化，再根据电极大小规格、结构复杂情况及程序单选用刀具规格，最后利用CNC刀具串联工具软件将待加工电极程序进行串联，按程序加工。

（5） 一台机床可同时配备三个载板，实现一板在机加工，一板下机检测，一板装载排版待加工。

1.3 CNC刀具串联工具软件开发

多电极整体排版加工涉及各个电极程序的筛选和串联合并，为了提高电极程序筛选和串联合并的效率，团队开发了CNC刀具串联工具软件，该程序软件可实现待加工电极的所有程序快速串联，并且按设定的条件可以更加自由灵活地进行组合或同步加工，以满足CNC机床加工效率最优化^［8］，且该程序软件能满足上百条单独程序批量合并，支持坐标排序及单个工件加工。同时，为了减少机床加工中的换刀等待时间，支持刀具自主排序或者按照程序单自定义排序。图4所示为CNC刀具串联工具软件功能界面介绍。

（1） 标记①处由编程软件锁定机床类型并输出CNC代码格式，去掉源程序头^［9］，软件自动加入带有加工坐标系与换刀行号的程序变量代码。

（2） 标记②处CNC刀具串联工具软件自动去掉源子程序头程序尾固定行号，软件自动加入带有加工坐标系与换刀行号的程序变量代码以及衔接两者之间的代码程序。

（3） 标记③处由CNC刀具串联工具软件自动去掉源程序尾，软件自动加入取消补偿，抬刀安全高度等辅助指令。

（4） 标记④处对每种机型适配一种对应配置方案，当车间有多种机床代码需要软件衔接替代人为操作就可以灵活选择，操作人员选择不同的配置方案灵活串联程序。

（5） 标记⑤处为软件根据文件路径选择CNC源程序。

（6） 标记⑥处为辅助文件CNC代码类型格式过滤。

（7） 标记⑦处为批量选择单一工件所有程序按照序号依次排序。

（8） 标记⑧处为根据工件加工坐标系批量右键更改加工坐标。

（9） 标记⑨处为根据当前程序名称内容进行刀具刀号的批量建立。

（10） 标记⑩处为根据刀具直径大小排序以方便刀号批量更改。

（11） 标记B11处为根据建立刀号的加工顺序排序避免人为频繁换刀，实现一把刀具加工多个工件，标记B12处为根据刀库容量对程序选择性合并。

（12） 标记B13处为当刀库容量充足可以直接合并全部。

（13） 标记B14处为快捷查看合并程序内容。

2 电极排版加工

标准电极载板整体排版的加工操作步骤如图5所示：

（1） 电极编程将程序单按照已有定义标准下发至CNC车间，操作辅助人员按程序单将所有电极汇入电极池，然后根据电极池内电极长宽高规格以及电极结构复杂程度分类，按要求装入标准载板，此过程实现多变一，化繁为简，极大程度减少在机操作时间，提升加工效率。

（2） 排版完成后，操作师傅可依照线下电极排版位置，批量调入对应电极程序，以电极载板标定坐标位置对电极程序进行批量坐标更改，刀号更改及程序串联。

（3） 如图6所示，输出串联后的加工程序单，程序单内容包含程序名称、刀具编号、刀具装夹、刀头名称等加工内容。先按程序扫面和程序试刀测试电极装夹及坐标定义的正确性，避免因装夹错误或程序坐标定义问题而导致批量异常。

（4） 电极加工完成后，操作师傅确认外观无缺陷且在机检测^［10］合格，即可将整板电极下料放置备检测区，清理工作台后，随即装入下一板待加工电极，调出串联后的程序即可直接开机加工，已加工完成下机的电极由辅助人员按照要求流转至下一工序。

3 电极整体排版的应用效益

标准电极载板整体排版加工可以将电极装夹、校数、分中、下机检测等简单、重复、繁琐的由CNC操作师傅完成的工作分解至白班CNC辅助人员，通过工艺改善可以实现原有一个操机师傅作业两台机器变为操作5～6台机器，大幅提升人员利用效率，降低人工成本，且减少夜班人员的在机干预，提升电极加工效率和加工质量。

（1） 辅助人员经简单培训即可按照要求装夹电极，此方法可大幅减少操作工数量，降低人工成本。同时，线下装夹电极可节省更多停机时间，提高机床利用率。以图1和2为例，通过虎钳或治具装夹电极的传统加工方式装夹校正分中一个电极按1min来计算，整版电极装夹需要64min，而通过标准载板整体排版的方式直接将电极装入定位坐标即可开始加工，可节省约60min的时间用于机床加工，效率大幅提升^［1］。

（2） 原来在机分中分解为标准治具和固定基准块，以及固定加工编程标准来实现。而原有的加工方式电极来料需要试切分中4次以及顶部试切，一个电极建立定位坐标按3min来计算，整版电极分中需要192min，而通过现有电极载板治具直接装入定位坐标即可节省180min时间用于机床加工。

（3） 原有的在机手动串联程序分解为通过线下软件自动串联来实现。原始手动串联程序方式过于落后且人为出错率高，而现在让自动串联程序软件批量操作代替人为手动串联程序，既减少了人为出错概率又节省了较多的时间用于机床加工，方式也化繁为简、便捷高效，避免了人工手动串联程序因繁琐易错而带来的情绪烦躁等消极影响，一定程度上提升了员工工作积极性。

（4） 加工完成后，原有加工方式的电极需逐个拆卸。以表1为例，一个电极下料0.5min计算，整版电极下料需要32min，而通过现有标准载板加工的电极可整板下机，相比传统方式可节省30min时间用于机床加工。

（5） 原有的加工方式每个电极需单独刀具加工或者单个程序串联加工，每个电极平均换刀4次，每次换刀15s，整板电极64个需64min，而通过自主开发串联程序软件和电极整板装载加工的改善，可实现每把刀逐个加工完所有电极后再更换下一把刀具，整板64个电极按10种刀具型号计算，累计换刀时间150s，也即2.5min，加工64个电极可节省约61.5min的反复换刀时间。

（6） 原有虎钳或治具装夹的加工方式进行小批量加工时对电极坯料外形尺寸有特殊要求，电极最大外形尺寸长宽需有1处相同方可同步装夹一起加工，否则只能单个电极装夹单独加工，效率极低，而通过整体排版装夹的方式加工不受电极坯料最大外形尺寸限制，可实现多个不同型号尺寸的电极整体装夹，同步加工。

此类电极整体排版及加工方式批量生产性更强，原始虎钳或治具装夹的加工方式不仅每次加工电极数量有限，且需要全程停机在机操作，占用机床较长时间，尤其夜班人员工作疲乏，效率较低，上下料、分中校数等重复繁琐的操作耗费时间较长，给企业加工资源带来较大浪费。如表1对比结果所示，采用标准载板装夹相比传统治具装夹加工的方式可节约更多时间用于机床的加工，同时，电极排版装夹的操作准备工作可在白天由辅助人员完成，夜班操机师傅仅需快速上下电极载板按程序加工即可，这样不仅可以释放重复且繁琐的人工操作，还可以让电极批量加工更加高效快捷，成本耗费下降约94.5%，性价比更高。

4 结 论

通过电极排版^［12］及装夹方式的优化，结合CNC刀具串联程序软件，现有的电极加工方式可实现机外装夹、整板上料、机内加工、整板下机、机外检测，机床近乎全程处于零停机的高效率加工状态，使得电极CNC加工达到了高效、经济、成本最优化。该加工方式不仅减少了电极CNC加工对高技能操作人员的依赖，释放工人作业强度，减小停机及换刀时间，同时还提高了机床加工效率和电极加工质量，降低了人工成本。经过实际生产验证，该电极排版加工方式对电极批量设计排版及加工操作可以化繁为简，实现降本增效，具有实际指导意义和较大借鉴价值。

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