何謂「模具加工」你全懂嗎？

2021-04-13專題報導 來源出處：五金衝壓模具設計CAE

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定義
模具加工(Mold Making)是指成型和制坯工具的加工，此外還包括剪切模和模切模具。通常情況下，模具有上模和下模兩部分組成。將鋼板放置在上下模之間，在壓力機的作用下實現材料的成型，當壓力機打開時，就會獲得由模具形狀所確定的工件或去除相應的廢料。小至電子連接器，大至汽車儀錶盤的工件都可以用模具成型。

級進模是指能自動的把加工工件從一個工位移動到另一個工位，並在最後一個工位得到成型零件的一套模具。模具加工工藝包括：裁模、沖坯模、複合模、擠壓模、四滑軌模、級進模、衝壓模、模切模具等。

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模具種類
（1）金屬衝壓模具：連續模、單沖模、複合模、拉伸模
（2）塑膠成型模：注塑模、擠塑模、吸塑模
（3）壓鑄模具
（4）鍛造模具
（5）粉末冶金模具
（6）橡膠模具

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模具加工流程
開料：前模料、後模模料、鑲件料、行位料、斜頂料；
開框：前模模框、後模模框；
開粗：前模模腔開粗、後模模腔開粗、分模線開粗；
銅公：前模銅公、後模銅公、分模線清角銅公；
線切割：鑲件分模線、銅公、斜頂枕位；
電腦鑼：精鑼分模線、精鑼後模模芯；
電火花：前模粗、銅公、公模線清角、後模骨位、 枕位；
鑽孔、針孔、頂針；模具頂針孔水路孔加工行位、行位壓極；
斜頂、復頂針、配頂針。

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其他
（1）唧咀、碼模坑、垃圾釘（限位釘）；
（2）飛模；
（3）水口、撐頭、彈簧、運水；
（4）省模、拋光、前模、後模骨位；
（5）細水結構、拉杆螺絲拉鉤、彈簧
（6）重要部件熱處理、淬火、行位表面氮化；
 

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模具軟體
UGNX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、TopSolid CAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM等等。

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基本特點
（1）加工精度要求高一副模具一般是由凹模、凸模和模架組成，有些還可能是多件拼合模塊。於是上、下模的組合，鑲塊與型腔的組合，模塊之間的拼合均要求有很高的加工精度。精密模具的尺寸精度往往達μm級。
（2）形面複雜有些產品如汽車覆蓋件、飛機零件、玩具、家用電器，其形狀的表面是由多種曲面組合而成，因此，模具型腔面就很複雜。有些曲面必須用數學計算方法進行處理。
（3）批量小 模具的生產不是大批量成批生產，在很多情況下往往只生產一付。
（4）工序多 模具加工中總要用到銑、鏜、鑽、鉸和攻螺紋等多種工序。
（5）重複性投產模具的使用是有壽命的。當一付模具的使用超過其壽命時，就要更換新的模具，所以模具的生產往往有重複性。
（6）仿形加工模具生產中有時既沒有圖樣，也沒有數據，而且要根據實物進行仿形加工。這就要求仿製精度高，不變形。
（7）模具材料優異，硬度高模具的主要材料多採用優質合金鋼製造，特別是高壽命的模具，常採用Crl2，CrWMn等萊氏體鋼製造。這類鋼材從毛坯鍛造、加工到熱處理均有嚴格要求。因此加工工藝的編制就更加不容忽視，熱處理變形也是加工中需認真對待的問題。

根據上述諸多特點，在選用工具機上要儘可能滿足加工要求。如數控系統的功能要強，工具機精度要高，剛性要好，熱穩定性要好，具有仿形功能等。

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加工工藝流程安排
（1）底面加工，加工量保證；
（2）鑄件毛坯基準找正，2D、3D型面餘量檢查；
（3）2D、3D型面粗加工，非安裝非工作平面加工（包括安全平台面、緩衝器安裝面、壓板平面、側基準面）；
（4）半精加工前，側基準面的找正確保精度；
（5）半精加工2D、3D型面，精加工各類安裝工作面（包括限位塊安裝面及接觸面、鑲塊安裝面及靠背面、沖頭安裝面、廢料切刀安裝面及靠背面、彈簧安裝面及接觸面、各類行程限制工作面、斜楔安裝面及靠背面），半精加工各類導向面、導向孔，留餘量精加工工藝基準孔及高度基準面，並記錄數據；
（6）檢驗複查加工精度；
（7）鉗工鑲作工序；
（8）精加工前，工藝基準孔基準面找正，鑲塊餘量檢查；
（9）精加工型面2D、3D，側沖型面及孔位，精加工工藝基準孔及高度基準，精加工導向面及導向孔；
（10）檢驗複查加工精度。

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注意事項
（1）工藝編制簡明、表達詳細，加工內容儘量數值化表達；
（2）加工重點難點處，工藝要特彆強調；
（3）需要組合加工處，工藝表達清楚；
（4）鑲塊需單獨加工時，注意加工精度的工藝要求註明；
（5）組合加工後，需單獨加工的鑲塊零件，組合加工時工藝安裝單獨加工的基準要求；
（6）模具加工中彈簧是最容易損壞的，所以要選擇疲勞壽命長的模具彈簧。

大型模具

加工問題

1.巨大的尺寸和重量
在加工大型模具時，如何應付其自身的巨大尺寸和重量是加工企業面臨的一大挑戰。大型模具的加工往往需要大量的勞動力、專用設備和多次調試裝夾，而加工精度也受到多方面潛在因素的影響而不易保證。

2.購置成本問題
加工生產各類大型模具直接相關的最大費用就是工具機的購置成本。能夠生產大型模具的工具機是相當昂貴的，尤其是在複雜工藝安排下，需要使用多台工具機才能完成從模具粗加工到精加工的全部工序。這樣的先期高投入成本也是很多企業進入這一市場的最大障礙。由此，我們可以看出，如果可以在一台合適的工具機上實現大型模具的粗加工和精加工，甚至僅需一次調試裝夾，那麼很多問題將迎刃而解，加工精度也可以得到保證。

加工中心

1.鑄鐵床身結構，工具機主軸具有散熱功能
鑄鐵材料具有很高的剛性和散熱特性，因而是製造工具機結構件最穩定的材料。對於銑削大型零件用的任何工具機，首先需要具有非常結實的鑄鐵結構，並裝備有具有散熱功能的主軸。

就工具機的主軸而言，它必須採用內置冷卻技術，從軸承外面來冷卻主軸，保證在長時間加工過程中，主軸本身不會被燒壞或不會因熱膨脹而造成精度損失。這些因素是非常重要的，因為大型模具的加工需要消耗很長的時間，同時在重切削條件下，這會增加模具的熱量和應力。所以，工具機的結構部件必須具有良好的剛性和散熱特性，這是加工出大型優質模具的前提。因此，必須最大程度地限制加工過程中工具機的振動，並快速擴散加工過程中產生的熱量。選擇合適的加工工具機和刀具可以實現成本和周期的雙贏。

2.熱穩定技術
由於加工時間過長，環境溫度的影響也是必須要考慮的。例如，在普通工具機上加工大型模具，當環境溫度變化10℃時，將會導致工具機立柱發生6℃的溫度變化，從而引起主軸角板平行度發生0.07mm的變化。因此，工具機的設計必須考慮到環境溫度的效應，避免環境溫度影響到加工零件的精度。

3.速度
對於一台行程能夠快速移動的大型模具加工中心來說，大型模具加工工具機的主軸轉速應至少達到20000r/min，金屬的切削速度應滿足762～20000mm/min。

4.精度
精度控制始終貫穿於模具加工的各個階段，如果需要在一台加工中心上實現對大型模具的粗加工和精加工，那麼必須嚴格控制工具機的定位精度和重複定位精度。大型模具專用的加工中心，一般其定位精度可以達到±1.5μm，重複定位精度應達到±1μm。同時，其節距精度應保持在5μm之內。

5.反饋解析度
對於高精度曲面加工，工具機自身的反饋解析度對於檢測加工零件的精度是十分重要的。採用標準的1μm反饋解析度，通常所獲得的結果並不十分理想。如果解析度能夠達到0.05μm，那麼其精加工結果幾乎沒有任何瑕疵。而且，通過對工具機解析度、標尺反饋和小節距滾珠絲槓的控制可進一步提升零件表面的加工質量。

6.主軸
大型模具加工中心上使用的主軸必須達到進行粗加工、半精加工和高質量精加工的要求，而且作為一個參考標準，其能夠實現的表面加工質量應該控制在2μm的水平。通常，對於模具閉合面和分型線部分的精加工十分重要，但在傳統工藝下，許多模具製造商不得不採用手工拋光的方式，以彌補刀具加工精度不足的問題。因為，大型加工工具機的造價昂貴，如果為此項工序購置多功能工具機，顯然是不切合實際的。

此外，合理的主軸設計必須能夠最大程度地延長刀具的使用壽命，使其能夠在加工周期內以低振動、低溫升的狀態持續工作。例如，在大型模具加工中心上加工汽車儀錶板模具時，如採用16mmCBN鑲刀片精加工刀具，加工速度可以達到8m/min，使用壽命超過30h，可以將加工表面質量控制在0.336～3.2μm。由此可知，考慮到加工大型模具時的刀具成本增加，採用專門設計的大型模具加工工具機，不僅可以延長刀具使用壽命，而且可以大量節約加工每付模具的刀具使用成本。

 

7.可移動的多軸加工頭
由於模具尺寸和重量的限制，一般裝夾工件需要花費很長的時間。因此，採用3軸聯動加工中心不僅減少了工件的調試裝夾次數，而且又不影響工具機的加工精度，從而使車間加工大型模具的生產能力大大提高。

可移動的多軸加工頭可以用於加工結構特別複雜的大型模具，按可變幾何形狀設計的加工頭可允許3軸聯動加工，僅需一次裝夾工件，便可銑削加工型腔很深的模具和冷卻孔，以及切削加工許多其他幾何形狀複雜的部位。例如，當主軸以最佳的角度傾斜時，可提高加工頭對銑削加工點的接近程度，這樣便可實現利用多軸加工頭完成對斜孔的加工。

此外，由於多軸加工頭加工工件表面時，採用的是刀具的半徑刀刃而不是刀具的刀尖，因此可提高表面粗糙度。

8.切屑管理
金屬切削加工時會產生大量的切屑，如果不能及時排除，必然會導致二次切削，以及造成工具機結構部件或者工件表面的溫升。大型模具加工中心的工作檯下面通常具有18個排屑孔，不管工作檯移動到什麼位置，都能夠可靠地排除切屑。工具機上有4條內置鉸鏈式切屑傳送帶，以很高的速度將切屑排送到工具機前面。

9.高壓冷卻液
 

在大型模具加工時，高壓冷卻液有著非常重要的作用。例如，在採用2+3軸的加工方法鑽削斜孔時，需要壓力為1000psi（1psi=6890Pa）的冷卻液才能有效地排除切屑，並達到更高精度的切削。而如果沒有這種高壓冷卻液，則在加工斜孔時，需要增添額外的工具機，需要二次裝卡，降低加工精度，而且增加周期成本。根據以上分析可以看出，實現對大型模具的簡單加工需要工具機具有更多、更好的功能。牧野開發的新型MCC2516VG3軸臥式加工中心，主軸轉速可達15000r/min，並採用了「軸芯冷卻」方式和「軸承內壓潤滑」功能，保證主軸及其附屬軸承可以得到及時、有效地冷卻。

此外，主軸不僅可沿橫向的X軸、垂直方向的Y軸和前後方向的Z軸方向運動，還可配合A軸和C軸轉動。由於具備2種分度功能，因此不僅可減輕調整作業量，還可切削結構複雜的工件，例如保險槓、儀錶盤和汽車頭燈透鏡等。

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