基于柔性生产线的铝挤压模具的加工办法

1前言

近年来，数控技术在铝挤压模具制造中得到了广泛应用。三轴普通立式数控铣床用于模具粗铣加工时，装卸模具、手动翻转模具、反复对中等过程占用了非加工时间，使机床无法达到稳定连续的加工状态。同时，随着铝加工技术的不断进步，高规格、复杂截面的铝型材越来越多，铝挤压模具的结构也趋于复杂。特别是三轴加工不到位的分流模上模入口处的分流孔往往存在盲点，需要切换到电火花加工工艺，根据其三维模型即可得到盲点对应的电极，加工周期长。铝挤压模具加工包括数控加工、线切割、电火花和热处理等。因为模具80% ~ 90%的切削余量是由数控加工完成的，所以热处理前数控粗加工的加工效率就显得尤为重要[1-3]。

我公司采用定制化柔性生产线，使用hyperMILL编程软件，优化模具热处理前的粗加工工艺，调整部分加工工艺，解决了铝挤压模具生产加工中存在的上述问题。在装模平台上一次装夹后，即可完成不同类型模具的连续加工，加工过程中无需人工干预，实现了一人多机的管理模式，有效提高了机床利用率，创造了安全便捷的工作环境。

2灵活的生产线布局

公司进口铝挤压模具柔性生产线采用芬兰Fastems柔性加工系统，根据公司模具制造生产要求定制。根据选用的机床设备，采用模块化结构和交换托盘方式满足生产要求，由自动加工系统、物流系统和控制系统组成。柔性生产线布局如图1所示，三维模型如图2所示。

柔性生产线的自动加工系统包括三个DMC100H卧式加工中心和一个DMC125FD五轴车铣复合加工中心，主要加工圆柱直径为398 ~ 700 mm的铝挤压模具。DMC100H卧式加工中心和DMC125FD五轴车铣复合加工中心均配有两体旋转工作台，其快速托盘交换装置可在8s内将新模具毛坯放置在准备位置，可缩短模具装卸零件的非加工时间机床为西门子840D数控系统，提供CYCLE800固定循环程序。编程时，只需要在工单中设置一个工件坐标系，就可以实现工件参考坐标系的连续转换。实际加工时，模具只需夹紧一次。

柔性生产线采用Fastems系统的物流系统，由装载平台、托盘架、码垛升降机等组成。它可以完成模具的存储和传输，是柔性生产线的重要组成部分。高效堆垛升降机(见图3)可以确保装载模具的托盘在系统中快速运输，使机器操作员无需等待。堆叠升降机执行交叉模具操作，如图4所示。一个堆垛升降机为两个装载台和四个机床服务，并配备有承载18个特殊水平夹具和四个垂直自定心卡盘托盘的托盘。一旦物流系统出现故障，模具的运输就无法实现，这将极大地制约数控机床的加工能力。

柔性生产线中使用的Fastems MMS信息控制系统是一个独立的、开放的系统，能够收集、处理和反馈加工和运输过程中所需的各种信息，包括入库、夹具、NC程序的传输、刀具监控和主轴功率等。装载平台操作面板的主界面(见图5)采用人性化的交互式触摸屏，工人可以实时查看和确认加工指令的运行安排和各设备的状态，以便对机床进行相应的调度和维护，其中红色代表设备或系统故障报警，绿色代表设备或系统运行正常，黄色代表设备或系统处于空载状态，蓝色代表设备或系统处于半自动运行状态，灰色代表设备或系统处于维护状态。系统1是码垛升降机的托盘状态系统，系统2是主控制台的运行状态。1号装载平台为三台卧式加工中心服务，2号装载平台为五轴车铣复合加工中心服务。刀具寿命的管理以刀具使用的时间阈值为评价标准[4]，采用机床的G0功能来实现。对应的固定加工时间被设置为不同规格工具的生命周期。当刀具的正常切削磨损达到设定的安全阈值时，检查刀具寿命周期，并通过程序中的G0 Z刀具提升指令更换刀具。刀具库中有不同规格的牛鼻子刀具、平底刀具、T形刀具、锥形刀具、螺纹刀具、球形刀具、钻头和其他刀具。每台配置两把相同规格的刀具，加工时根据加工时间自动更换刀具。

加工模具时，工人通过载物台将粗车后的模具毛坯夹在相应托盘的专用夹具上，存放在托盘架上。图6示出了待模制的固定装置的状态。根据生产计划，在装载平台的操作面板发出生产指令，堆垛升降机将相应的载有模具毛坯的托盘运送到卧式加工中心进行生产加工，然后由主控制台的信息控制系统将待加工的数控程序传输到相应的机床上进行自动加工。模具加工完成后，码垛升降机将载有加工好的模具的托盘运送到仓库，在1号装载平台上等待工人依次卸下模具。整个加工过程不需要机床和刀具的人工干预。如果分模的下模、模垫、平模、导轨已经在卧式加工中心加工完毕，卸料后可以转入下一道工序。分流模的上模在1号上料平台卸下后，被2号上料平台垂直夹紧。承载分流模上模的自定心卡盘由堆垛升降机输送到五轴车铣复合机床进行五轴定位加工。加工完成后，可以卸货周转。

3 hyperMILL软件编程

柔性生产线的程序包括主程序、自动对位程序和数控加工程序:自动对位程序和数控加工程序可以通过主程序调用；自动对中程序是一个固定程序，负责测量模具中心，测量模具厚度和尺寸，判断基准面等。数控加工程序要求程序员为每套模具编制程序，并发送到柔性生产线的控制台主机。

利用hyperMILL软件对柔性生产线上的模具进行编程，模具的定位销孔、螺纹孔、分流孔、工作带、上下空刀等部位采用枪钻、啄钻、螺纹铣削、任意毛坯的3D粗加工、3D高精加工等策略。选择合适的刀具和合理的编程策略，既能保证加工效率，又能满足模具的加工质量要求。带有图001的上模设计如图7所示，其在hyperMILL软件中的模拟和在DMC100H机床上的定位加工分别如图8和图9所示。01柔性生产线上上模各加工工序的工艺参数见表1。

HyperMILL编程软件是德国OPEN MIND公司开发的集成式数控编程CAM软件。表1中编号为7、8、10、11、12的工序主要通过hyperMILL软件的“3+2轴定位加工”功能解决。“3+2轴定位加工”的原理是当机床主轴旋转到一定角度时，斜面仍以普通三轴方式加工，旋转轴始终旋转到加工平面与刀轴垂直的位置。在避免刀具干涉的情况下，铣削过程处于粗铣状态，铣削体积大，铣削效率高。在加工过程中，加工平面保持固定，既保证了数控加工中刀具的安全，又降低了程序员的经验要求，提高了编程的工作效率。与五轴联动功能相比，更适合铝挤压模具制造。车铣复合机床使用的最大刀具是D32硬质合金刀具，切削深度为250mm，切削长径比高达7。上模芯结构如图10所示，利用刀具对上模芯下空心颈与分流孔连接处进行分流和清根处理，扩大外圆直径大于700 mm的上模分流孔盲区，利用HyperMILL编程软件集成三维建模、毛坯定义、二次粗加工、干涉检查、仿真和后处理刀库功能，有效解决了数控编程效率低的问题。

4流程优化

铝挤压模具采用H13模具钢，按技术要求热处理后的模具硬度为49 ~ 51 HRC。热处理前优化粗加工工艺可以有效提高生产效率，降低刀具成本。

在引进柔性生产线之前，上模的加工工艺是:S1粗车→S2粗铣(分流孔和模芯)→S3热处理→S4精铣(模芯分流、上下刀、分流孔和下刀颈)→S5电火花(模芯内强化和冲孔)→S6打磨抛光。该方法存在以下问题。

1)老设备是三轴立式加工中心，主轴和工作台都没有旋转功能。三轴加工中上模分流孔的扩大盲区只能采用电火花加工的方式进行加工，这就要求操作者具有较高的电加工经验。

2)导流洞与下刀颈之间有2 ~ 4 mm的内螺纹余量。采用直径2~4mm的T型刀进行加工，主轴进给速度为1200mm/min，切削深度为0.1 mm，由于刀长的限制，总切削深度达不到图纸要求，需要手工打磨剩余凸台，不仅加工时间长，而且使刀头耐磨。

3)热处理后，用直径为6mm的平底刀加工模芯的上刀。热处理后模具硬度高，刀具易磨损。

针对以上问题，优化后的工艺为:S1粗车→S2粗铣(分流孔、模芯、上下刀、分流孔处分流、下刀颈)→S3热处理→S4精铣(模芯、上刀)→S5电火花(模芯内筋、通孔)→S6抛光。

表1中的步骤7 ~ 12是调整后的流程。分流孔的尺寸直接加工到热处理前的图形尺寸，热处理产生的氧化皮通过最后一步抛光。柔性生产线上采用“3+2轴定位加工”，粗铣效率高。热处理前，上模工作带的上刀预留0.3mm的加工余量，用直径6mm的5°锥度铣刀(见图11)铣削。热处理后只需精铣，既简化了工艺，又缩短了模具加工周期，提高了热处理前的数控铣削效率[5]。

5结束语

通过实际运行，与传统单机数控加工模式相比，柔性生产线的加工效率提高了20%，主轴利用率超过90%。一个操作人员可以负责一个班次的生产，提高了效率，避免了人为错误的影响。同时，采用可靠的数控加工程序和合理的加工工艺，保证了模具的加工质量。

随着现代工业的快速发展和产品的高速更新换代，只能加工一个或几个相似零件的生产模式难以满足多品种、多规格、中小批量零件的生产要求。柔性制造技术结合了当今的机床技术、刀具技术、传动技术、电子技术和计算机技术。它具有高稳定性、高可靠性和高自动化的特点。应用广泛，从柔性制造单元的组合，到柔性制造工厂的建立和智能加工的实现，为企业转型升级提供了新的方向。