1.4　案例4　認知數控加工在模具制造中的應用

現代模具中的一些關鍵零部件，結構復雜，精度要求極高。采用傳統機械加工機床顯然無法滿足加工要求，要解決這類加工問題就需要采用數控設備進行加工。

在模具零件的加工中用到的數控設備很多，包括數控銑床、數控車床、數控磨床、數控雕刻機、數控電火花成形機床、數控電火花線切割機床以及其他一些利用數字程序控制工件和工具之間相對運動軌跡的加工設備。在模具制造企業，應用頻率最高的數控設備應該是數控銑、電火花成形、電火花線切割，數控車、數控磨、數控雕刻相對使用頻率要低一些。

其中數控電火花成形加工和數控電火花線切割加工因為是靠電腐蝕來加工的，加工過程中沒有切削力，所以把這兩種加工方法歸屬為特種加工范疇，我們將在稍后進行簡單認知，并在第七模塊詳細進行講授和訓練。這里主要是對數控銑床、數控車床、數控雕刻機進行一個簡單的認知。

數控加工在模具制造領域相比傳統機械加工具有以下特點：

（1）自動化程度高

在數控機床上加工零件時，整個加工過程都是由數控系統按照加工程序來控制機床的運動部件自動完成的，不需要人工通過轉輪來移動刀具或工作臺，操作者只需按操作按鈕和觀察加工過程是否正常。

（2）適應性強

數控機床實現加工的過程是由程序來控制的。當要加工某一零件時，先要按零件圖上的尺寸、形狀和技術要求編寫出加工程序，然后再送入數控系統的計算機中。當被加工對象的形狀發生變化時，除了更換刀具和夾具外，只需按照新對象的加工要求編寫新的加工程序即能實現加工。因此，數控機床的加工范圍很廣，能節省很多的專用夾具，特別適用于模具零件的單件小批量加工。

（3）加工質量好、精度高

數控機床大多采用高性能的主軸、伺服傳動系統，高效、高精度的傳動部件（如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等）和具有較高動態剛度的機床結構，采取了提高機床耐磨性和減小熱變形的措施，這些都能保持機床較高的幾何精度和定位精度。又由于數控機床采用自動加工，減少了人為的操作誤差，因此具有較高的加工精度。

（4）生產效率高

由于數控機床的自動化程度高，在加工過程中省去了畫線、夾具設計制造、多次裝夾定位和檢測等工作，所以數控加工的生產效率比傳統機加工高。

（5）可進行遠程協作加工

可以用一臺主計算機通過網絡控制多臺數控機床，也可以在多臺數控機床之間建立通信網絡，還可以通過網絡進行異地遠程協作加工，因而有利于形成計算機輔助設計、生產管理和制造一體化的集成制造系統。

（6）設備成本高

應用數控加工方法加工模具零件也存在著數控機床價格高、技術復雜、對機床的維護與編程技術要求高等缺點。

（7）加工前準備復雜

為了充分利用數控機床的高性能，發揮其高效率的優點，必須在加工前編制好零件加工程序，準備好相應的刀具和夾具。故而，數控機床不適宜加工形狀簡單、技術要求低、毛坯余量過大和余量不均勻的零件。

模具成型零件的表面若是比較復雜的回轉面，一般采用數控車削加工；對于復雜的外形輪廓或曲面成形面，一般采用數控銑加工或者先銑再進行電火花成形加工；對于微細復雜形狀、特殊材料模具、塑料鑲拼型腔及嵌件、帶異形槽的模具零件，可以采用數控電火花線切割加工；對精度要求較高的解析幾何曲面，可以采用數控磨削加工。

案例資訊4　數控加工設備的認知

（1）數控車床

數控車床就是配備了數控系統的車床，機床結構和傳統車床相似，如圖1-23所示，數控車床由包含床身、進給機構的主機，數控裝置和驅動裝置等部件構成。其中主機是數控機床的主體，包括機床身、主軸、進給機構等機械部件。它是用于完成各種切削加工的機械部件。數控裝置是數控機床的核心，包括硬件以及相應的軟件，用于輸入數字化的加工程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。驅動裝置是數控機床執行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。它在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。另外數控車床還包括其他一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監測等。

數控車床主要用于軸類和盤類回轉體零件的多工序加工，數控車削是數控加工中應用較廣泛的加工方法。由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補以及在加工過程中能自動變速的特點，因此，其工藝范圍比普通機床寬得多，最適合加工精度高的回轉體零件、表面粗糙度值小的回轉體零件、輪廓形狀復雜的回轉體零件、有特殊螺紋的回轉體零件等。

（2）數控銑床

數控銑床是在一般銑床的基礎上發展起來的一種自動加工設備，兩者的加工工藝基本相同，結構也有些相似。數控銑床主要由床身、立柱、銑頭、工作臺、數控裝置和驅動裝置等部分構成，如圖1-24所示。數控銑床又分為不帶刀庫的和帶刀庫的兩大類。其中帶刀庫的數控銑床又稱為加工中心。

其中床身部分是整個機床的基礎。床身底面通過調節螺栓和墊鐵與地面相連。調整調節螺栓可使機床工作臺處于水平。立柱部分安裝于床身后部，上面設有Z向矩形導軌用于連接銑頭部件，并使其沿導軌作Z向進給運動。銑頭部分由銑頭殼體、主傳動系統及主軸組成，用于支撐主軸組件及各傳動件。殼體后部的垂直導軌處裝有壓板、鑲條及調節螺釘，用于調節銑頭與立柱導軌的間隙。主傳動系統用于實現夾刀、裝刀動作，并保證主軸的回轉精度。工作臺位于床鞍上，用于安裝工件并與床鞍一起分別執行X、Y向的進給運動。數控裝置和驅動裝置的作用與數控車床相似。

數控銑削加工除了具有普通銑床加工的能力外，能加工普通機床無法加工或很難加工的零件，如用數學模型描述的復雜曲線零件以及三維空間曲面類零件；可以一次裝夾定位后，對零件進行多道工序加工；加工精度高、加工質量穩定可靠，數控裝置的脈沖當量一般為0.001mm，高精度的數控系統可達0.1μm。另外，數控銑床具有銑床、鏜床、鉆床的功能，使工序高度集中，大大提高了生產效率。另外，數控銑床的主軸轉速和進給速度都是無級變速的，因此有利于選擇最佳切削用量。

（3）數控雕刻機

數控雕刻加工，也叫CNC雕刻加工，它的工作原理與數控銑床加工是一模一樣的，也有自動進刀、自動進給的功能，可以進行多種復雜曲面的加工。普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數，而數控雕刻加工則采用高的進給速度和小的切削參數，精雕機的加工通常是要求小刀、小切削量、高轉速，所以數控雕刻機的主軸轉速較高，一般為15000～40000r/min，最高可達100000r/min，刀具最小直徑可達0.1mm。在切削鋼時，其切削速度約為400m/min，比傳統的銑削加工高5～10倍，在加工模具型腔時與傳統的加工方法（傳統銑削、電火花成形加工等）相比其效率提高4～5倍。另外，由于高速銑削時工件溫升小（約為3℃），因此表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm，減少了后續磨削及拋光工作量。

目前數控雕刻在模具制造領域主要被用于型腔表面文字、圖案的雕刻；模具零件的清角加工、多而細的條紋加工；紫銅和石墨電極的加工，可高效精細加工棱角分明的電火花成形電極；五金沖模和精密沖頭的加工，五金沖模主要以Cr12為加工材料，數控雕刻在加工小型精密沖頭時優勢明顯，可以銑削硬度為50～54HRC的鋼材，銑削的最高硬度可達60HRC。

無論是數控車床、數控銑床還是數控雕刻機，在進行模具零件加工時都需要利用軟件編制加工程序，目前模具行業應用較廣的程序編制軟件有MasterCAM、Promill和UG。其中，UG是一款融合了實體造型、曲面造型和線框模技術的大型CAD/CAE/CAM軟件。利用UG可以進行模具的設計、分析，并自動編制加工程序。UG為模具的加工提供了平面銑、曲面輪廓銑、型腔銑、等高輪廓銑和固定軸輪廓銑等多種操作。對于一些形狀復雜的模具，利用UG中的模具加工模塊可以實現數控加工程序的自動編制，既保證了加工的質量，又提高了模具加工的效率。

在利用UG進行模具的數控加工之前，必須要先建立模具的三維模型。根據模具的三維模型，利用UG的CAM模塊可以選擇并最終確定理想的加工工藝路線。用戶利用UG模具加工模塊中的交互式編程功能，通過創建程序節點、幾何節點、刀具節點和加工方法節點，可以實現精確的刀具加工軌跡圖形化。在此基礎上，用戶通過觀察圖形化的刀具運動軌跡進行進一步的編輯和調整，并對最終的刀位源文件后置處理，UG即可自動生成數控加工程序。

利用UG可以輕松實現復雜模具的計算機輔助制造。在現代工業追求質量和效率并重的背景下，充分利用基于UG的數控加工技術，可以提高模具加工的質量和精度，縮短模具的制造周期。因此，本書后續的實例中都是以UG軟件作為工具軟件。

1.4.1　圓形型芯鑲塊的數控車削加工

如圖1-25所示為圓形塑料模型芯鑲塊，零件表面由圓柱、圓錐和圓弧等表面組成，材料為P20，調質硬度為28～30HRC。因該型芯尺寸不大，熱處理硬度不高，為便于加工和熱處理，可在下料后先調質熱處理再進行機加工。先粗車，最后在數控車床上完成精車。為了便于加工和裝夾，在下料時長度方向應加長10mm，并將該段長度留在右端，用作鉆中心孔和裝夾精加工完成后去掉夾持段。

所以該型芯的機械加工工藝過程為：下料→調質熱處理→粗車并鉆中心孔→數控車削精加工→拋光工作表面→鉗工修光端面→檢驗。為保證零件精度，采用左端自定心卡盤定心夾緊，右端用活頂尖支承裝夾的方式。一次裝夾在數控車床上，分半精車和精車兩個步驟完成型芯的車削加工。

1.4.2　型腔的數控銑削加工

如圖1-26所示為香皂盒注射模具的型腔鑲塊，作為成型零件，其尺寸精度和表面粗糙度要求都較高，其中有文字部分的這個型腔表面為仿皮紋，另一半為磨砂面，材料為P20，硬度為30～32HRC。由圖可以看出，型腔成型部分完全由三維曲面構成，并且其中一個型腔表面還有凹沉的文字，頂端有圓弧面槽，分流道為半圓形流道，四周有定位臺，側面有水道。鑲塊的背面只有固定螺釘孔和水道孔，相對比較簡單，所以重點是正面的加工，而正面的加工重點又是型腔成型部分的曲面加工，所以該零件的加工主要以數控銑削加工為主。

由于零件的硬度要求不高，因此在下料后就進行熱處理，然后在普通銑床上銑出六方，通過平面磨床磨六面到尺寸，因螺紋孔和水道相對精度較低，可以由鉗工劃線加工出，之后的重點工作就是在數控銑床上，由于整個鑲塊正面沒有直角內凹、窄槽等形狀，因此可以在數控銑床上通過一次裝夾完成外輪廓、成形面、流道、定位臺的半精及精加工，銑削完成后就是型腔的表面處理，有文字的型腔部分為仿皮紋，要通過曬紋處理，其本質是化學腐蝕加工，我們在模塊六中會有講授。無文字部分表面為磨砂面，可以通過電火花放電完成。最后由鉗工完成其他部分的拋光處理即可。

1.4.3　型腔的數控雕刻加工

如圖1-26所示的型腔鑲塊中，包含有如圖1-27所示的“陜西科技大學”漢字反文及“SHAANXI UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY”英文字母的反文圖案，所有文字圖案深0.2mm，英文字母筆畫寬度為1mm。

對于文字的數控雕刻加工一般按照數控程序先采用較粗的刻刀進行粗加工，再采用較細的刻刀進行精加工，所以對于該零件的雕刻加工先采用?1mm的圓刀進行粗加工，再用?0.2mm的球刀進行最后的精加工。

另外，激光雕刻在現代模具制造中對于文字圖案等的加工應用也越來越廣泛了。