1.4 案例4 认知数控加工在模具制造中的应用
现代模具中的一些关键零部件，结构复杂，精度要求极高。采用传统机械加工机床显然无法满足加工要求，要解决这类加工问题就需要采用数控设备进行加工。
在模具零件的加工中用到的数控设备很多，包括数控铣床、数控车床、数控磨床、数控雕刻机、数控电火花成形机床、数控电火花线切割机床以及其他一些利用数字程序控制工件和工具之间相对运动轨迹的加工设备。在模具制造企业，应用频率最高的数控设备应该是数控铣、电火花成形、电火花线切割，数控车、数控磨、数控雕刻相对使用频率要低一些。
其中数控电火花成形加工和数控电火花线切割加工因为是靠电腐蚀来加工的，加工过程中没有切削力，所以把这两种加工方法归属为特种加工范畴，我们将在稍后进行简单认知，并在第七模块详细进行讲授和训练。这里主要是对数控铣床、数控车床、数控雕刻机进行一个简单的认知。
数控加工在模具制造领域相比传统机械加工具有以下特点：
（1）自动化程度高
在数控机床上加工零件时，整个加工过程都是由数控系统按照加工程序来控制机床的运动部件自动完成的，不需要人工通过转轮来移动刀具或工作台，操作者只需按操作按钮和观察加工过程是否正常。
（2）适应性强
数控机床实现加工的过程是由程序来控制的。当要加工某一零件时，先要按零件图上的尺寸、形状和技术要求编写出加工程序，然后再送入数控系统的计算机中。当被加工对象的形状发生变化时，除了更换刀具和夹具外，只需按照新对象的加工要求编写新的加工程序即能实现加工。因此，数控机床的加工范围很广，能节省很多的专用夹具，特别适用于模具零件的单件小批量加工。
（3）加工质量好、精度高
数控机床大多采用高性能的主轴、伺服传动系统，高效、高精度的传动部件（如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等）和具有较高动态刚度的机床结构，采取了提高机床耐磨性和减小热变形的措施，这些都能保持机床较高的几何精度和定位精度。又由于数控机床采用自动加工，减少了人为的操作误差，因此具有较高的加工精度。
（4）生产效率高
由于数控机床的自动化程度高，在加工过程中省去了画线、夹具设计制造、多次装夹定位和检测等工作，所以数控加工的生产效率比传统机加工高。
（5）可进行远程协作加工
可以用一台主计算机通过网络控制多台数控机床，也可以在多台数控机床之间建立通信网络，还可以通过网络进行异地远程协作加工，因而有利于形成计算机辅助设计、生产管理和制造一体化的集成制造系统。
（6）设备成本高
应用数控加工方法加工模具零件也存在着数控机床价格高、技术复杂、对机床的维护与编程技术要求高等缺点。
（7）加工前准备复杂
为了充分利用数控机床的高性能，发挥其高效率的优点，必须在加工前编制好零件加工程序，准备好相应的刀具和夹具。故而，数控机床不适宜加工形状简单、技术要求低、毛坯余量过大和余量不均匀的零件。
模具成型零件的表面若是比较复杂的回转面，一般采用数控车削加工；对于复杂的外形轮廓或曲面成形面，一般采用数控铣加工或者先铣再进行电火花成形加工；对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异形槽的模具零件，可以采用数控电火花线切割加工；对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。
案例资讯4 数控加工设备的认知
（1）数控车床
数控车床就是配备了数控系统的车床，机床结构和传统车床相似，如图1-23所示，数控车床由包含床身、进给机构的主机，数控装置和驱动装置等部件构成。其中主机是数控机床的主体，包括机床身、主轴、进给机构等机械部件。它是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置是数控机床的核心，包括硬件以及相应的软件，用于输入数字化的加工程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。另外数控车床还包括其他一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
图1-23 数控车床
1—卡盘；2—导轨；3—刀架；4—滑板座；5—数控面板；6—床身
数控车床主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工，数控车削是数控加工中应用较广泛的加工方法。由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补以及在加工过程中能自动变速的特点，因此，其工艺范围比普通机床宽得多，最适合加工精度高的回转体零件、表面粗糙度值小的回转体零件、轮廓形状复杂的回转体零件、有特殊螺纹的回转体零件等。
（2）数控铣床
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的一种自动加工设备，两者的加工工艺基本相同，结构也有些相似。数控铣床主要由床身、立柱、铣头、工作台、数控装置和驱动装置等部分构成，如图1-24所示。数控铣床又分为不带刀库的和带刀库的两大类。其中带刀库的数控铣床又称为加工中心。
图1-24 数控铣床
1—床身；2—数控面板；3—立柱；4—铣头；5—工作台
其中床身部分是整个机床的基础。床身底面通过调节螺栓和垫铁与地面相连。调整调节螺栓可使机床工作台处于水平。立柱部分安装于床身后部，上面设有Z向矩形导轨用于连接铣头部件，并使其沿导轨作Z向进给运动。铣头部分由铣头壳体、主传动系统及主轴组成，用于支撑主轴组件及各传动件。壳体后部的垂直导轨处装有压板、镶条及调节螺钉，用于调节铣头与立柱导轨的间隙。主传动系统用于实现夹刀、装刀动作，并保证主轴的回转精度。工作台位于床鞍上，用于安装工件并与床鞍一起分别执行X、Y向的进给运动。数控装置和驱动装置的作用与数控车床相似。
数控铣削加工除了具有普通铣床加工的能力外，能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件；可以一次装夹定位后，对零件进行多道工序加工；加工精度高、加工质量稳定可靠，数控装置的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1μm。另外，数控铣床具有铣床、镗床、钻床的功能，使工序高度集中，大大提高了生产效率。另外，数控铣床的主轴转速和进给速度都是无级变速的，因此有利于选择最佳切削用量。
（3）数控雕刻机
数控雕刻加工，也叫CNC雕刻加工，它的工作原理与数控铣床加工是一模一样的，也有自动进刀、自动进给的功能，可以进行多种复杂曲面的加工。普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数，而数控雕刻加工则采用高的进给速度和小的切削参数，精雕机的加工通常是要求小刀、小切削量、高转速，所以数控雕刻机的主轴转速较高，一般为15000～40000r/min，最高可达100000r/min，刀具最小直径可达0.1mm。在切削钢时，其切削速度约为400m/min，比传统的铣削加工高5～10倍，在加工模具型腔时与传统的加工方法（传统铣削、电火花成形加工等）相比其效率提高4～5倍。另外，由于高速铣削时工件温升小（约为3℃），因此表面没有变质层及微裂纹，热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm，减少了后续磨削及抛光工作量。
目前数控雕刻在模具制造领域主要被用于型腔表面文字、图案的雕刻；模具零件的清角加工、多而细的条纹加工；紫铜和石墨电极的加工，可高效精细加工棱角分明的电火花成形电极；五金冲模和精密冲头的加工，五金冲模主要以Cr12为加工材料，数控雕刻在加工小型精密冲头时优势明显，可以铣削硬度为50～54HRC的钢材，铣削的最高硬度可达60HRC。
无论是数控车床、数控铣床还是数控雕刻机，在进行模具零件加工时都需要利用软件编制加工程序，目前模具行业应用较广的程序编制软件有MasterCAM、Promill和UG。其中，UG是一款融合了实体造型、曲面造型和线框模技术的大型CAD/CAE/CAM软件。利用UG可以进行模具的设计、分析，并自动编制加工程序。UG为模具的加工提供了平面铣、曲面轮廓铣、型腔铣、等高轮廓铣和固定轴轮廓铣等多种操作。对于一些形状复杂的模具，利用UG中的模具加工模块可以实现数控加工程序的自动编制，既保证了加工的质量，又提高了模具加工的效率。
在利用UG进行模具的数控加工之前，必须要先建立模具的三维模型。根据模具的三维模型，利用UG的CAM模块可以选择并最终确定理想的加工工艺路线。用户利用UG模具加工模块中的交互式编程功能，通过创建程序节点、几何节点、刀具节点和加工方法节点，可以实现精确的刀具加工轨迹图形化。在此基础上，用户通过观察图形化的刀具运动轨迹进行进一步的编辑和调整，并对最终的刀位源文件后置处理，UG即可自动生成数控加工程序。
利用UG可以轻松实现复杂模具的计算机辅助制造。在现代工业追求质量和效率并重的背景下，充分利用基于UG的数控加工技术，可以提高模具加工的质量和精度，缩短模具的制造周期。因此，本书后续的实例中都是以UG软件作为工具软件。
1.4.1 圆形型芯镶块的数控车削加工
如图1-25所示为圆形塑料模型芯镶块，零件表面由圆柱、圆锥和圆弧等表面组成，材料为P20，调质硬度为28～30HRC。因该型芯尺寸不大，热处理硬度不高，为便于加工和热处理，可在下料后先调质热处理再进行机加工。先粗车，最后在数控车床上完成精车。为了便于加工和装夹，在下料时长度方向应加长10mm，并将该段长度留在右端，用作钻中心孔和装夹精加工完成后去掉夹持段。
图1-25 圆形塑料模型芯镶块
所以该型芯的机械加工工艺过程为：下料→调质热处理→粗车并钻中心孔→数控车削精加工→抛光工作表面→钳工修光端面→检验。为保证零件精度，采用左端自定心卡盘定心夹紧，右端用活顶尖支承装夹的方式。一次装夹在数控车床上，分半精车和精车两个步骤完成型芯的车削加工。
1.4.2 型腔的数控铣削加工
如图1-26所示为香皂盒注射模具的型腔镶块，作为成型零件，其尺寸精度和表面粗糙度要求都较高，其中有文字部分的这个型腔表面为仿皮纹，另一半为磨砂面，材料为P20，硬度为30～32HRC。由图可以看出，型腔成型部分完全由三维曲面构成，并且其中一个型腔表面还有凹沉的文字，顶端有圆弧面槽，分流道为半圆形流道，四周有定位台，侧面有水道。镶块的背面只有固定螺钉孔和水道孔，相对比较简单，所以重点是正面的加工，而正面的加工重点又是型腔成型部分的曲面加工，所以该零件的加工主要以数控铣削加工为主。
图1-26 型腔镶块
由于零件的硬度要求不高，因此在下料后就进行热处理，然后在普通铣床上铣出六方，通过平面磨床磨六面到尺寸，因螺纹孔和水道相对精度较低，可以由钳工划线加工出，之后的重点工作就是在数控铣床上，由于整个镶块正面没有直角内凹、窄槽等形状，因此可以在数控铣床上通过一次装夹完成外轮廓、成形面、流道、定位台的半精及精加工，铣削完成后就是型腔的表面处理，有文字的型腔部分为仿皮纹，要通过晒纹处理，其本质是化学腐蚀加工，我们在模块六中会有讲授。无文字部分表面为磨砂面，可以通过电火花放电完成。最后由钳工完成其他部分的抛光处理即可。
1.4.3 型腔的数控雕刻加工
如图1-26所示的型腔镶块中，包含有如图1-27所示的“陕西科技大学”汉字反文及“SHAANXI UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY”英文字母的反文图案，所有文字图案深0.2mm，英文字母笔画宽度为1mm。
图1-27 型腔镶块上的文字图案
对于文字的数控雕刻加工一般按照数控程序先采用较粗的刻刀进行粗加工，再采用较细的刻刀进行精加工，所以对于该零件的雕刻加工先采用ϕ1mm的圆刀进行粗加工，再用ϕ0.2mm的球刀进行最后的精加工。
另外，激光雕刻在现代模具制造中对于文字图案等的加工应用也越来越广泛了。