高速銑在汽車覆蓋件模具加工中的應(yīng)用

文/石磊，王林，孫剛·一汽-大眾汽車有限公司

對(duì)于大眾車型普遍采用的車身外覆蓋件銳棱工藝要求，高速銑技術(shù)更能夠體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。高精度加工保證了模具表面粗糙度、強(qiáng)壓區(qū)尺寸精度及銳棱成形效果，同時(shí)使模具調(diào)試周期大幅縮短，鉗工工作量明顯下降。

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，車型市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈。國(guó)內(nèi)汽車制造商為適應(yīng)市場(chǎng)需求，需要頻繁更新車型。改臉車型需要新制覆蓋件模具約30%，換代車型需要新制覆蓋件模具接近100%。汽車覆蓋件結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，模具加工質(zhì)量直接影響制件表面質(zhì)量。因此，模具加工制造技術(shù)成為汽車行業(yè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)的汽車模具廠家加工汽車覆蓋件模具對(duì)加工型面精度要求不高，在模具切削加工工序后還要用大量的工時(shí)進(jìn)行人工拋磨，模具最終尺寸精度和加工表面質(zhì)量靠大量的鉗工修磨拋光來保證，耗時(shí)耗力且無法保證尺寸精度。

應(yīng)用高速銑技術(shù)加工制造模具，具有切削效率高、可明顯縮短機(jī)械加工時(shí)間、加工精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。近年來，以高速、高精度加工為主要特征的高速加工技術(shù)發(fā)展十分迅速，已成為先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，高速銑在汽車覆蓋件模具加工制造中逐漸開始應(yīng)用。

高速銑削在模具加工中的優(yōu)勢(shì)

高速銑是20世紀(jì)90年代迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)，合理配置切削材料、切削工藝、刀具軌跡規(guī)劃和加工刀具四大要素，能使產(chǎn)品制造鏈得到有效優(yōu)化。高速銑采用高的銑削速度，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般為10000r/min左右，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向銑削深度。在模具加工中，高速銑削可加工淬火硬度大于50HRC的鋼件，因此在許多情況下可節(jié)省大量手工修磨工時(shí)，在熱處理后采用高速銑達(dá)到零件尺寸、形狀和表面粗糙度要求。

模具的機(jī)械加工主要是加工曲面形狀，模具加工一般使用數(shù)控銑床或加工中心，半精加工和精加工占據(jù)了整個(gè)機(jī)加時(shí)間的三分之二。由于銑削總會(huì)留有刀紋，最后要用很多時(shí)間手工修光。同時(shí)，由于模具大多由高硬度、耐磨損的合金材料制造，加工時(shí)難度較大，傳統(tǒng)加工方法加工效率較低。采用高速銑加工模具的優(yōu)勢(shì)如下：

⑴工序減少，一般高速銑后僅需較少工時(shí)的手工研磨和拋光。

⑵生產(chǎn)效率高，實(shí)現(xiàn)“一次清”加工。在工件的一次裝夾中可完成型腔的粗、精加工和模具其他部位的加工，容易實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化。

⑶產(chǎn)品質(zhì)量好、加工精度高、表面質(zhì)量易于保證。切屑瞬間被切離，工件表面殘余應(yīng)力?。?5%切削熱被切屑帶走，工件熱變形小；激振頻率高，工件表面粗糙度小(Ra0.6μm)，可用高速銑代替磨削。

⑷能加工硬質(zhì)零件。高速銑可加工淬硬鋼，鋼硬度可達(dá)62HRC左右，甚至不用切削液完成硬切削和干切削。并且切削時(shí)橫向切削力很小，刀刃和工件接觸時(shí)間短，加工變形小。

大眾某車型翼子板模具實(shí)例

圖1是大眾某車型翼子板零件產(chǎn)品圖。該零件為典型的汽車外覆蓋件，外觀質(zhì)量要求非常高，對(duì)模具的加工質(zhì)量提出了很高的要求，且表面有5條棱線，機(jī)加時(shí)需按照大眾標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行銳棱加工。

拉延凸凹模高速銑刀具選擇及切削參數(shù)

⑴翼子板模具機(jī)加方案。

圖1 翼子板零件產(chǎn)品造型

翼子板拉延模具高速銑加工方案由粗加工、半精加工、精加工工序組成。粗加工階段根據(jù)檢測(cè)的余量選用大直徑球頭刀去除大部分余量，型腔、轉(zhuǎn)角部分采用小直徑球頭刀進(jìn)行預(yù)清根。半精加工中采用直徑為φ20mm球頭刀進(jìn)行仿形銑，保證在后續(xù)高速銑工序中加工余量分布均勻。精加工中采用高速銑工藝，主軸平均轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min。在高速銑加工中，刀具軌跡切入和切出采用圓弧式，避免了垂直切入和切出。

⑵機(jī)加刀具選擇及夾持方式。

圖2所示翼子板拉延模在半精加工之前已完成淬火，硬度在50～55HRC之間，淬火區(qū)域主要包括拉延筋、制件周圈以及型面凸起處。因此本次高速銑加工方案采用立方氮化硼(CBN)刀具，夾緊刀具的方式采用熱膨脹式，圖3所示為高速銑刀柄和夾頭。

本次高速銑加工在SNK龍門數(shù)控加工中心進(jìn)行，為避免零點(diǎn)切削(圖4)，在本次機(jī)加中設(shè)置主軸傾斜30°(圖5)，保證最佳的高速切削狀態(tài)，保證表面質(zhì)量。

圖2 拉延模淬火方案

圖3 高速銑刀柄與夾頭

圖4 零點(diǎn)切削示意圖

圖5 高速銑主軸偏置30°銑頭

⑶銳棱加工方案。

銳棱加工方案按照大眾標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，凹模銳棱加工所用刀具如圖6所示。由于刀具尖角圓角很小，為避免發(fā)生崩刀現(xiàn)象，分2次下刀，總計(jì)加工深度約0.2～0.3mm，圖7所示為凹模銳棱讓開區(qū)加工效果。按照工藝要求，銳棱區(qū)域一般為強(qiáng)壓區(qū)，因此需要在凹模上銳棱兩側(cè)預(yù)留0.1～0.2mm精研余量，后期調(diào)試時(shí)依靠鉗工研磨達(dá)到強(qiáng)壓區(qū)著色合格的目的。

加工效果評(píng)估

圖6 凹模銳棱加工刀具

圖7 凹模銳棱加工效果

拉延件的表面質(zhì)量和尺寸精度取決于拉延模的加工制造精度，凸、凹模的表面質(zhì)量好壞與尺寸精度高低直接影響拉延件質(zhì)量。且對(duì)于汽車覆蓋件而言，拉延是后續(xù)沖壓工序的基礎(chǔ)，因此質(zhì)量?jī)?yōu)異的拉延件是保證最終合格裝車件的前提。本次創(chuàng)新性的采用高速銑工藝進(jìn)行拉延模具精加工，加工結(jié)束后從模具表面質(zhì)量、型面精度、制造周期三方面進(jìn)行評(píng)估。

⑴模具表面質(zhì)量。

采用高速銑精加工，刀具步距小(0.025mm)、加工深度淺(＜0.1mm)，且高速銑中切削力要比常規(guī)銑削小，工件發(fā)熱與變形均很小，模具表面光潔度與尺寸精度有了很大提升。相比常規(guī)精加工，模具表面粗糙度由Ra1.6μm提高到小于Ra0.8μm，高速銑完成后的拉延凸模與凹模如圖8所示。

⑵型面精度。

采用常規(guī)轉(zhuǎn)速精加工后拉延模具表面預(yù)留量約0.2mm，需要鉗工花費(fèi)大量工時(shí)進(jìn)行研磨。鉗工的手法好壞直接決定了拉延模具型面尺寸的精度高低，還會(huì)導(dǎo)致大量不必要的重復(fù)工作。

圖8 高速銑精加工拉延模型面

強(qiáng)壓區(qū)著色情況是衡量拉延件是否滿足工藝設(shè)計(jì)要求的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，是拉延調(diào)試的基礎(chǔ)工作，因此強(qiáng)壓區(qū)的研磨效果對(duì)模具制造至關(guān)重要。強(qiáng)壓區(qū)的模面高度在工藝設(shè)計(jì)階段就已考慮，根據(jù)制件減薄情況在不同區(qū)域設(shè)計(jì)不同高度的強(qiáng)壓區(qū)。在以往項(xiàng)目中，由于加工精度限制，強(qiáng)壓區(qū)機(jī)加后預(yù)留研磨量一般統(tǒng)一為0.3mm，且不會(huì)根據(jù)需求改變不同區(qū)域預(yù)留高度。強(qiáng)壓區(qū)的理論要求僅僅為0.1mm左右，留給鉗工0.2mm的研磨量，且強(qiáng)壓區(qū)與非強(qiáng)壓區(qū)的過渡情況也會(huì)影響制件質(zhì)量，完全靠手工修磨無法保證精度，最直接的結(jié)果就是在后期出件調(diào)試中拉延模具仍需要不斷返工修磨，模具調(diào)試周期很長(zhǎng)且制件質(zhì)量一般。

翼子板拉延模面方案中，強(qiáng)壓區(qū)模面預(yù)留高度僅僅為0.1mm，棱線兩側(cè)強(qiáng)壓區(qū)寬度為20mm，且有10mm寬的過渡區(qū)域，如圖9所示。按照該方案加工完成后，凸模、凹模的ATOS掃描結(jié)果如圖10所示。高速銑加工能夠保證相當(dāng)高的尺寸精度，型面尺寸偏差在±0.075mm內(nèi)。高精度機(jī)加保證了較小的研修量，為后續(xù)裝配、調(diào)試工序節(jié)約了大量工時(shí)。圖11所示為制件藍(lán)油著色圖，在以凸模為基準(zhǔn)的情況下研修凹模，制件強(qiáng)壓區(qū)著色在短短3周內(nèi)就達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

⑶拉延模具制造周期。

圖9 翼子板拉延模面方案

圖10 高速銑后型面尺寸掃描

圖11 翼子板制件強(qiáng)壓區(qū)著色示意圖

模具制造周期對(duì)車型換代周期有著至關(guān)重要的影響，對(duì)汽車制造商而言，車型越早投放，就能越早搶占市場(chǎng)。因此，縮短沖壓模具制造周期是每個(gè)汽車制造商關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。由于進(jìn)給步距較大，加工去除量較大，因此相比高速銑精加工方法，常規(guī)機(jī)加方法加工拉延模具耗時(shí)較短。但較大的進(jìn)給步距帶來的問題就是精加工后刀花較大，給鉗工研磨工作帶來了很大困難。在裝配工作中，鉗工需要將拉延凸模拋光，采用高速銑精加工能夠在少用兩道打磨工序的情況下就達(dá)到拋光目標(biāo)，節(jié)省拋光時(shí)間40工時(shí)。在調(diào)試階段，由于強(qiáng)壓區(qū)加工精度更高，機(jī)加留量更少，著色區(qū)能夠在之前一半時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)，拉延模具調(diào)試節(jié)省工時(shí)450h。綜上所述，整個(gè)拉延模具的加工裝配調(diào)試周期能夠節(jié)約近40天的時(shí)間，如圖12所示。

結(jié)束語

高速銑作為一種新型高效的加工制造技術(shù)，在模具制造業(yè)開始逐漸引起重視。本項(xiàng)目首次嘗試在拉延模具制造中采用高速銑精加工方案，取得了較好的效果，拉延模具調(diào)試難度和周期有了明顯改善。但是汽車覆蓋件模具制造過程涉及環(huán)節(jié)眾多，拉延模具機(jī)加方案是以沖壓工藝、模面方案為基礎(chǔ)的。隨著精算、回彈補(bǔ)償、定義強(qiáng)壓區(qū)等模面精細(xì)化處理技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步，結(jié)合高精密機(jī)加技術(shù)，模具開發(fā)制造周期將大大縮短，有效提高車企核心競(jìng)爭(zhēng)力。

圖12 常規(guī)加工與高速銑加工耗費(fèi)工時(shí)對(duì)比