高速切削加工技術(shù)在汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用

陳 芳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710000）

引言

汽車覆蓋件模具制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)控加工技術(shù)。汽車覆蓋件的形狀復(fù)雜，加工有一定的難度，關(guān)系著汽車的整體質(zhì)量，而且對表面質(zhì)量要求高。近年來，高速切削加工技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)中。汽車制造是制造業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中有舉足輕重的作用。在新時(shí)代下，汽車覆蓋件不斷更新，滿足人們不斷提升的消費(fèi)需求。對汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造也受到廣泛關(guān)注。汽車覆蓋件模具中也開始應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

1 高速切削加工技術(shù)的優(yōu)勢

汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜。過去使用的加工技術(shù)模具制造的表面加工質(zhì)量不高，生產(chǎn)效率低，并且研配鉗工手工的周期較長[1-2]。與傳統(tǒng)加工方式相比，使用高速切削加工技術(shù)的工件變形小，有較長的刀具壽命，較高的加工精度和生產(chǎn)效率，因此在汽車覆蓋件模具制造中應(yīng)用廣泛。

2 汽車覆蓋件模具制造中高速切削加工技術(shù)對機(jī)床的要求

2.1 高速機(jī)床控制系統(tǒng)

高速切削機(jī)床是在汽車覆蓋件模具制造中應(yīng)用高速切削加工技術(shù)的基礎(chǔ)條件。在高速切削加工中有很高的切削速度。CNC控制系統(tǒng)是機(jī)床具備預(yù)處理能力的基礎(chǔ)。機(jī)床還需要有ETH-ERNET通信技術(shù)及電容量內(nèi)存等[3]。高精度加工需要有高分辨率反饋技術(shù)。模擬控制中存在微量時(shí)間滯后的問題，主要通過數(shù)字驅(qū)動解決。模具曲面復(fù)雜，光滑插補(bǔ)和短程序段的解決采用NURBS曲線。

2.2 高速機(jī)床轉(zhuǎn)速和功率

高速切削加工能夠達(dá)到的應(yīng)用的范圍、切削速度、加工精度以及加工的品質(zhì)，都受主軸的決定性影響。主軸是高速切削機(jī)床的核心部件。高速切削加工機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常高于10 000 r/min，高速切削加工主軸的轉(zhuǎn)速也有20 000～80 000 r/min的。汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要懸伸較長的刀具，因此要大功率主軸，通常使用十幾到幾十kW以上，才能滿足加工的需求。

2.3 高速機(jī)床直線運(yùn)動的高加速度

依據(jù)高速切削的特性，高速切削加工的高動態(tài)進(jìn)給驅(qū)動速度下，一般是1～2 s的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)主軸啟動到加速。通常1～5 s的工作臺加減速度。在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)，高速加工小圓角半徑曲面，實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件模具型面的加工目的。汽車覆蓋件模具中形狀復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)尺寸比較大的，可以使用高速五坐標(biāo)聯(lián)動加工[4]。圖1所示的是RAM-Speed-H45PLUS型高速加工中心。

圖1 RAM-Speed-H45PLUS型高速加工中心

由RAMBAUDI公司生產(chǎn)，主要參數(shù)有：定位精度中X軸、Y軸、Z軸分別為0.025 mm、0.020 mm、0.015mm。重復(fù)精度中X軸、Y軸、Z軸分別為0.010mm、0.010 mm、0.010 mm。4 500 mm×2700mm×1500mm為加工范圍。24 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速。30 kW的主軸功率。刀庫容量為30把。主軸軸承為氮化硅陶瓷球，使用油-氣潤滑。使用龍門式框架結(jié)構(gòu)為立柱，具有很高的剛度，對于高速切削加工大型的汽車覆蓋件模具十分適合。

3 汽車覆蓋件模具制造高速切削加工技術(shù)的選擇和參數(shù)

3.1 對刀具要求

高速切削加工中會有較高的切削速度，通過對汽車覆蓋件模具型面的關(guān)鍵部位進(jìn)行熱處理，或者通過整體淬火鋼方式進(jìn)行處理，達(dá)到較高的硬度。高速切削中的切屑及刀具都有很高的溫度，同時(shí)存在化學(xué)性質(zhì)和熱性質(zhì)，因此對刀具的要求比較高。刀具的材質(zhì)需要有較好的耐磨性及高的強(qiáng)度和硬度，具備熱穩(wěn)定性，有強(qiáng)的抗沖擊性能，能夠很好地應(yīng)用于加工中。實(shí)踐中根據(jù)汽車覆蓋件模具的幾何形狀、材質(zhì)、切削參數(shù)、機(jī)床機(jī)構(gòu)等，選擇合適高度的切削加工刀具[5]。汽車覆蓋件模具的高速切削加工刀具有高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具及表面涂層刀具等，使用的材料各不相同。在精加工操作中，盡量用一把刀片完成。加工中要盡量減少汽車覆蓋件模具型面中產(chǎn)生的接刀差，以達(dá)到高精度要求。

汽車覆蓋件模具幾何形狀復(fù)雜，在高速切削加工中，不合理的刀具裝夾會導(dǎo)致掉刀的問題，加工中的掉刀不利于加工效率和加工質(zhì)量的提升[6]。通常刀具裝夾使用HSK空心刀柄，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的形勢下，可以保證軸向運(yùn)動加工精度，以及加工的安全性。當(dāng)前汽車覆蓋件模具的發(fā)展方向是高精度、高速度，對刀具要求更高，通常使用的相應(yīng)刀具為熱脹式刀柄裝夾刀具。在高速切削加工中，熱脹式刀柄裝夾刀具具有較高的傳遞轉(zhuǎn)矩，以及良好的剛性和精度，可以保證刀具的壽命和動平衡。在高速切削加工的冷卻操作中，一般使用油霧冷卻或噴氣冷卻。相對比較理想的冷卻方式是油霧冷卻。

3.2 加工參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具加工中粗加工的參數(shù)為1 mm留量，球刀φ50 mm。半精加工0.5 mm留量，球刀φ30 mm。精加工球刀φ25 mm或者φ30 mm。汽車覆蓋件模具使用傳統(tǒng)加工方式，和高速切削加工方式不同[7]。以圖2為例，為去除大余量進(jìn)行粗加工，使用φ63R8圓刀片加工提升加工的效率。接著預(yù)清根，使用球刀有φ25 mm、φ30 mm、φ40 mm。使用φ30 mm球刀進(jìn)行半精加工，接著預(yù)清根，使用球刀為φ25 mm。最后使用φ25 mm或者φ30 mm球刀精加工，清根工作使用小直徑球刀，完成型腔、轉(zhuǎn)角部位操作。

本次使用的某車型后車門內(nèi)板模型的高速切削加工參數(shù)如表1所示。

圖2 某車型后車門內(nèi)板模型

表1 切削參數(shù)

4 汽車覆蓋件模具制造高速切削加工技術(shù)工藝和程序

4.1 加工工藝方案設(shè)計(jì)

汽車覆蓋件模具制造高速切削加工技術(shù)工序有粗加工、半精加工及精加工。通常首先進(jìn)行粗加工，將大余量去除。操作時(shí)檢測余量，使用φ50 mm球刀，依據(jù)實(shí)際情況使用φ63R8盤刀操作去除。使用φ63R8盤刀開始粗加工，加工方式為等高層切，為避免直線轉(zhuǎn)接，切入和切出都用圓弧的方式，使加工更加平穩(wěn)，避免由于承受的負(fù)載出現(xiàn)大的變化，導(dǎo)致崩刀片的情況。轉(zhuǎn)角的部位和型腔部位的預(yù)清根，使用小直徑球刀。使用φ30 mm球刀進(jìn)行仿形銑的半精加工。精加工先要用φ30 mm球刀，然后清根[7]。半精加工和精加工工序的區(qū)域有平坦的，有陡峭的。這些區(qū)域的模具復(fù)雜程度不同，刀具參數(shù)亦不同，機(jī)床結(jié)構(gòu)也有差異。等高加工應(yīng)用于陡峭區(qū)域，三維偏置加工應(yīng)用于平坦區(qū)域。

4.2 加工程序設(shè)計(jì)

由于高速切削，為避免過度切削，機(jī)床的預(yù)處理功能和數(shù)據(jù)功能能夠先對多個程序段進(jìn)行閱讀和檢查。及時(shí)改變進(jìn)給速度，應(yīng)對模具表面形狀的變化。但不能忽視一個客觀因素，就是機(jī)床主軸的慣性，因此需要考慮慣性的影響，合理設(shè)計(jì)工藝方案，重新設(shè)計(jì)刀具的運(yùn)動軌跡。應(yīng)盡量在刀具軌跡中使用圓滑連接的方式，如圖3所示。提高型面加工的連續(xù)性，更好地完成高速切削加工工作。刀具軌跡的切入和切出應(yīng)盡量使用傾斜的方式，或者圓弧的方式，保證高速加工的平穩(wěn)性。要避免垂直的方式，影響零件連接，從而出現(xiàn)微小鋸齒或不光滑等，降低零件的質(zhì)量。高速切削中使用球刀對型面進(jìn)行仿形銑加工。加工中刀尖切削速度是零，容易磨損整體式刀具和刀片，型面加工質(zhì)量和切削速度都會受到影響。為改善這種狀況，可以將主軸傾斜10°，刀具中心和切削區(qū)域遠(yuǎn)離，能夠達(dá)到最佳的切削狀態(tài)，提高表面質(zhì)量。

圖3 圓滑連接刀具軌跡

5 結(jié)論

總之，高速切削加工技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，在汽車覆蓋件模具制造中發(fā)揮著重要的作用。要大力推廣高速切削加工技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，提高加工生產(chǎn)效率，以及汽車模具的加工速度，提高模具表面的質(zhì)量。高速切削加工技術(shù)對復(fù)雜的模具形狀也能很好地處理。汽車企業(yè)要依據(jù)自身實(shí)際情況，設(shè)計(jì)加工工藝和程序，優(yōu)化切削參數(shù)，滿足汽車覆蓋件模具制造的實(shí)踐需求，獲得理想的型面效果。